Ob als Röhrchen oder als Plättchen: Materialwissenschaftler entwickeln neue Produkte aus den Kohlenstoff-Nanotubes und aus Graphen. In Stuttgart präsentierten sie auf einer Tagung ihre Ideen.

Stuttgart - Aus Kohlenstoffatomen bestehen nicht nur Diamanten, im mikroskopisch kleinen Maßstab bilden sie einzigartige Strukturen, für die sich Materialforscher interessieren. Bereits seit 1991 beflügeln Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, englisch Carbon Nanotubes (CNT) genannt, die Fantasie vieler Wissenschaftler. Seit 2008 besteht die Innovationsallianz Carbon Nanotubes (Inno-CNT), ein Forschungsverband, an dem rund 90 Partner aus Wissenschaft und Industrie beteiligt sind. Den fünften Jahreskongress der Inno-CNT dieser Tage in Stuttgart nutzten die 160 Teilnehmer zum Informationsaustausch. „Wir wollen gemeinsam die Ergebnisse der Forschung in marktfähige Produkte überführen“, erklärt Péter Krüger von der Firma Bayer Material-Science.

 

Die Initiative ist auf sechs Jahre angelegt und wird als Hightechstrategie von der Bundesregierung mit rund 90 Millionen Euro unterstützt. Der Betrag wurde zur Hälfte vom Forschungsministerium aufgebracht, die andere Hälfte steuerten die beteiligten Partner bei. „Carbon Nanotubes sind nirgendwo so tief erforscht wie in Deutschland“, sagt Ivica Kolaric vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart, einem der weltweit größten Forschungszentren auf diesem Gebiet. „Wir wissen, was möglich ist und was nicht, nun geht es um die Prozesssicherheit.“

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100 Millionen Euro Förderung sei nicht zu viel, heißt es

Bei einer anderen Form von Kohlenstoff, dem Graphen, ist man noch nicht so weit. Als Graphen werden einzelne Schichten von Kohlenstoff bezeichnet, die nur eine Atomlage dick sind. Die EU fördert die Anwendungsforschung in den kommenden zehn Jahren mit jährlich 100 Millionen Euro. „Das ist nicht so viel, wenn man bedenkt, dass allein das Unternehmen Samsung 300 Millionen Euro pro Jahr dafür ausgibt“, sagt Kolaric. Am Anfang der Forschung stehe immer ein „Füllhorn mit Ideen“, doch es blieben nur wenige übrig, die wirklich Sinn machten. „Im Labor gelingt vieles“, ergänzt Krüger, die Schwierigkeit sei die Umsetzung in die Praxis.

Damit der Transfer gelingt, hatte die Initiative 27 Projekte gestartet, in so verschiedenen Bereichen wie Energie, Leichtbau, Elektronik und Gesundheit. Viele Projekte stehen nun kurz vor dem Abschluss. „Nun ist es Zeit, die Forschung in die Unternehmen zu bringen. Wir dürfen an diesem Punkt auf keinen Fall aufgeben und müssen den nächsten Schritt gehen“, sagt Kolaric. Deutschland könne vor allem Qualität liefern. Eine große Chance sieht der Forscher in den Bereichen Leichtbau, Energietechnik und vor allem in der gedruckten Elektronik. Vielversprechend scheint ein Verfahren, bei dem leitfähige Hybridtinte aus Polymeren und Nanoröhrchen auf eine transparente Folie aufgebracht wird. „Bisher bestehen Handy-Displays aus dem transparenten Leiter Indiumzinnoxid“, erklärt Victor Siong, Forscher am IPA. Dieses Material sei starr und gehe schnell kaputt. Zudem sei Indium ein seltenes Schwermetall, das hauptsächlich in China abgebaut wird. Die neue flexible Elektronik sei hingegen stabil und wäre für Touch-Elemente geeignet. „Unser Ziel ist die Technologie hier anzusiedeln“, sagt Kolaric. „Wir wollen die Produktion nach Deutschland holen, damit die Menschen Arbeit haben.“

