SFB 986
Maßgeschneiderte
Multiskalige
Materialsysteme

Ob in der Brennkammer eines Kraftwerks oder im Triebwerk eines Passagierjets – in der Technik finden viele wichtige Prozesse bei Temperaturen jenseits der 1000 Grad statt. Dazu braucht es Werkstoffe, die neben ihrer spezifischen Funktion auch noch ausgesprochenen hitzebeständig sind. Die Forscher des Bereichs C arbeiten an den Grundlagen für eine neue Generation von hitzebeständigen Materialien.

Diese neuen Werkstoffe sollen nicht nur extremen Temperaturen  standhalten können, sondern auch interessante neue Funktionen bieten, indem sie die bei diesen hohen Temperaturen vorhandene Wärmestrahlung geschickt manipulieren. Analog zur Elektronik, bei der die Informationsverarbeitung bekanntlich durch Elektronen erfolgt, sprechen die Experten bei der gezielten Licht-Manipulation von der Photonik. Sie gilt als eine der zukunftsträchtigsten Schlüsseltechnologien der kommenden Jahrzehnte.

Konkret entwickeln die Experten des SFB 986 „multiskalige“ Materialien – Werkstoffe, die auf verschiedenen Größenskalen unterschiedliche Strukturen zeigen. Solche Systeme könnten entweder Wärmestrahlung besonders gut reflektieren, etwa um als hocheffektiver Hitzeschild in einer Kraftwerksturbine eingesetzt zu werden. Oder sie könnten umgekehrt Wärmestrahlung besonders gut leiten und in eine gewünschte Richtung lenken – etwa auf eine Thermophotovoltaik-Zelle. Diese würde die Wärmestrahlung direkt in Strom umwandeln – ein alter Traum der Ingenieure.

Für thermische Kraftwerke und auch für Flugzeugtriebwerke gilt: Je höher die Temperatur in der Turbine, umso höher der Wirkungsgrad und umso effizienter das Kraftwerk bzw. der Passagierjet. Für die Turbinenschaufeln in Kraftwerken verwendet man heute meist Nickellegierungen. Damit sie nicht schmelzen, müssen sie mit Wasser gekühlt werden sowie mit einem speziellen keramischen „Hitzeschild“ beschichtet sein, der in der Regel aus Zirkonoxid besteht.

Auch die Forscher des SFB 986 nutzen Zirkonoxid als ein Grundmaterial, verfolgen aber eine neue Strategie: Statt wie üblich Zirkonoxid-Kristallite als „Bausteine“ für den Werkstoff zu verwenden, arbeiten die Experten mit winzigen identischen Kügelchen als Elementareinheit. Diese Kügelchen sind 100 Nanometer bis einige Mikrometer groß. Sie können komplett aus Zirkonoxid bestehen, aber auch einen Metallkern besitzen oder mit anderen Materialien beschichtet sein ¬– oder sogar hohl.

Ähnlich wie der Obsthändler seine Apfelsinen stapelt, lassen sich diese Kügelchen zu künstlichen Kristallen anordnen, mit einer mehr oder weniger periodischen Struktur. Auf Infrarotstrahlung – den bei hohen Temperaturen dominierenden Hitzeanteil – hat diese Struktur eine ausgeprägte Wirkung: Sie reflektiert sie ähnlich wie ein Spiegel.

Die Strategie der Wissenschaftler: Indem sie die Größe und Anordnung der Kügelchen präzise wählen, können sie die Wellenlänge, die reflektiert werden soll, genau einstellen. Kombiniert man dann mehrere dieser Strukturen miteinander, lässt sich ein breiter Wellenlängenbereich reflektieren Das Resultat wäre ein hocheffektiver Hitzeschild, mit dessen Hilfe sich die Temperatur des Gasstroms in einer Turbine deutlich erhöhen lassen könnte. Kraftwerke wären effizienter, Flugzeugtriebwerke würden Treibstoff sparen. Eine andere Möglichkeit: Ließe man die Verbrennungstemperatur unverändert, könnte die thermische Belastung der Turbinenschaufeln deutlich gesenkt werden. Das Ergebnis wäre eine größere Haltbarkeit.

Alternativ könnten die neuen Materialien aber auch dazu dienen, Wärmestrahlung hocheffizient zu übertragen. Eine interessante Anwendung dafür wäre die Thermophotovoltaik. Das sind „Solarzellen“, die Strom nicht wie gewohnt aus Sonnenlicht gewinnen, sondern aus Hitze, beispielsweise der Abwärme von Kraftwerken und Industrieanlagen. Das Problem dabei: Die Zelle sollte der Hitze nicht direkt ausgesetzt sein, dann würde sie zu ineffizient arbeiten bzw. schlicht kaputtgehen. Deshalb schaltet man eine spezielle Vorrichtung dazwischen – ein Tandem aus Absorber und Emitter. Beide sollen die Hitze möglichst effektiv in ein schmales Infrarot-Frequenzband für die Photovoltaik-Zelle konvertieren.

Günstig wäre ein extrem kleiner Abstand zwischen Absorber und Emitter – eine Distanz kürzer als 100 Nanometer, in der ein wärmeisolierendes Vakuum herrschen muss. Das ist jedoch technisch nur schwer zu realisieren. Deshalb versuchen es die Experten mit einer neuartigen Gattung von Materialien, den sog. hyperbolisch-optischen Materialien. Dank ihrer speziellen physikalischen Eigenschaften lassen sich die Abstände zwischen Absorber und Emitter auf mehrere Mikrometer vergrößern, was sich technologisch einfacher umsetzen lässt.

Geeignete Materialien wären zum Beispiel „Sandwich“-Systeme, bei denen sich nanometerfeine Lagen aus Gold und Silizium abwechseln. Mit ihrer Hilfe kann das System zwar viel Infrarotstrahlung übertragen, aber bei geeigneter Anordnung so gut wie keine andere Wärme. Dadurch würde die Photovoltaikzelle genau mit den „richtigen“ Photonen gefüttert, könnte also mit hoher Effizienz Strom erzeugen, ohne sich dabei zu stark aufzuheizen.

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