Hochtemperaturwerkstoffe : Ein Stoff, den Hitze kalt lässt

Mit Materialien aus Spezial-Keramik könnten Motoren und Turbinen bei höheren Temperaturen laufen – und so Energie sparen.

Roland Wengenmayr

Viel Energie ließe sich sparen, wenn Turbinen und Verbrennungsmotoren bei höheren Temperaturen als bislang arbeiteten. Keramische Hochtemperaturwerkstoffe machen das möglich. Martin Jansen, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, forscht seit 20 Jahren an einem solchen neuen Werkstoff. Inzwischen ist dieser reif für den Markt.

Wer mit Martin Jansen über Hochtemperaturwerkstoffe spricht, sortiert unsere Welt schnell auf einer imaginären Temperaturskala ein. Dort leben wir ganz unten – auf einer kleinen, kühlen Insel, die feste Materie erlaubt. Oberhalb von rund 4000 Grad Celsius schmelzen oder zersetzen sich alle bekannten Feststoffe. Jansen zeigt ein Diagramm, das sich als eine Art Schatzkarte für die Suche nach Hochtemperaturwerkstoffen lesen lässt. Ganz oben auf der heißen Hitliste steht mit knapp 4000 Grad Celsius Zersetzungstemperatur eine Verbindung aus Tantal, Zirkonium und Kohlenstoff. Auf Platz zwei bei rund 3800 Grad folgt Kohlenstoff – allerdings nicht an Luft, weil er da mit Sauerstoff längst verbrannt wäre. „Die Reihenfolge dieser Stoffe ist seit fünfzig Jahren unverändert“, erklärt der Chemiker.

Jansens Forschungsgebiet liegt allerdings zwischen 1000 und 2000 Grad Celsius. Sein Stuttgarter Team und seine Kooperationspartner entwickeln neue Hochtemperaturwerkstoffe, die in Motoren und Turbinen einsetzbar sind. Dafür eignen sich die Gewinner auf der thermischen Hitliste leider nicht, denn sie müssen nicht nur hohen Temperaturen in Gegenwart von Sauerstoff widerstehen, sondern auch starke mechanische Belastungen verkraften. Am besten haben bisher metallische Werkstoffe diese Anforderungen erfüllt. Doch selbst die thermisch stabilsten Legierungen „zundern“ in Luft und erweichen oberhalb von 1000 Grad Celsius. Zwar arbeiten moderne Flugzeugturbinen oder Kraftwerks-Gasturbinen mit Verbrennungstemperaturen bis zu 1400 Grad Celsius. Dabei muss aber ein kühlender Luftstrom die Metallteile vor dem heißen Gas schützen. Das kostet Energie und senkt die Effizienz der Turbinen.

Die Effizienz will Jansen bei Wärmekraftmaschinen steigern. Zu ihnen gehören neben Turbinen alle Verbrennungsmotoren. Nach den Gesetzen der Physik steigt ihr Wirkungsgrad mit der Betriebstemperatur. Ein hoher Wirkungsgrad spart wertvollen fossilen Treibstoff und reduziert den Ausstoß von klimaschädlichem Kohlendioxid. Ungekühlte Brennkammern verringern den Ausstoß von schädlichen Stickoxiden.

Wärmekraftmaschinen treiben unsere Kultur buchstäblich an. Angesichts ihrer Relevanz wird klar, wieso Martin Jansen hartnäckig seit über zwanzig Jahren an neuen Hochtemperaturwerkstoffen arbeitet. Die Antwort auf die Frage, was die bisher dominierenden Metalle adäquat ersetzen könnte, war dem anorganischen Chemiker schon in den 80er Jahren klar: Nur Keramiken konnten eine Lösung bieten.

