Nanopartikel machen Magnesium stark

Im durch die European Space Agency (ESA) koordinierten EU-Projekt EXOMET werden neue Magnesiumwerkstoffe für bodengebunden Fahrzeuge, Flugzeuge und Satelliten entwickelt. [Bild: ESA]

Die tragenden Elemente in Fahrzeugen sind häufig aus Stahl. Alternativen sind Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium. Heute nutzen viele Ingenieure Magnesium und verwenden es für einzelne Fahrzeugbauteile. Denn ein Vorteil von Magnesium besteht in dessen geringem Gewicht. Magnesium wiegt nur ein Viertel von Stahl und ist noch mal 30 Prozent leichter als Aluminium. Es gilt: Wenn ein Fahrzeug um 200 Kilogramm leichter wird, so wird der Spritverbrauch um rund einen Liter auf 100 Kilometer gesenkt. Für die Umwelt bedeutet das, weniger Emissionen da weniger Klimagase durch den Auspuff geschickt werden.

Noch mehr Gewicht ließe sich einsparen, wenn weitere Autoteile, zum Beispiel der Spaceframe bzw. Chassis oder Motorteile, aus dem leichten Magnesium gebaut würden. Werkstoffwissenschaftler im Magnesium Innovations Center – MagIC – am Helmholtz-Zentrum Geesthacht wollen im jetzt gestarteten Projekt EXOMET neue Magnesiumwerkstoffn entwickeln, die mit Aluminium, Titan oder auch Stahl konkurrieren können: Die Festigkeit von Magnesium soll extrem erhöht werden. Dazu verwenden die Wissenschaftler Nanopartikel. „Nanopartikel besitzen eine Besonderheit“, erklärt der Projektleiter in Geesthacht, Werkstoffforscher Dr. Norbert Hort. „Man benötigt tatsächlich nur geringe Mengen Nanopartikel, um die Eigenschaften eines bekannten Werkstoffes deutlich zu verbessern.“ Im Fall von Magnesium heißt das, dass nur rund ein halbes Prozent Nanopartikel beigemischt werden müssten.

Dabei beachten die Forscher auch die ökonomische und ökologische Seiten: Als Nanopartikel wollen sie Abfallprodukte aus der Industrie verwenden, die ansonsten aufwändig entsorgt werden müssen. Zum Beispiel Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid sowie Nano-Kohlenstoffpartikel, auch bekannt als Ruß.

Das Projekt EXOMET wird durch die „European Space Agency – ESA“ koordiniert. Die ESA ist an neuen und vor allem leichten Materialien für Satelliten und Raketenbauteile interessiert. Doch bevor die neuen Werkstoffe eingesetzt werden können, durchlaufen diese noch zahlreiche Prüfungen. Norbert Hort: „Da wir nur geringe Mengen Nanopartikel einsetzen, ist es sehr schwierig, diese im gegossenen Material zu finden. Das ist aber für die Charakterisierung wichtig. Denn so erkenne ich nur, dass sich eine Eigenschaft verbessert hat, weiß aber nicht im Detail, was diese Eigenschaftsänderung verursachte.“ Unter anderem mit Hilfe von Elektronenmikroskopen wollen die Forscher die Partikel finden und so die Mikrostruktur des Werkstoffs genau charakterisieren.

Eine aufwändige Suche. Zum Vergleich: Die Nanopartikel sind im Magnesiumwerkstoff etwa folgendermaßen verteilt: In einem Bauschutt-Container mit 30 Kubikmetern Schotter wäre der Inhalt einer Streichholzschachtel mit Senfkörnern gleichmäßig verteilt. Für eine Probe soll in einer Schubkarre voller Material mit der Lupe ein Senfkorn gesucht werden.

Das Projekt EXOMET wird durch die European Space Agency – ESA“ mit Sitz in Noordwijk, Niederlande koordiniert, Sprecher ist Dr. David Jarvis. Insgesamt stehen den 27 Partnern im Projekt rund 20 Millionen Euro für die kommenden fünf Jahre zur Verfügung. Das Teilprojekt in Geesthacht, unter der Leitung von Dr. Norbert Hort, Abteilungsleiter im Institut für Werkstoffforschung, Abteilung Magnesium-Prozesstechnik, trägt den Titel: „Metal Matrix Nanocomposites (MMNCs)“. In Geesthacht werden rund 730.000 Euro für die Entwicklung des neuen Materials aufgewandt werden.