Blick in die Nanowelt: Prof. Dr. Heinz Sturm am Elektronenmikroskop
Quelle: BAM/Thomas Köhler
Prof. Dr. Heinz Sturm leitet den Fachbereich Nanotribologie und Nanostrukturierung bei der BAM. Im Interview spricht der Physikochemiker darüber, wie seine Forschung zur Nanotechnologie hilft, Autos und Flugzeuge sicherer zu machen und welche Herausforderungen noch zu meistern sind.
Ihre Forschung im Bereich Nanotechnologie verspricht große Chancen für die Entwicklung neuer Leichtbaumaterialien, die einerseits die Umwelt schonen und andererseits die Sicherheit erhöhen sollen. Woran genau arbeiten Sie?
Wir forschen daran, wie man durch Nanopartikel Werkstoffe sicherer macht, die für die Herstellung von kunststoffbasierten Leichtbauteilen in Tragflächen oder Karosserieteilen von Autos verwendet werden.
Unser Ziel ist, mit Nanopartikeln die Werkstoffeigenschaften so zu verändern, dass sich ein Riss im Material möglichst nicht gleichförmig in einer Richtung durchzieht, sondern räumlich verteilt. Dadurch erreichen wir, dass bei einem Einschlag – zum Beispiel wenn die berühmte Taube in den Flugzeugflügel fliegt – der Riss zwar breiter wird, aber nicht so tief ins Material eindringt. So bleibt der Werkstoff eher intakt oder ein Schaden wird minimiert.
Was sind die Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Nanomaterialien?
Die Herstellung von Nano-verstärkten Kohlefaser-Kunststoffen ist ein mehrstufiger Prozess. Der schwierige Teil dabei ist, den Kunststoff nicht zu hart und damit zu spröde zu machen. Denn dann würde er leicht zersplittern und die erwähnten Risse bilden. Deshalb arbeiten wir daran, einen Verbundwerkstoff zu entwickeln, dessen Kunststoffanteil nicht so leicht reißt und trotzdem hart und steif ist. Nanopartikel leisten genau das. Sie müssen sich aber auch mit dem Kunststoff gut vertragen, und dazu muss die Chemie stimmen zwischen ihrer Oberfläche und den Molekülen des Kunststoffs. Auch daran forschen wir, um dann Träger oder Platten dünner und leichter zu konstruieren. Das bedeutet weniger Energieverbrauch, vom Elektrofahrzeug bis zum Flugzeug. Dies alles erreicht man übrigens nur in Zusammenarbeit mit Fachkollegen, die sich um die Herstellbarkeit der Verbundwerkstoffe kümmern oder abschließend ihre Leistungsfähigkeit beurteilen. Deshalb arbeiten wir in einem großen, durch öffentliche Gelder geförderten Forscherverbund.
Nanotechnologie wird oft kritisch beäugt, weil ihre Auswirkungen auf Mensch und Umwelt nicht vollständig erforscht sind. Was tun Sie in Ihrem Forschungsbereich, um Risiken zu minimieren?
Ob die Materialien gefährlich werden können, hängt entscheidend von ihrer Härte und Form ab. Haben sie z. B. spitze Enden, können sie in Zellen eindringen und diese schädigen. Wir forschen gerade an einem Projekt für die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit (BAuA), in dem wir herausfinden wollen, wie steif solche faserförmigen Nanopartikel sind, die z. B. nach einem Bruch aus dem Kunststoff noch ein Stück weit herausragen. Die BAuA wird aus unseren Ergebnissen eine Vorschrift oder eine Verhaltensmaßregel für den Anwender ableiten. Darin steht dann, welches Material unter welchen Umständen gefährlich sein kann, und was beim Umgang und beim Recycling oder der Deponierung zu beachten ist.
Wie sehen sie das zukünftige Potenzial dieser Nano-Leichtbauwerkstoffe?
Wir brauchen diese Leichtbauwerkstoffe, um unsere Energieprobleme und unseren CO2-Fußabdruck weiter zu verringern. Die Forschung zur Optimierung dieser Stoffe mittels Nanopartikeln steht jedoch immer noch am Anfang. Unsere Forschung zielt im besten Fall darauf ab, Nanowerkstoffe so aufzubauen, dass Risiken für Mensch und Umwelt von vornherein minimiert werden. Was nicht einfach ist. Man sollte hier aber nicht nur an „schneller, höher, weiter“ denken, sondern einen Prozess schaffen, der auch nachhaltig ist. Und daran arbeiten wir.