Die Frage, was denn mit der Kaffeetasse auf Jansens Bürotisch bei über 1000 Grad passieren würde, lässt ihn schmunzeln. „Porzellan ist schon ein ziemlich hochtemperaturfestes Material“, erklärt er, „aber die Tasse würde schon bei relativ niedrigen Temperaturen unter mechanischer Beanspruchung ,fließen‘.“ Dieses honigzähe Kriechen bei hohen Temperaturen ist der Schwachpunkt oxidischer Keramiken. Schon deshalb schieden Porzellan und Co. aus. Schlimmer noch ist eine andere Eigenschaft: Fiele die Tasse auf den Boden, würde sie zersplittern – ein Metallgefäß nicht.

Also musste Martin Jansen sich ein neues Konzept ausdenken. Er schrieb es bereits 1989 auf, als er noch Professor an der Universität Bonn war. Ein Schlüssel zum neuen Werkstoff war die radikale Abschaffung der winzigen Kristalle, aus denen herkömmliche Keramiken bestehen. Stattdessen wollte der Chemiker eine amorphe Keramik entwickeln. Bei amorphen Materialien, etwa Gläsern, bilden die Atome ein ziemlich ungeordnetes räumliches Netzwerk. Wo kein Kristall existiert, in dem sich die Atome sauber in Stockwerken stapeln, gibt es auch keine Sollbruchstelle entlang solcher Ebenen, dachte sich Jansen. Er durfte hoffen, dass eine solche Keramik nicht plötzlich in einem „Sprödbruch“ versagen würde, sondern schlagzäh wäre.

Allerdings sortieren Atome sich beim Abkühlen gerne zu ordentlichen Kristallen, weil sie in dieser höchsten Ordnungsstufe die meiste Energie einsparen. Nur wenn etwas ihre Choreografie massiv stört, bleiben sie in einem amorphen Netzwerk stecken. Jansen wählte eine Verbindung aus den Elementen Silicium, Bor und Stickstoff. Eine Mischung im Verhältnis 3:3:7 stört den kristallinen Sortiervorgang wie gewünscht.

Jedes Atom im neuen Si3B3N7 ist über drei – beim Silicium sogar vier – kovalente Bindungen an seine Nachbarn gekettet. Das bewirkt, dass die Energie, die das Netzwerk zusammenhält, vor allem in den chemischen Bindungen zwischen direkten Nachbaratomen steckt. Das macht jedes Atom zu einem starken Kettenglied, zudem kann es wegen der vielen Bindungen kaum aus seiner Lage heraus. Dazu müsste es mindestens zwei seiner Bindungen zu Nachbarn gleichzeitig brechen, was sehr unwahrscheinlich ist.

Das macht das neue Material widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen, obwohl es amorph ist. Der Grund ist wieder die Energie. Stellt man sie sich als Berglandschaft vor, dann entsprechen Kristalle Felsen, die in die tiefsten Energietäler gerollt sind. Ein Felsen, der einer amorphen Struktur entspricht, bleibt hingegen beim Sturz unterwegs in einer Energiekuhle am Hang stecken. Rütteln nun steigende Temperaturen wie Erdbeben an der Energielandschaft, springen diese Felsen gerne aus der prekären metastabilen Lage wieder heraus: Sie rollen weiter ins Energietal, die amorphe Struktur ordnet sich zum Kristall um. Der Werkstoff ändert radikal seine Eigenschaften, was eine Maschine zerstören würde. Beim Stuttgarter Konzept ist die lokale Energiekuhle jedoch so tief, dass der Felsen darin bleibt, also der keramische Werkstoff sein amorphes Netzwerk beibehält. „Man kann mit Recht sagen, dass das eine neue Werkstoffklasse ist“, stellt Martin Jansen mit Genugtuung fest. Roland Wengenmayr

Der Text ist eine gekürzte Version des Artikels „Ein Stoff, den Hitze kaltlässt“ aus „Max Planck Forschung“, Heft 02/2010. Die Langfassung gibt es als pdf im Internet: www.mpg.de (Rubrik Printprodukte).

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