Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Polystyrol-Schaums: Links mit einem herkömmlichen Talk-Füllstoff, rechts mit Graphenen als Zusatz.
Lehrstuhl Polymere Werkstoffe, Universität Bayreuth
Neben dem „Human Brain Projekt“ zählt das „Graphen-Projekt“, das von der Calmers University of Technology in Göteborg koordiniert wird, zu den Gewinnern im Europäischen Flagship-Wettbewerb. Bis zu 1 Milliarde Euro Fördermittel investiert Europa damit in den kommenden Jahren in die industrielle Nutzbarmachung dieses Nano-Werkstoffs aus Kohlenstoff.
Graphen ist eine besondere Form von Kohlenstoff und besteht aus einzelnen Lagen von wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen. Für ihre grundlegenden Experimente zur Herstellung dieser zweidimensionalen Kohlenstoffmoleküle wurden die russischen Physiker Andre Geim und Kostya Novoselov 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Am Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) der Universität Freiburg hat man inzwischen Graphen-Riesenmoleküle herstellen können, die weniger als ein millionstel Millimeter dick, aber großflächig sind und Weiten von mehr als einem hundertstel Millimeter erreichen.
Es ist diese Struktur, die Graphen außergewöhnliche elektrische, mechanische und optische Eigenschaften verleiht. „Graphen wird künftig beispielsweise in der Displaytechnik, bei der druckbaren Elektronik, transparenten Elektroden für Solarzellen, Bio-Sensoren, Superkondensatoren, Brennstoffzellen, Katalysatoren für die Wasseraufbereitung oder neuartigen Hochleistungswerkstoffen zum Einsatz kommen“, beschreibt Professor Rolf Mülhaupt vom FMF das Potenzial des neuen Technologie-Hoffnungsträgers. Die Forscher schätzen, dass Graphen bis zu 200-mal so reißfest ist wie Stahl.
Neuartiges Dämmmaterial
Kunststoffschäume, die sich Dank Graphen-Beimengung erheblich besser zur Wärmedämmung eignen, gehören zu den ersten sichtbaren Ergebnissen eines auf mehrere Universitäten und Forschungseinrichtungen verteilten Forschungsprojekts FUNgraphen, das Mülhaupt leitet. Einem Forschungsteam um Professor Volker Altstädt an der Universität Bayreuth ist es in FUNgraphen gelungen, auf der Basis von Polystyrol-Schäumen das neuartige Dämmmaterial zu entwickeln.
Polystyrol-Schäume bestehen aus vielen kleinen hohlen Zellen, die durch Kunststoffwände voneinander getrennt sind. Normalerweise haben diese Zellen einen Durchmesser von rund 100 Mikrometern. Sobald aber dem Kunststoff die Kohlenstoffplättchen beigemischt werden, verringert sich die Zellgröße auf 25 Mikrometer. Die Folgen für die Isolationswirkung sind enorm. Denn aufgrund der verkleinerten Zellen wird die Gaswärmeleitung deutlich vermindert; das heißt, es fließt eine wesentlich geringere Wärmemenge durch die im Kunststoff-Schaum enthaltene Luft. Überdies wird aufgrund der Graphen-Plättchen infrarote Strahlung größtenteils reflektiert oder vom Kunststoff absorbiert.
Leichtester Werkstoff der Welt
Zu den aus deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen am europäischen Graphen-Projekt beteiligten Teams zählt auch die Forschergruppe um Professor Karl Schulte an der TU Hamburg-Harburg. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Kiel um Professor Rainer Adelung hatte man in Hamburg schon 2011 Graphit-Strukturen zu einem bis dato leichtesten Werkstoff der Welt entwickeln können. Nun wollen die Forscher im Graphen-Projekt „diese Strukturen für verschiedenste Anforderungen optimieren“, berichtet Schulte. Ziel der norddeutschen Ingenieure und Werkstoffexperten ist die Herstellung des – auf den Namen Aerographit getauften und auf Graphen basierenden – Materials in größeren Mengen bei hoher Qualität. Eine große Herausforderung für das Team, denn bislang erreicht die gesamte Produktionsmenge etwa das Volumen einer Walnuss.