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Neues Anwendungsgebiet für Graphen

Dieses Sieb aus Graphen filtert Salzwasser zu Trinkwasser

Ein Sieb aus England sorgt für Aufsehen: Es verwandelt mit einer Membran aus Graphenoxid Salz- in Trinkwasser. Ohne großen Aufwand. Mit etwas Glück ist es die Wundererfindung, welche die Menschheit vor Wasserknappheit rettet.

Membran aus Graphenoxid

Eine Membran aus Graphenoxid haben britische Forscher entwickelt. Stellt man daraus ein Sieb her, lässt sich Salzwasser zu Trinkwasser filtern. Einfach so.

Foto: Universität Manchester

Ihr Lösungsvorschlag: Ein hauchdünnes Sieb, das Salzwasser aus dem Meer in Trinkwasser umwandelt. Das wäre eine großartige Erfindung und sehr effektiv, schließlich sind 70 % der Erde von Meeren bedeckt.

Graphenoxid ist das Herzstück des Siebs

2010 haben russische Wissenschaftler den Nobelpreis für die Entdeckung des Graphen bekommen – eine Modifikation des Kohlenstoffs, in der jedes Atom von drei weiteren im Winkel von 120 ° umgeben ist, sodass ein bienenwabenförmiges Muster entsteht. Theoretisch ist diese zweidimensionale Struktur ein idealer Filter. Doch Membranen ließen sich bislang kaum herstellen. Bislang.

Den Forschern in Manchester ist es gelungen, ein Graphengitter zu bauen, das Wasser durchlässt, aber Salzkristalle aufhält.

Foto: Universität Manchester

Die Forscher haben im Labor durch Oxidation ein chemisches Derivat namens Graphenoxid geschaffen, das sich wie eine Tinte auf ein Substrat auftragen lässt, so dass eine dünne Membran entsteht. Die Löcher in der Membran sind dabei nicht größer als ein Nanometer – sie sind also eine Million Mal kleiner als ein Millimeter.

Die Folge: Wasser dringt durch die Membran. Salz nicht. „Es ist das erste Mal, dass wir die Größe der Poren in der Membran kontrollieren und so Wasser entsalzen konnten“, sagte Prof. Rahul Nair der BBC. Nair und sein Team haben die Studie gerade im Fachblatt „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht. „Die Realisierung skalierbarer Membranen mit gleichmäßiger Porengröße bis hin zur atomaren Skala ist ein wichtiger Schritt vorwärts und eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz der Entsalzungstechnik.“

Offene Frage: Wie lang hält Membran Salzwasser stand?

Auf dem Markt ist der Filter noch nicht. Zuerst müssen die Forscher im Labor noch einige Hürden überwinden. Noch ist zum Beispiel unklar, wie lange die Membran den ständigen Kontakt mit Meerwasser aushält. Unklar ist auch, ob der Werkstoff nicht viel zu teuer ist, um Siebe im industriellen Maßstab herzustellen.

Im Labor klappt das Filtern von Salzwasser schon: rechts im Bild trübes Salzwasser, links trinkbares Süßwasser.

Foto: Universität Manchester

Ein anderes Problem haben die Wissenschaftler hingegen schon gelöst: die Tatsache, dass Graphenoxid in Kontakt mit Wasser aufquillt. Sie haben an beiden Seiten der Membran hauchdünne Wände aus Epoxidharz platziert, welche das Aufquellen verhindern. Als Nächstes wollen Sie damit experimentieren, die Membran mit marktüblichen Stoffen zu kombinieren.

Derweil beeindruckt Graphen auch mit anderen Eigenschaften. Als Schmiermittel könnte Graphen dafür sorgen, dass Automotoren und Maschinen künftig fast ohne Reibung laufen und ewig halten. Als Schaum ist Graphen federleicht, aber um ein Vielfaches stabiler als Stahl. Und schließlich könnte es auch das ultimative Flammschutzmittel mit einer positiven Umweltbilanz sein.

