Materialforschung: Härter als Stahl

Wie schwer sich die Insassen bei einem Autounfall verletzen, hängt vor allem von der Karosserie ab. Sie muss sich einerseits verformen, damit sie die Aufprallenergie abfangen kann, und muss andererseits fest bleiben, um den Fahrgast zu schützen. Und auch große Stahlbetonbrücken müssen stabil und doch elastisch genug sein, um nicht einzustürzen.

Um diese Eigenschaften zu vereinen, mussten bislang sowohl bei Autos als auch bei Brücken große Mengen Stahl verarbeitet werden. Bei Fahrzeugen treibt eine schwere Karosserie allerdings den Treibstoffverbrauch in die Höhe, und das belastet die Umwelt. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut (MPI) für Eisenforschung in Düsseldorf forschen daher an einem neuen Superstahl, der bis zu einem Drittel leichter ist und sich viel besser dehnt als gewöhnlicher Stahl – bei gleichbleibender Sicherheit.

Die neue Legierung entsteht im Sonderforschungsbereich zusammen mit der RWTH Aachen und wird aus den Elementen Eisen, Silizium, Aluminium, vor allem aber Mangan zusammengemischt. Der Nutzen der letzteren Zutat liegt im atomaren Aufbau, denn das Element Mangan verändert die Gitterstruktur der Legierung. Durch das verwandelte Gitter können im „Twip-Stahl“ (Twinning Induced Placidity) einzelne Atome umklappen und sich so zu Zwillingen zusammenschließen.

Wenn nun durch einen Aufprall Kraft auf die neuformulierte Legierung einwirkt, wird sie durch die Zwillingsatome immer weiter durch den Stahl geleitet. Nach und nach verschieben sich so mehrere Millionen Zwillingspaare gegeneinander – wie bei einer Laola-Welle im Fußballstadion. „Diese mikromechanische Welle macht den Stahl so dehnbar“, sagt MPI-Direktor Dierk Raabe. Allerdings begännen die Düsseldorfer Forscher erst langsam zu verstehen, wie dieser Prozess ablaufe und warum er überhaupt funktioniere.

Bereits geklärt ist, dass kleine Löcher im Gitter des Stahls diese mikroskopische Kettenreaktion verbessern, da die Zwillinge mehr Platz haben, um die Kraft zu übertragen und leichter umklappen können.

Bisher gingen Ingenieure immer davon aus, dass Stahl ein perfektes Gitter ohne Löcher besitzen muss, damit er besonders fest ist. Was auf den ersten Blick nach einem Materialfehler aussieht, verschafft also dem Stahl aus Düsseldorf seine biegsame Struktur.

Doch nicht immer gelingt es, mit den Zwillingsatomen die Dehnbarkeit zu erhöhen. Labortests zeigten, dass die Atompaare auf unbekannten Wegen mit dem Gitter wechselwirken können. Der Stahl war mal mehr, mal weniger dehnbar. Sogar im normalen Essbesteck in Küche oder Kantine sitzen Zwillingsatome. Trotzdem verhält sich dieses Besteck nicht wie der Stahl der Düsseldorfer Forscher. Nur an den Zwillingspaaren kann es also nicht liegen.

„Um dem Geheimnis der neuen Stahllegierung auf die Spur zu kommen, gehen wir ungewöhnliche Wege“, sagt Raabe: „In unserer Forschungsgruppe arbeiten Quantenmechaniker und Ingenieure zusammen. Grundlagenforschung am Computer trifft auf Anwendung.“

Zwar ist die Idee, kleine Mengen von Mangan der Stahllegierung beizumischen, schon rund 60 Jahre alt. Wie genau das Element die Eigenschaften beeinflusst, wurde jedoch nie erforscht. In Düsseldorf wollen die Forscher die neue Legierung möglichst schnell für die Industrie anwendbar machen. Die Quantenmechanik soll nun dabei helfen, das Verhalten der einzelnen Atome zu erklären. Erst danach sollen verschiedene Stahlproben produziert werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt bis 2011 mit 6,5 Millionen Euro.

Raabe schätzt, dass in etwa fünf Jahren die ersten kleinen Bauteile nach dem Prinzip der Manganlegierung hergestellt werden könnten. In rund zehn Jahren wäre es dann möglich, dass Fahrzeugkarosserien bis zu 40 Prozent leichter sind, ohne an Sicherheit bei einem Autounfall einzubüßen. Bei einem durchschnittlichen Fahrzeuggewicht von 1,5 Tonnen beträgt die Masse der Rohkarosserie 300 Kilogramm. Die neue Stahlbauweise könnte so etwa zehn Prozent Treibstoff einsparen. Hinzu kommt, dass die neue Legierung billiger zu produzieren ist, da Mangan reichlich auf der Erde vorkommt und kostengünstiger ist als etwa Nickel im konventionellen Stahl.

Aber nicht nur der Fahrzeugbau würde von neuen Stahllegierungen profitieren. Auch Maschinenteile könnten verbessert werden, und leichtere, größere Brücken könnten aus dem Superstahl konstruiert werden. Zudem ließen sich Häuser in Japan besonders dehnbar und erdbebensicherer konstruieren, ohne den nötigen Halt zu verlieren. „Der neue Stahl wäre vielseitig einsetzbar und kann dabei helfen, die Umwelt zu schonen“, sagt Dierk Raabe.

Stephan Struve