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Strapazierfähiges Dickicht

Wie neue Faserverbundwerkstoffe Schwingungen unterdrücken sollen

Gas- und Staubströme am "Hals" von Churyumov-Gerasimenko © ESA/Rosetta/NAVCAM (CC BY-SA IGO 3.0)

Die Forscher vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm wollen nun eine ganz andere Funktion der muskelähnlichen Pflanzenzellen nutzen, die für den Bau von Flugzeugen oder Fahrrädern nützlich sein könnte. Zusammen mit dem Institut für Textil- und Faserforschung in Denkendorf bei Stuttgart und der Universität Freiburg entwickeln die Max-Planck-Wissenschaftler einen neuen Faserverbundwerkstoff, der zäher und bruchfester sein soll als bisherige Materialien dieser Art.

Faserverbundwerkstoffe haben schon jetzt viel mit dem pflanzlichen Vorbild gemein: Steife Glas-, Kohlenstoff- oder Keramikfasern sind eingebettet in einen weichen Kunststoff. Die Fasern geben dem Material seine Festigkeit, der Kunststoff macht es formbar. Das Ergebnis ist ein leichter und gleichzeitig belastbarer Werkstoff. Die neue Boeing 787 etwa wird aus solch einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff gebaut.

Vibrationen machen Material spröde

Doch ihr geringes Gewicht bringt auch einen Nachteil: Die Faserverbundwerkstoffe beginnen leicht zu schwingen. Vibrationen erzeugen nicht nur Lärm. „Sie sind Gift für ein Material“, sagt Markus Milwich, Wissenschaftler am Denkendorfer Textilforschungs-Institut. „Vibrationen machen den Werkstoff auf Dauer spröde, bis er irgendwann bricht“, erklärt der Ingenieur.

Krummer Baum in Vermont, USA © Nils Fretwurst/ GNU FDL

Obwohl Holzzellen ähnlich aufgebaut sind wie Faserverbundwerkstoffe, trotzen Bäume vielen Stürmen zäh und brechen nicht ohne Weiteres. „Pflanzenzellen verwenden einen Trick, um strapazierfähig zu bleiben“, sagt Max-Planck-Forscher Ingo Burgert. Die Hemizellulosefäden des weichen Schwammes hängen fest an den steifen Zellulosesträngen. Es gibt kurze und lange Fäden, die unterschiedlich weit in den Schwamm hineinragen. Das Dickicht der Hemizellulosefäden wird also mit zunehmendem Abstand von der Zellulosefaser immer lichter. Dadurch geht die Steifheit der Zellulosefasern allmählich in die Weichheit des sie umgebenden Schwammes über. Der Stamm bricht erst dann, wenn eine Unmenge der mikroskopischen Fäden gerissen sind.

Glasfasern in einer Nanopartikel-Lösung

Am Institut für Textil- und Faserforschung haben Ingenieure das Naturprinzip mithilfe von Siliziumoxid-Nanoteilchen nachempfunden. Sie tauchten Glasfasern in eine Nanopartikel-Lösung, bevor sie sie in Kunstharz einbetteten. Die Nanopartikel hefteten sich in einer dünnen Schicht an die Fasern. „Die Hülle aus Nanoteilchen ist weicher als die Glasfaser, aber steifer als das Harz“, sagt Milwich. Wie bei Pflanzen gibt es also einen Übergang zwischen steif und weich.

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Die Wissenschaftler haben das neue Material getestet und wurden überrascht: Die Nanopartikel machten den Glasfaserwerkstoff nicht nur biegsamer. Sie bewirkten auch, dass sich die Teststäbe weniger leicht zum Schwingen bringen ließen. „Wir wollen jetzt versuchen, dem natürlichen Vorbild noch näher zu kommen.“ Sie wollen die Glasfasern in mehrere Hüllen von Nanopartikeln packen, deren Steifigkeit nach außen hin abnimmt, damit die Fasern allmählich in das Harz übergehen. Die Forscher hoffen, dass der Werkstoff Vibrationen dann noch besser dämpft.

Faserverbundwerkstoffe bald billiger?

Wenn das gelingt, könne der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen wesentlich kostengünstiger werden, sagt Milwich. „Im Flugzeugbau werden die Schwingungen mithilfe zusätzlicher Folien gedämpft“, sagt der Ingenieur. „Wenn der Verbundwerkstoff selbst das Schwingen unterdrückt, wäre dieser Aufwand nicht mehr nötig.“ Ingenieure entdecken also das Holz wieder. Nicht nur als Werkstoff, sondern vor allem als Ideenquelle.

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Stand: 07.12.2007

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Bäume zeigen Muskeln
Die Natur als Vorbild für neue Materialien

Holzzellen als „Muskelersatz“
Auf der Suche nach Erfindungen der Natur

Wasser gibt Holzmuskeln Kraft
Funktionsprinzip der Holzzellen auf der Spur

Strampeln im Rhythmus von Tag und Nacht
Luftfeuchtigkeit als Hilfsmittel

Wie Schilfhalme im Wasser
Forscher entwickeln aktive Materialien

Strapazierfähiges Dickicht
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