Von Patrick Schroeder
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Forschung/Dieses-Sieb-Graphen-filtert-Salzwasser-zu-Trinkwasser vom 14.4.2017

Werkstofftechnik 2.0

Dieser Stahl will auch bei hoher Belastung einfach nicht müde werden

Wäre das schwere Zugunglück 1998 in Eschede, als ein ICE wegen eines gebrochenen Radreifens entgleiste, mit diesem neuen Stahl nicht geschehen? Ingenieure habe nach dem Vorbild des Knochens eine Stahlstruktur entwickelt, die deutlich besser gegen Risse und Ermüdungsbrüche gefeit ist. Die Erwartungen sind hoch.

Stahlproduktion bei Salzgitter

Stahlherstellung bei Salzgitter: Ein internationales Forscherteam hat jetzt eine Stahllegierung entwickelt, die sich an der Struktur des menschlichen Knochens orientiert. Dadurch wollen die Ingenieure Ermüdungsbrüche verhindern. Ein gebrochener Radreifen hatte zur Zugkatastrophe von Eschede geführt.

Foto: Julian Stratenschulte/dpa

Ein internationales Forscherteam, darunter das Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf, ist auf der Suche nach einem Stahl, den man nicht ständig überwachen muss, um Ermüdungserscheinungen aufzuspüren, sondern der einfach nicht müde wird. Zum Vorbild genommen haben sich die Forscher den Aufbau menschlicher Knochen, die extrem leicht, aber dank ihrer Wabenstruktur besonders stabil sind und einen hohen Ermüdungswiderstand aufweisen.

Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium

Das Ergebnis ist eine Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium. Diese besteht aus verschiedenen metastabilen Phasen, die in Nanometer-großen Lamellen geordnet sind. Eine Phase ist eine Kristallstruktur, in welcher die Atome in einem Metall angeordnet sind.

Die neue Stahlstruktur orientiert sich am menschlichen Knochen und ist deshalb besonders gut belastbar.

Foto: M. Wang/Max-Planck-Institut für Eisenforschung

Diese Kristallstruktur haben die Materialwissenschaftler so verändert, dass „der neu entwickelte Stahl resistent gegen multiple Rissbildung auf der Mikroebene ist“, so Dierk Raabe, Direktor am MPIE. „Um zu prüfen, ob die exzellenten Ermüdungseigenschaften unseres Stahls auch wirklich auf die lamellenartige Mikrostruktur zurückzuführen sind, haben wir ihn mit konventionellen Stählen verglichen.“

In zahlreichen Experimenten verglich das Team rund um Raabe die Ermüdungseigenschaften des neuen Stahls mit denen von Dual-Phasen-Stählen, die für Autos verwendet werden, mit perlitischen Stählen, welche in Stahlseilen für Brücken angewendet werden, und mit TRIP-Stählen, die vor allem in Fahrzeugkarossen Anwendung finden.

Zudem veränderten die Forscher testweise die Mikrostruktur ihrer Legierung erneut und beobachteten die Verschlechterung der Ermüdungsresistenz. Auf diese Art bestätigten die Forscher ihre Annahme, dass der verbesserte Ermüdungswiderstand des neu entwickelten Stahls auf dessen lamellenartige Multiphasen-Mikrostruktur zurückzuführen ist.

Legierung soll weiter verbessert werden.

Serienmäßig einsetzbar ist der neuartige Stahl aber noch nicht. Jetzt soll die Legierung noch optimiert werden, um die Ermüdungsresistenz noch zu verbessern. Die Forscher des MPIE, der Kyushu University Japan und des Massachusetts Institute of Technology in den USA sind überzeugt, dass dies möglich ist.

Warum aber überhaupt der Aufwand? Das Problem von Stählen ist, dass sie unter starker Belastung zwar langsam verschleißen, das aber lange nicht erkennbar ist. Denn der Verschleiß zeigt sich erst tief in der Stahlstruktur, auf der Mikro- und Nanoebene, bevor dann ein Riss folgt. Und so ein Riss ist je nach Einsatzort gefährlich. Bei Radreifen von Zügen sind solche Risse eine Katastrophe. Gleiches gilt für Flugzeuge und Kraftwerke.

Das Unglück in Eschede war das schwerste Bahnunglück der Nachkriegsgeschichte: Am 3. Juni 1998 raste der Intercity-Express 884 dort mit 200 km/h gegen eine Betonbrücke und entgleiste. 101 Menschen kamen ums Leben. Unfallursache war ein gebrochenes Rad.

