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Smart Supply

Ingenieurskunst ade, hallo Nanotechnik?

Sie sparen Gewicht, Energie und schädliche Substanzen ein: Werkstoffe mit der Eigenschaft, wie programmiert auf ihre Umwelt zu reagieren. Die sogenannten Smart Materials haben das Zeug zum echten Game Changer und sorgen für Innovationsschübe in verschiedensten Wirtschaftsbereichen.

18.04.2016
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Ist die Welt der Dinge ebenso programmierbar wie ein Computer? Wenn Skylar Tibbits, Direktor des Self Assembly Lab am Massachusetts Institute of Technology, über seine Arbeit spricht, dann hört es sich so an . Und tatsächlich, es funktioniert - auf Mikro- und Nanoebene. Wissenschaftler wie er nutzen diese Tatsache, um Werkstoffe zu entwickeln, die auf bestimmte Umwelteinflüsse bestimmte Reaktionen zeigen. Reaktionen, die für unsere Zwecke nützlich sind. Diese Werkstoffe nennen wir aus diesem Grund intelligent. Was sie für nahezu alle Branchen so interessant macht: Durch ihren Einsatz können umweltschädliche Substanzen ersetzt, Gewicht und Energie gespart, ja sogar Energie gewonnen werden, wo bisher nicht daran zu denken war.

Formgedächtnislegierungen biegen sich die Welt zurecht

Ein intelligenter Werkstoff mit viel Potential sind sogenannte Formgedächtnislegierungen. Mit ihnen sind verschiedenste Zwecke zu erreichen. Zum Beispiel die Kühlung . Der weltweite Bedarf daran steigt mit dem Klimawandel und wachsender Weltbevölkerung. Das wird nicht nur teuer, sondern belastet die Atmosphäre mit Treibhausgasen und durch den hohen Stromverbrauch mit Unmengen an Kohlendioxid - was wiederum die Erderwärmung befeuert. Eine umweltfreundlichere Kühlmethode entwickeln die Forscherteams der Universität des Saarlandes und der Ruhr-Universität Bochum mit "künstlichen Muskeln" aus Formgedächtnislegierungen. Ihr Verfahren kommt ohne klimaschädigende Kühl- oder Kältemittel aus und soll auch weniger Energie verbrauchen als bislang übliche Kühltechniken. "Wir setzen Systeme mit Formgedächtnislegierungen ein, um Wärme abzutransportieren", erklärt Stefan Seelecke, Professor für Intelligente Materialsysteme. Drähte oder Bleche aus der Legierung Nickel-Titan haben gewissermaßen ein Erinnerungsvermögen: Werden sie verformt, nehmen sie anschließend die alte Form wieder an. Hierdurch können sie wie Muskeln an- und entspannen. Den Effekt, dass sie dabei Wärme aufnehmen und wieder abgeben, nutzen die Forscher für die Konstruktion ihres alternativen Kühlsystems.

Doch Formgedächtnislegierungen können nicht nur durch Bewegung Energie aufnehmen. Sie können auch aus Energie Bewegung machen. Diese Eigenschaft machen sich Forscher in der sogenannten Smart Wing, der intelligenten Tragfläche bei Flugzeugen, zunutze. Wissenschaftler der NASA haben vor einigen Monaten erfolgreich eine Serie von Testflügen mit der sogenannten Morphing Wing Technology absolviert, die auf Gittern aus Formgedächtnislegierungen basiert . Sie ermöglicht die Konstruktion von scharnierlosen Steuerklappen und damit immense Einsparungen von Gewicht, Treibstoff und Lärm bei Start und Landung. Eine Technologie, die ebenso zur Optimierung von Windrädern dienen kann.

Good Vibrations – wie Smart Materials die Stromerzeugung revolutionieren könnten

Ebenfalls an der Tragfläche von Flugzeugen kommen Materialien zum Einsatz, die Energie aus der Umwelt „ernten“. Die sogenannten "Piezoelektrika" erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie verformt werden. Vier junge Wissenschaftler aus Großbritannien, den Niederlanden, Indien und den USA haben im Fly-Your-Ideas-Wettbewerb von Airbus eine Idee vorgestellt, wie mittels piezoelektrischer Materialien Energie aus den natürlichen Schwingungen gewonnen werden kann, denen ein Flügel während des Fluges ausgesetzt ist. Die Tragflächen sollen mit einer Verbundwerkstoffhaut überzogen werden, die mit piezoelektrischen Fasern durchsetzt ist. Diese Fasern wandeln selbst kleinste Bewegungen in elektrische Energie um. Dank Akku-Platten im Flügel kann man diese dann auch speichern. Plan der Wissenschaftler ist es, mit der so gewonnenen Energie Bordsysteme wie das Unterhaltungsprogramm oder die Beleuchtung zu versorgen. Das reduziere den Energieverbrauch des Flugzeugs im Flug und könnte sogar die gesamte Energiequelle für den Bodenbetrieb ersetzen.

Aber auch in viel kleineren, allgegenwärtigen Geräten könnte diese Technologie zum Einsatz kommen. Einer Forschergruppe des Institut National des Sciences Appliqueès de Lyon ist Anfang des Jahres einen entscheidenden Durchbruch bei den sogenannten elektrostriktiven Polymeren gelungen . Das "Energy Harvesting" mit diesen Materialien wird dadurch erheblich effektiver – und öffnet die Tore für eine interessante Anwendung: Batterien, allgegenwärtig in mobilen elektronischen Geräten, könnten so ersetzt werden.

Entdecken Sie die neuesten Trends auf der Sonderausstellung zu innovativen Materialien in der Solutions Area Leichtbau oder bei spannenden Vorträgen internationaler Experten, zum Beispiel über Innovationen in der angewandten Materialforschung , am 26. April 2016, 11:00 Uhr, Halle 3, Stand F06/30-32.

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