"Jedes Gramm Gewicht weniger spart Treibstoff"

18. Mai 2010, 18:47
posten

Hochtemperaturwerkstoffe helfen Ressourcen zu sparen, sagt der Werkstoffwissenschafter Helmut Clemens von der Montan-Uni Leoben

Denis Dilba sprach mit ihm über Vor- und Nachteile von Hochleistungsmetallen.

STANDARD: Inwieweit kann man als Wissenschafter auch Umweltschützer sein?

Clemens: Ich denke, jeder Wissenschafter und Techniker hat als Ziel, mit seinen Entwicklungen die natürlichen Ressourcen und die Umwelt zu schonen. Insbesondere Hochtemperaturwerkstoffe werden überall dort eingesetzt, wo es um Umwelttechnik und Energiegewinnung geht. Sie sorgen beispielsweise dafür, dass die Müllverbrennung effizienter abläuft oder Dampfturbinen und Flugzeugtriebwerke besser arbeiten und so weniger Treibstoff benötigen. Generell gilt, dass verbesserte Materialien den Wirkungsgrad oder die Effizienz von Maschinen und Anlagen erhöhen und somit Ressourcen schonen. Insofern könnte ich mich schon als Umweltschützer bezeichnen.

STANDARD: Was genau kann man sich unter so einem Hochtemperaturwerkstoff vorstellen?

Clemens: Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders bei hohen Temperaturen mikrostrukturell und mechanisch noch äußerst stabil sind – anders etwa als normaler Stahl. Der hält zwar auch hohe Temperaturen aus, wird aber bei steigender Hitze weicher. Für Turbinenschaufeln, die bei Temperaturen von mehr als 1000 Grad durch die Fliehkräfte enorm belastet werden, noch dazu über lange Zeiträume, reicht das nicht aus.

STANDARD: Das hört sich sehr anspruchsvoll an. Wenn man solche Hochleistungsmetalle kaufen wollte – mit welchen Preisen müsste man rechnen?

Clemens: Das hängt natürlich immer vom jeweiligen Werkstoff ab. Pauschal kann man aber schon sagen, dass sie teurer sind als die gängigen Materialien. Was ihren Preis maßgeblich nach oben treibt, ist vor allem die Schwierigkeit in der Herstellung und Weiterverarbeitung. Denn dort wird ihr Vorteil zum Nachteil: Sie halten hohe Temperaturen aus – und lassen sich daher nur bei noch höheren Temperaturen verformen und bearbeiten.

STANDARD: Rechnet sich der Einsatz bei den höheren Preisen und dem Aufwand denn dann überhaupt noch?

Clemens: Wenn man es richtig macht, bekommt man mit den Hochtemperaturwerkstoffen mehr aus den Maschinen heraus als ohne sie. Je höher die Steigerung des Wirkungsgrades oder der Effizienz eines Prozesses ist, desto sinnvoller ist ihr Einsatz. Dazu kommt der Skalierungseffekt: Je mehr von einem Werkstoff hergestellt wird, desto günstiger wird er auch. Der Preis für kristalline Nickelbasislegierungen war in den 1970er-Jahren beispielsweise noch astronomisch hoch, da es nur einige wenige Anwendungen gab. Heute werden sie standardmäßig für Turbinenschaufeln in Flugzeugturbinen eingesetzt. Das hat den Preis auf ein erträgliches Maß gedrückt.

STANDARD: Haben Sie so etwas wie einen Liebling unter den Hochtemperaturwerkstoffen?

Clemens: Ich finde natürlich jeden einzelnen faszinierend. Aber die Arbeit an den sogenannten Titanaluminiden zieht sich wie ein roter Faden durch mein Forscherleben. Damit habe ich vor rund zwanzig Jahren angefangen – und beschäftige mich auch heute noch damit.

STANDARD: Was ist die Besonderheit an Titanaluminiden unter den sowieso schon leistungsfähigen Hochtemperaturwerkstoffen?

Clemens: Das Entscheidende und Innovative an den Titanaluminiden ist, dass sie bis ungefähr 750 Grad die gleichen Eigenschaften wie bisher eingesetzte Werkstoffe haben, aber nur die Hälfte wiegen. Das ist insbesondere in Flugzeugtriebwerken, wo jedes Gramm Gewichtseinsparung Treibstoff spart, von Bedeutung. Dazu kommt, dass Turbinenschaufeln oder Turboladerrotoren aus diesem Material schneller und mit weniger Krafteinsatz beschleunigt werden können, da weniger Masse zu bewegen ist.

STANDARD: Haben die Titanaluminide auch Nachteile?

Clemens: Letztendlich muss man bei jedem Werkstoff einen Kompromiss eingehen. Auch bei Titanaluminiden, obwohl ihre Vorzüge die Nachteile mehr als ausgleichen. Ihr Verhalten erinnert bei tiefen Temperaturen eher an Keramik als an Metall, was die Bearbeitung erschwert.

STANDARD: Zeigt die Industrie dennoch Interesse an dem Werkstoff?

Clemens: Weltweit herrscht bereits ein reges Interes-se, besonders seit ein amerikanischer Triebwerkshersteller den baldigen Einsatz angekündigt hat. Auch China hat bereits einige Entwicklungsprogramme laufen. Wir arbeiten an der Optimierung der Werkstoffklasse. Die nächste Generation der Titanaluminide könnte bei noch höheren Temperaturen als 750 Grad eingesetzt werden. Dazu braucht es aber Oxidationsschutzschichten, an denen wir noch arbeiten.

STANDARD: All das klingt für die Industrie verheißungsvoll, ist auch der wissenschaftliche Nachwuchs überzeugt und an diesen Entwicklungen interessiert?

Clemens: Wie jede technische Universität müssen wir Werbung machen – aber wir sind damit erfolgreich. Leoben ist eine Universität, wo man sich heute als Absolvent keine großen Jobsorgen machen muss. Wir bekommen jedes Jahr gute Studenten, was wohl auch daran liegt, dass hier ein Campuscharakter entstanden ist. (DER STANDARD, Printausgabe, 19.05.2010)


Zur Person

Helmut Clemens (53) ist Leiter des Departments Metallkunde und Werkstoffprüfung an der Montan-Uni Leoben. Der Klagenfurter studierte Werkstoffwissenschaften an der Montan-Uni, danach leitete er unter anderem eine Arbeitsgruppe zu Hochtemperaturwerkstoffen bei der Plansee AG und das Institut für Werkstoffforschung am Forschungszentrum in Geesthacht. Ende April wurde ein von ihm geleitetes Forscherteam für die Arbeit an Titanaluminiden mit dem Houska-Preis ausgezeichnet.

 

  • Bild nicht mehr verfügbar

    Titanaluminid soll in Zukunft das Flugzeug leichter und leistungsfähiger machen. An der Montan-Uni wird daran geforscht.

  • Helmut Clemens: "Für Turbinen, die bei mehr als 1000 Grad enorm belastet werden, reicht nor-maler Stahl nicht aus."

    Helmut Clemens: "Für Turbinen, die bei mehr als 1000 Grad enorm belastet werden, reicht nor-maler Stahl nicht aus."

Share if you care.