Extrem hitzebeständige neuartige Werkstoffverbunde

Gemeinsames Graduiertenkolleg der TU und des KIT startet

11.11.2019

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat ein von der TU Darmstadt und dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) gemeinsam beantragtes neues Graduiertenkolleg (GRK) bewilligt. Die Forscherinnen und Forscher wollen dazu beitragen, den globalen Energieverbrauch deutlich zu drosseln. Das Graduiertenkolleg, das Mitte 2020 mit einer Laufzeit von viereinhalb Jahren startet, trägt den Titel „Werkstoffverbunde aus Verbundwerkstoffen für Anwendungen unter extremen Bedingungen“.

Das neue Graduiertenkolleg wird an der TU Darmstadt von Professor Ralf Riedel koordiniert.

Im Fokus des neuen Forschungsverbundes stehen neuartige Verbundwerkstoffe aus intermetallischen Legierungen, die thermomechanisch stabile Phasen ausbilden und ultrahohe Betriebstemperaturen (über 1300°C ) in Verbrennungsmaschinen und -prozessen erlauben. Diese Nanokomposite halten extremen Umgebungsbedingungen (etwa Oxidation, Korrosion, Erosion) dank ihrer „Selbstheilungskräfte“ stand. Ein Clou dabei: Die Legierungen werden oberflächlich zusätzlich mit polymerabgeleiteten, komplexen und wärmeisolierenden Keramiksystemen geschützt.

Drei Institutionen werden an diesen hoch komplizierten Materialsystemen forschen: Während die intermetallischen Substratwerkstoffe am Karlsruher Institut für Technologie entwickelt werden, liegt der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten an der TU Darmstadt auf der Seite der Beschichtungsmaterialien. Schließlich werden beide Materialsysteme, Metall und Keramik, miteinander verknüpft, indem geeignete Beschichtungsverfahren entwickelt werden. In Kooperation mit dem dritten Partner im Graduiertenkolleg, der DECHEMA in Frankfurt am Main, wird die Hochtemperaturkorrosion der Werkstoffverbunde unter realistischen Bedingungen, wie sie in Verbrennungsmotoren herrschen, untersucht.

Die im Graduiertenkolleg erarbeiteten Grundlagen werden zur Entwicklung einer völlig neuen Generation von „Superwerkstoffen“ beitragen, die zukünftig den Kraftstoffverbrauch und die Abgase von Verbrennungsmaschinen erheblich reduzieren lassen.

Das Graduiertenkolleg wird am KIT von Professor Martin Heilmaier koordiniert, an der TU Darmstadt von Professor Ralf Riedel.

Hintergrund: Technologische Rahmenbedingungen

Trotz der rasanten technologischen Entwicklung erneuerbarer Energieressourcen werden konventionelle Energieträger wie Öl oder Gas auch in Zukunft eine entscheidende Rolle einnehmen, um den weltweit steigenden Energiebedarf zu decken. Deshalb bleibt die Weiterentwicklung effizienter Verbrennungskraftmaschinen insbesondere für die Energiewandlung zur Produktion von Elektrizität aus fossilen Brennstoffen nach wie vor eine technologische Herausforderung.

Grafik: Weltenergieverbrauch in BTU (British Thermal Units) für verschiedene Energieträger in den Jahren 1990 bis 2040.
Bild: TU Darmstadt
Weltenergieverbrauch in BTU (British Thermal Units) für verschiedene Energieträger nach einer Studie der U.S. Energy Information Administration des U.S. Department of Energy aus dem Jahre 2015.

Zudem werden in Zukunft auch CO2-neutral über Photo(elektro)katalyse-Verfahren synthetisierte Kraftstoffe auf Basis von Kohlenwasserstoffen, den sogenannten solaren Brennstoffen, als Energieträger zur Verfügung stehen. Diese benötigen ebenso wie die fossilen Brennstoffe Verbrennungsmaschinen zu deren Energiewandlung.

Effiziente Verbrennungsmotoren wie die Gasturbine bilden daher die Basis, um den stetig steigenden Mobilitäts- und Energiebedarf unserer Gesellschaften in Industrie- und Entwicklungsländern sicherzustellen. Die zukünftige technologische Entwicklung kraftstoffsparender und abgasarmer Verbrennungskraftmaschinen beruht in diesem Zusammenhang auf der Verfügbarkeit neuartiger Materialien und Bauteile, die bei ultrahohen Temperaturen und unter extremen Bedingungen im Dauerbetrieb eingesetzt werden können. Denn der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors steigt mit zunehmender Temperatur.

Die Verbrennungstemperaturen von Gasturbinen sind gegenwärtig bei ca. 1200 °C limitiert und ausgereizt, da diese auf der Basis hochentwickelter Nickelbasis-Legierungen, sogenannter Superlegierungen, betrieben werden. Nur ganz neuartig entwickelte hochtemperaturfeste Materialsysteme können zukünftig den Betrieb bei noch höheren Temperaturen, hier denkt man an Temperaturen bis zu 1400 oder 1600 °C, ermöglichen. Das technologische Limit stellt hier also ein Materialproblem dar. Die Entwicklung der nächsten Generation von Turbinenwerkstoffen für stationäre (z. B. Gasturbinen zur Stromerzeugung) und nicht-stationäre (Strahltriebwerke für die Mobilität) Anwendungen ist daher eng an die Materialentwicklung geknüpft.

feu