Foto: dpa

Um solche Risse rechtzeitig zu entdecken, werden derzeit die Materialen regelmäßig überwacht und aufwendig vermessen. Und das kostet Geld, Zeit und Einsatzzeiten bei Zügen und Flugzeugen. Zudem werden Sensoren eingesetzt, die zum Beispiel die Räder von Zügen laufend überwachen, um Schwingungsänderungen festzustellen, die auf Materialermüdungen zurückzuführen sind.

Vielleicht kann der neue Stahl da Abhilfe schaffen. Und trotz weniger Kontrolle Katastrophen wie die von Eschede verhindern.

Und das sind die fünf schnellsten Züge der Welt.

Von Axel Mörer-Funk
Quelle: http://www.ingenieur.de/Branchen/Stahl-Metallverarbeitung/Dieser-Stahl-hoher-Belastung-einfach-muede vom 21.3.17

Graphen und seine Eigenschaften

Graphen-Schaum ist so viel stabiler als Stahl

Graphen ist wirklich ein Wundermaterial: Jetzt ist es gelungen, einen Schaum aus Graphen herzustellen mit ganz erstaunlichen Eigenschaften. Der Schaum ist zwar federleicht, aber um ein Vielfaches stabiler als Stahl. Wie das kommt?

Gyroid-Modell aus dem 3D-Drucker

Gyroid-Modelle aus dem 3D-Drucker wie dieses wurden benutzt, um die Stärke und mechanischen Eigenschaften eines neues leichten Materials zu testen.

Foto: Melanie Gonick/MIT

Graphen ist ein zweidimensionales Nanomaterial. Nur eine Atomlage dick besitzt die Kohlenstoffvariante lediglich in Breite und Länge eine Ausdehnung. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt ein schwammartiges Material aus Graphen konstruiert, das nur rund fünf Prozent der Dichte von Stahl besitzt, aber zehnmal so stark ist. Es wurde mit einem hochauflösenden 3D-Drucker hergestellt.

Lücken in der Erforschung

Zwar gilt Graphen ja ohnehin unter anderem wegen seiner Härte als Wundermaterial, doch ist es bisher nur teilweise gelungen, diese Stabilität auf nutzbare dreidimensionale Graphen-Materialien zu übertragen.

Die Illustration zeigt die Ergebnisse der Simulationstests zur Zug- und Druckfestigkeit der 3D-Graphen-Struktur.

Foto: Zhao Qin

 

Einer der Gründe dafür: Bisher war nicht bekannt, welche Eigenschaften ein dreidimensionaler Graphen-Schaum braucht, um leicht und doch stabil zu sein. Das wollten Prof. Zhao Qin und seine MIT-Kollegen herausfinden und untersuchten dafür die Struktur von Schäumen und Gittern aus Graphen.

Graphen-Würfel mit Löchern

Dafür konstruierte das MIT-Team zunächst mithilfe sehr genauer Computermodelle einen Graphen-Würfel. Die Forscher schweißten 500 Blättchen des zweidimensionalen Graphen-Gitters mit 500 kugelförmigen Platzhaltern unter Hitze und hohem Druck zu dreidimensionalen, porösen Strukturen zusammen. Dabei lösten sich die Platzhalter auf, so dass an ihrer Stelle Hohlräume zurückblieben.

Dünnere Wände stabiler als dickere

Durch die Löcher ergibt sich ein Plus an Oberflächenstruktur, was dem Konstrukt Festigkeit verleiht, andererseits sorgen die Hohlräume für ein niedriges Gewicht. Tests ergaben, dass dieser Graphen-Schaum zehnmal stabiler und zugfester ist als Stahl, obwohl er nur fünf  Prozent von dessen Dichte besitzt.

Es zeigte sich bei den Tests aber auch, dass es die Würfel mit dünneren Wänden waren, die sich deutlich stabiler zeigten, als diejenigen mit dickeren Wänden. Letztere explodierten förmlich, als die Gewichte auf sie drückten. Die dünnere Variante hingegen behielt ihre Form und fiel kontrolliert zusammen.

