Forschung & Entwicklung

Leicht, stabil und trotzdem günstig!

Nachhaltiges Hightech-Material muss nicht immer teuer sein! Ein ETH-Doktorand entwickelt ein innovatives Verfahren für die Produktion von nahhaltigen Hightech-Kunststoffen.

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Pioneer Fellow Christoph Schneeberger mit seinem neuartigen Leichtbau-​Material, das auch für mehr Nachhaltigkeit sorgen könnte.

Leichtgewichte sind bekanntlich ökologischer. Zumindest gilt das für Autos oder Flugzeuge, denn je schwerer sie sind, desto mehr Energie verbrauchen sie. Beim Bau setzen Hersteller darum vermehrt auf leichte und dennoch stabile Materialien.

Ideal erfüllt werden diese Anforderungen von faserverstärkten Kunststoffen. Millionen von hauchdünnen Fasern sorgen für Belastbarkeit, der Kunststoff dazwischen für ein geringes Gewicht. Der einzige Nachteil: Das Material ist sehr teuer.

Doch das muss nicht so bleiben. Der ETH-Doktorand Christoph Schneeberger will den Markt für faserverstärkte Kunststoffe aufmischen. Er hat im Zuge seines Doktorats am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich einen Prozess entwickelt, der das umweltfreundliche Leichtbau-​Material für Hersteller noch attraktiver machen könnte. Nämlich indem es günstiger wird. „Mein Ziel ist, dass in 20 oder 30 Jahren auch ein vergleichsweise preiswertes Auto aus nachhaltigen Materialien gebaut ist“, so Schneeberger.

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Hybridfasern leichtgemacht

Die Produktion von faserverstärkten Kunststoffen ist heutzutage aufwändig und kostspielig. Das liegt daran, dass der Kunststoff unter hohem Zeit-​ und Energieaufwand in ein zuvor gewobenes Fasertextil gepresst wird. Schneeberger und sein Team wollen dieses Imprägnier-​Verfahren überflüssig machen. Und zwar, indem sie die beiden Werkstoffe bereits viel früher im Prozess miteinander kombinieren: bei der Herstellung der Faser. „Mit unserem Ansatz bringen wir den Kunststoff auf die Faser, noch während diese gespinnt wird“, erklärt Schneeberger das Konzept seiner Hybridfasern.

Dass seine Methode funktioniert, konnte er anhand eines Prototyps mit einer einzigen Glasfaser zeigen. Erste Tests weisen darauf hin, dass sich das neuartige Material effizient verarbeiten lässt, vergleichbar mit Organoblechen, die zu den aktuell innovativen Alternativen der Industrie gehören. Diese Eigenschaft könnte man aber viel günstiger erreichen. „Produzieren wir dereinst in großen Mengen, werden wir nah an die Kosten für die Rohmaterialien kommen“, meint Schneeberger.

Mikroaufnahme, Hybridfaser., ETH-Zürich © Christoph Schneeberger

Mikroaufnahme einer Hybridfaser: Die thermoplastische Polymer-​Beschichtung ist teilweise abgelöst und legt den darunterliegenden Glaskern frei.

Ambitionen von Antefil Composite Tech

Nun entwickelt er die Technologie im Rahmen eines ETH Pioneer Fellowships weiter. Ziel ist unter anderem die Skalierung der Produktion. Bis Ende des Jahres soll ein halbes Kilo Hybridfasern pro Stunde gesponnen werden. Von einer Massenproduktion, wie sie etwa für die Luftfahrt-​ oder Autoindustrie nötig wäre, ist man zwar noch weit entfernt, doch die Ambition ist deutlich: Der 32-jährige Christoph Schneeberger will das neuartige Leichtbau-Material auf den Markt bringen. Den Fahrplan dazu hat er bereits im Kopf: Nächstes Jahr möchte er mit seinem Team ein Start-Up gründen. Zunächst will er sich auf Anwendungen fokussieren, die mit kleineren Mengen des Verbundwerkstoffs auskommen, wie etwa Sportgeräte oder Spezialanfertigungen für Autos oder Flugzeuge. Später wolle man sich als Produzent auch in größeren Märkten durchsetzen. Einen Namen und eine Webseite hat das Projekt bereits: Antefil Composite Tech.

Recycelbare Rotorblätter

Schneebergers Verfahren könnte aber auch noch für einen anderen Zweck von Nutzen sein. Nämlich um große Bauteile, die zurzeit nicht wiederverwertbar sind, nachhaltiger zu machen. Beispiele sind Silos, Gastanks oder Blätter von Windturbinen. Diese werden traditionellerweise aus Glasfasern in Verbund mit sogenannten Duroplasten hergestellt. Es handelt sich dabei um Kunststoffe, die nicht schmelzen und daher nicht recycelbar sind. Als Folge werden etwa Windturbinenblätter nach Ablauf ihrer Lebensdauer gelagert oder umweltschädlich in Deponien entsorgt.

Mit Schneebergers Verfahren könnte man die Blätter stattdessen aus Thermoplasten fertigen – also aus Kunststoffen, die schmelz-​ und verformbar sind. Mit diesen Eigenschaften ließen sich Windturbinenblätter wiederverwerten, analog zu PET-​Flaschen. Bislang scheitert die Herstellung von recycelbaren Blättern vor allem am Imprägnier-​Prozess. Denn es gibt schlicht keine Methode, die für derart große Bauteile genügend Druck aufbaut, um die Thermoplasten in die Fasern zu pressen. Schneebergers Ansatz kommt ohne diesen Prozess aus und macht damit den Weg frei für nachhaltig produzierte Faserverbundstrukturen in beliebiger Größe.