Auch neue Verbundwerkstoffe, das sind Werkstoffe, die aus zwei oder mehr verbundenen Materialien bestehen, werden von Inno-CNT entwickelt. Mit ihnen lassen sich beispielsweise Autos und Flugzeuge leichter machen. So ist Aluminium, in das Nanoröhrchen eingearbeitet sind, nicht nur leicht, sondern auch vergleichsweise fest. Im Bereich Medizintechnik können Implantate mit Kohlenstoffröhrchen kleiner werden. Das bedeutet weniger Schrauben und geringere Schmerzen für die Patienten. Auch Keramiken mit Nanoröhrchen haben Vorteile: Sie erzeugen weniger Reibung und haben höhere Festigkeiten und sind weniger stoßempfindlich. Sie eignen sich für Wälzlager. Und nicht zuletzt die Raumfahrt soll profitieren: Seit 2005 arbeitet das Unternehmen HPS daran und setzt dabei auf kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe. „Die Materialien müssen die Extrembedingungen beim Transport in den Orbit und sehr hohe Temperaturschwankungen am Einsatzort aushalten und dabei möglichst lange fehlerfrei funktionieren“, erklärt Felicitas Hepp, Projektverantwortliche der Firma HPS. Das Unternehmen hat sich vorgenommen, die neuen Materialien in einem Satellitenbauteil ins All zu bringen.

Die Nanotechnik drängt auf den Markt

Andere Produkte sind bereits auf dem Markt wie der Tennisschläger von Head Sport, bei dem Rahmen und Griff Nanoröhrchen in kleinen Mengen enthalten. Die Kohlenstoffröhrchen sind auch in Fahrradlenkern, Golfschlägern, Fahrradhelmen, Skiern, Surfbrettern, Baseballschlägern und Sportschuhen zu finden. Ein Beispiel aus der Industrie ist das Kunststofffass mit antistatischer Außenschicht der Firma Schütz; es soll verhindern, dass sich entflammbare Transportgüter wie Lösemittel und Öle nicht durch elektrostatische Entladungen entzünden. Und Ensinger stellt einen leitfähigen Kunststoff her, aus dem Teile der Außenhaut von Formel-1-Wagen, Flugzeugen und Autos geformt werden.

„Wir sollten die Wertschöpfungskette schließen und weitere Unternehmen finden, die sich der Herausforderung annehmen“, sagt Kolaric. Vor allem kleine und mittelständische Betriebe benötigten dafür aber eine Unterstützung, damit das Risiko nicht so hoch sei. Damit der Transfer vom Labor in die Praxis gelingt, wünscht sich der Forscher verschiedene Projekte, bei denen „der Staat gefordert ist“: Der IPA-Forscher denkt dabei an ein Musterhaus, das mit Nanotechnologie ausgerüstet ist, oder städtische Elektroautos mit Superkondensatoren. „Dann können die Menschen sehen, dass die Technik funktioniert.“

Besondere Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Kohlenstoffformen
Kohlenstoff bildet die Grundlage biologischer Prozesse und ist fast unbegrenzt verfügbar. Je nach Molekülform besitzt er unterschiedliche Eigenschaften: hart wie ein Diamant oder weich wie Grafit. Er hält extremen Temperaturen stand und kann Wärme und starke elektrische Ströme leiten.

Nanoröhrchen
Carbon Nanotubes sind mikroskopisch kleine Kohlenstoffröhrchen, die man sich als aufgerollte Grafitschicht vorstellen darf (siehe kleines Bild). Die Röhrchen sind etwa 10.000-mal dünner als ein menschliches Haar. Forscher unterscheiden einwandige und mehrwandige Röhrchen. Das beeinflusst ihre elektrischen Eigenschaften. So kann die Leitfähigkeit – je nach Struktur – metallisch oder halbleitend sein.

Vorteile und Risiken
Spektakulär sind die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhrchen: Bezogen auf ihr Gewicht haben sie eine vielfach höhere spezifische Festigkeit als Stahl und Carbonfasern. Zudem ist ihre Wärmeleitfähigkeit höher als bei Diamanten – dem besten natürlich vorkommenden Wärmeleiter. Bis jetzt gibt es noch kein abschließendes Urteil, wie sich Nanoröhrchen auf die Umwelt und den Menschen auswirken. Es besteht der Verdacht, dass bestimmte Nanoröhrchen ähnlich wirken wie Asbestfasern.