Großes Potenzial

Die MIT-Forscher erklären das Versuchsergebnis damit, dass die dickeren Wände die durch den Druck ausgeübte Kraft als Spannungsenergie speichern und dann auf einmal freigeben, während die dünneren Wände kontinuierlich verformt werden. Ihre Erkenntnis: Graphen spielt zwar als Material für die Härte eine Rolle, aber entscheidender ist die geometrische Form.

„Man kann das Graphen durch irgendein anderes Material ersetzen. Die Geometrie ist der dominante Faktor. Sie hat das Potenzial, viele Dinge zu verändern“, sagt Markus Buehler, Chef der Abteilung Civil and Environmental Engineering am MIT.

So könnte die vom MIT entwickelte Struktur auch für Kunststoffe und Metalle genutzt werden, um ultraleichte, widerstandsfähige Materialien zu kreieren, etwa für den Bau von Brücken. Superleichte und ultrastabile Materialien wären auch optimal einsetzbar im Flugzeug- und Automobilbau gewünscht. Und nicht nur da.

Kleinste Glühlampe der Welt

Sie möchten mehr über Graphen erfahren? Hier stellen wir Ihnen eine industriefähige Lösung zur Produktion von Graphen vor, die von Forschern aus Aachen und Jülich entwickelt wurde.

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Kleinste Glühlampe der Welt: Sie besteht aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Foto: Young Duck Kim/Columbia Engineering

Und an dieser Stelle berichten wir über die kleinste Glühlampe der Welt, die aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden besteht. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Von Martina Kefer
Quelle: http://www.ingenieur.de/Themen/Forschung/Graphen-Schaum-so-stabiler-Stahl
vom 20.01.2017

Materialforschung – Diamantbüschel sprießen in den Mikrohimmel

Diamanten sind auch für Quantenphysiker hochinteressante Materialien. Forscher aus Moskau haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich winzige Diamantstäbchen mit ungewöhnlichen Eigenschaften herstellen lassen.

12.01.2017, von Manfred Lindinger

Der Diamant lässt nicht nur die Herzen vieler Schmuckliebhaber höher schlagen. Auch im Werkzeugbau und in der Materialforschung schätzt man diese besondere Form von Kohlenstoff seit langem wegen seiner extremen Härte, außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit sowie chemischen und thermischen Beständigkeit.

Aber auch für physikalische und technische Anwendungen werden Diamantkristalle immer interessanter. So kann man sie zur Fluoreszenz anregen, indem man etwa einzelne Stickstoffatome gezielt in das Kristallgefüge einbaut. Dadurch erhält man eine Quelle, die auf Knopfdruck einzelne Photonen abstrahlt. Solche Lichtquellen werden beispielsweise für die Quantenkryptographie benötigt, wo man mit Lichtteilchen geheime Nachrichten abhörsicher übertragen möchte.

Diamantstäbchen günstig hergestellt

Aber auch zum Bau von „kalten“ Kathoden eignen sich Diamantkristalle. Die Elektronen lassen sich effizient mit elektrischen Feldern aus der negativen Elektrode m Material herauslösen. Allerdings benötigt man für solche Anwendungen möglichst perfekte nadel- oder stäbchenförmige Diamantkristalle.

Materialforscher von der Lomonossow-Universität in Moskau haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich stäbchenförmige Kristalle auf recht einfache Weise und damit günstig herstellen lassen.

Victor Kleshch und seine Kollegen erzeugen zunächst dünne polykristalline Diamantfilme, indem sie Methan zusammen mit Wasserstoff aus der heißen Gasphase auf einer Siliziumunterlage abscheiden. Die Proben werden dann einige Stunden lang auf rund 700 Grad erhitzt und dabei Luftsauerstoff ausgesetzt. Das Ergebnis sind mehrere Nanometer dicke und einige Mikrometer lange Diamantstäbchen, die bündelweise aus der Oberfläche sprießen.

Quelle: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/materialsynthese-diamantbueschel-spriessen-in-den-mikrohimmel-14612186.html vom 13.01.2017

Werkstofftechnik Titan Recycling – Neue Wirtschaftspotentiale

Milliarden teure Verschwendung hat bald ein Ende

Aachener Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie kostbaren Titanschrott wieder nutzbar machen. Die Verschmutzung mit Sauerstoff bekämpfen sie mit Calcium. Der so entstehende schlichte Kalk wird abgetrennt.

