Von Jeremy Cook
Neue und verbesserte Materialien revolutionieren die Luft- und Raumfahrttechnik. In diesem Artikel befassen wir uns mit einigen der neuen Verbundmaterialien, mit deren Hilfe wir den Mars und noch entferntere Ziele erreichen können.
Verbundstoffe für die Luftfahrt: Carbonfaser, Nanoröhrchen und Graphen
Carbonfasern wurden erstmals bereits in den 1800er Jahren aus Materialien wie Bambus und Baumwolle gefertigt und als Glühwendeln in Glühlampen eingesetzt. Erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts erkundeten Forscher die Möglichkeiten, dieses Material als strukturelles Element einzusetzen.
Heute bestehen die meisten Carbonfasern aus Polyacrylnitril. Diese winzigen Fasern werden mit einem Kunststoffkleber gebunden. Dabei entsteht ein extrem festes und leichtes Material. Durch den Einsatz von Carbonfasermaterialien lassen sich Gewichtseinsparungen erzielen, die den Kraftstoffverbrauch bei Weltraumraketen, Flugzeugen auf der Reise und sogar Ihrer nächsten Motorradausfahrt reduzieren.
Andere Verbundmaterialien für die Luftfahrt wie Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphen und Buckminsterfulleren werden aller Wahrscheinlichkeit nach die nächste Evolutionsstufe der Kohlenstoffmaterialien darstellen. Diese Materialien bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die an jeweils drei benachbarte Atome gebunden sind.
- Kohlenstoffnanoröhrchen: Kohlenstoffatome, die von molekularen Röhrchen umgeben werden, ähneln extrem kleinen Drähten (oder sogar Haarbällen) und bilden in Kombination ein extrem festes Material.
- Graphen: Aneinander gebundene Kohlenstoffatome, die einlagige Schichten bilden (nicht zu Röhrchen aufgerollt werden). Graphen ist das stärkste je getestete Material mit zahlreichen interessanten Eigenschaften, das möglicherweise auch für das Speichern von Energie geeignet ist.
- Buckminsterfulleren: Kohlenstoffatome, die in Form eines Balls angeordnet sind (60 Kohlenstoffatome, deshalb C60). Obwohl sie bisher weniger für den Luft- und Raumfahrteinsatz in Betracht gezogen wurden als die anderen hier aufgeführten Moleküle auf Kohlenstoffbasis, werden Forscher in der Zukunft möglicherweise interessante Einsatzzwecke finden.
Aerogel für Luftfahrt- und Verteidigungszwecke
Samuel Stephens Kistler schuf 1931 ein Aerogel, indem er einem Gel die Flüssigkeit entzog. Die resultierende feste Substanz besteht im Wesentlichen aus Luft. Modernes Aerogel wird häufig aus Silizium hergestellt, indem die flüssigen Moleküle entzogen werden. Dadurch entsteht eine extrem poröse Substanz, die auf das Volumen bezogen zu mehr als 99 % aus Luft bestehen kann.
Diese „feste“ Luft macht Aerogel zu einem fantastischen Isolator. Die Wärmeleitfähigkeit, also die Übertragung von Wärmeenergie, kann dank der hohen Porosität des Aerogels und der Knudsen-Diffusion, die molekulare Bewegungen beschränkt, noch unter der des enthaltenen Gases liegen. Diese Porosität macht Aerogels zugleich hydrophil, sodass es eine große Menge Feuchtigkeit absorbieren kann. Mithilfe von Additiven kann es jedoch wasserbeständig konstruiert werden.
All diese Eigenschaften machen Aerogels zu einem fantastischen Material mit vielfältigen potenziellen Einsatzbereichen, auch bei der NASA. In seiner Rohform ist es sehr spröde und eher exotisch. Es wurde aber bereits erfolgreich für reale Anwendungen genutzt, in denen es auf extreme Isolation auf kleinstem Raum ankam.
Additive Fertigung von Metallbauteilen, fortschrittliche Wärmebehandlung, Verbundstoffe für die Luft- und Raumfahrt und vieles mehr
In der Geschichte haben insbesondere Fortschritte in der Metallbearbeitung die Gesellschaft vorangebracht. Obwohl hier nicht im eigentlichen Sinne ein neues Material vorliegt, können wir dank der additiven Fertigung mit Metall Formen schaffen, die vorher unmöglich waren. Gerade für die Fertigung von Raketen kommt die additive Fertigung von Metallbauteilen in großem Umfang zum Einsatz.
Neben der additiven Fertigung von Metallbauteilen spielt auch die Wärmebehandlung von Metallen zur Verbesserung ihrer Eigenschaften in der Luft- und Raumfahrt weiterhin eine tragende Rolle. Wir werden schon bald eine Vielzahl von Teilen für die Luft- und Raumfahrt aus Metall, Silizium und Kohlenstoff erleben, die uns auf neue Höhen tragen werden.
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