Airbus A350

Airbus A350: 13 Baugruppen des Fliegers werden aus Titan gefertigt. Nur zehn Prozent des Rohstoffs werden wirklich verbaut. 90 Prozent bleiben bislang  als Titanspäne zurück und lassen sich kaum recyceln. Jetzt haben Aachener Forscher ein Verfahren entwickelt, mit dem sie kostbaren Titanschrott wieder nutzbar machen.

Foto: Bernd Settnik/dpa

Dem Flugzeugbauer Airbus liegen mehr als 700 Bestellungen für sein jüngstes Modell A350 vor. Rund zwei Dutzend sind bereits ausgeliefert. Bei der Herstellung der Schaufeln für die mächtigen Turbinen bleiben 100.000 Tonnen Schrott übrig, der sich allenfalls in Titandioxid umwandeln lässt, das für strahlendes Weiß in Farben sorgt. Einschmelzen, um es wieder zur Schaufelherstellung verwenden zu können, geht bisher nicht, weil das Material durch Kühlflüssigkeit verschmutzt und außerdem oxidiert ist. Der Abfall hätte, könnte man ihn wieder zur Herstellung von Schaufeln nutzen, einen Wert von drei Milliarden Euro.

Schrott schmilzt bei höllischen 1600 °C

Künftig ist der vermeintliche Schrott wieder einiges wert. Forscher am Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME) an der Technischen Hochschule Aachen haben ein Recyclingverfahren entwickelt, bei dem Titanblöcke entstehen, aus denen sich neue Turbinenschaufeln herausfräsen oder gießen lassen.

„Wir haben das entscheidende Problem gelöst, das ein Recycling bisher unmöglich macht“, sagt Professor Bernd Friedrich, der das Institut leitet. Dieses Problem heißt Sauerstoff. Titanschrott oxidiert sofort, wenn er mit Luft in Berührung kommt. Diesen angelagerten Sauerstoff gilt es zu entfernen. „Das haben wir geschafft“, sagt Friedrich.

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Die IME-Forscher Janik Brenk und Lilian Peters entnehmen eine Kokille, also eine wiederverwendbare Form zum Gießen, die mit einer Titanlegierung gefüllt ist.

Foto: Peter Winandy

Der gewaschene Schrott landet in einem Induktionsofen. Bei höllischen 1600 °C wird er flüssig. Der Sauerstoff entweicht teilweise, großenteils verbleibt er jedoch in der Schmelze. Gebunden wird er von Calcium, das in den Ofen geschüttet wird. Es entsteht Calciumoxid, besser bekannt als gebrannter Kalk. Der schwimmt auf der Schmelze, sodass sich Kalk und Titan trennen lassen.

Recycling ausgedienter Schaufeln

Das zweite Problem ist damit noch nicht gelöst. Der Schrott enthält Metallpartikel, die sich von den Bearbeitungswerkzeugen gelöst haben. Die verunreinigte Titanlegierung wird erneut aufgeschmolzen. Durch eine Dichtetrennung werden die ebenfalls flüssigen „Mitbringsel“, so Friedrich, abgetrennt. Übrig bleiben Titanblöcke, aus denen sich neue Schaufeln herstellen lassen.

Das Verfahren ist auch zum Recycling kompletter Schaufel geeignet, die nach maximal 20.000 Flugstunden ausgedient haben. Zunächst wird die Keramikschicht, die die Schaufeln zum Schutz vor der Oxidation umhüllen, entfernt. Dann landen sie ebenso wie Schrott im Induktionsofen. Derzeit bereiten die Forscher die Industrialisierung des Verfahrens vor.

Jedes fünfte Verkehrsflugzeug wird zum Parken in die Wüste geschickt

Wie mit ausgedienten Flugzeugen häufig umgegangen wird, können Sie hier detailliert nachlesen. Zeitweise oder dauerhaft nicht mehr benötigte Verkehrsflugzeuge auf Flughäfen abzustellen ist extrem teuer.

Von Wolfgang Kempkens
Quelle: http://www.ingenieur.de/Branchen/Stahl-Metallverarbeitung/Milliarden-teure-Verschwendung-bald-Ende vom 25.06.2016