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Serie Düsseldorfer Erfinder
Maßgeschneiderte Ideen für die Zukunft

Düsseldorf. Nirgendwo sonst wird Stahl so intensiv erforscht wie am Düsseldorfer Max-Planck-Institut: für Autobleche, Flugzeugturbinen und Hüftgelenke von morgen. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wird der Stahl bis aufs Atom entschlüsselt. Von Ute Rasch

Stahl ist der Stoff des Alltags. Aus Stahl entstehen Autos, Cola-Dosen, Waschmaschinentrommeln. Ohne ihn gäbe es keinen Eiffelturm in Paris und keine Golden Gate Bridge in San Francisco. Stahl ist auch nach 3000 Jahren eine große Herausforderung für die Forschung, denn je nach Verwendung werden von ihm unterschiedliche Eigenschaften erwartet, manchmal sogar in ein und demselben Produkt: So sollen Autobleche leicht sein, um Kraftstoff zu sparen, dehnbar für die Verarbeitung, fest und stabil für mehr Sicherheit, aber auch nicht zu starr, sonst würde die Kühlerhaube bei einem Unfall zersplittern - ein Alleskönner. Nirgendwo sonst wird Stahl so intensiv erforscht wie im Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung. 260 Wissenschaftler aus 40 Nationen entwickeln hier clevere Lösungen für die Zukunft - für winzige Solarzellen ebenso wie für komplette Industrieanlagen.

Oder für künstliche Hüftgelenke, die denen der heutigen Generation weit überlegen sind. Denn die zurzeit gebräuchlichen Titan-Implantate sind extrem steif, sie führen mit den Jahren zum Abbau des Knochens. Im Max-Planck-Institut wurde eine neue Titan-Legierung entwickelt, aus der weichere Kunstgelenke mit deutlich längerer Lebenszeit entstehen können. Kein Wunder, dass sich verschiedene Unternehmen der Medizin-Technik-Branche für die Neuigkeiten aus Düsseldorf interessieren.

Aber Stahl ist nicht gleich Stahl. "Es gibt rund 3000 verschiedene Legierungen", weiß Dierk Raabe, Materialforscher und zurzeit Geschäftsführer des Instituts in Düsseltal. Und für jede technische Herausforderung, die hier oft am Anfang eines Forschungs-Projektes steht, wird eine maßgeschneiderte Lösung gesucht. Zum Beispiel für neuartige Elektromotoren der Autoindustrie, "die müssen viel aushalten", sagt Raabe. Sie sollen in kurzer Zeit auf hohen Touren laufen und lange halten, sie müssen enorme Hitze überstehen und starke Vibration, Temperaturstürze und den ständigen Wechsel von Fahren und Bremsen.

Hohe Ansprüche werden auch an Flugzeugturbinen der Zukunft gestellt, vor allem an ihre äußere Haut, die vor extremem Wetter schützen soll. Auch Hagelkörner können das Gehäuse einer Turbine beschädigen und herumfliegende Bruchstücke die Flugzeugwand zerstören - eine große Gefahr. Am Institut wurde eine Lösung gefunden, die als Durchbruch in der Forschung gilt: eine Gummi-Titan-Mischung. Sie ist extrem verformbar und beweglich, gleichzeitig stabil und superleicht. Außerdem kann eine solche Hülle verhindern, dass die Außenwand beschädigt wird - sie nimmt herumfliegenden Teilen die Energie, indem sie sich verformt.

Um solche komplexen Anforderungen zu erfüllen, muss der Stahl bis aufs Atom entschlüsselt werden. Dazu wird das Material unter dem Spezialmikroskop auf ein Tausendstel Millimeter vergrößert - und sieht dann aus wie ein vielfarbiges Kirchenfenster. Am Computer gelingt sogar eine Auflösung bis zu einem Millionstel Millimeter, eine Größenordnung, die für Laien kaum vorstellbar ist: Ein Haar würde wie ein Baumstamm wirken. So unterschiedlich die Materialien, so verschieden sind auch die Methoden, mit denen die Wissenschaftler arbeiten: In einem Vakuum-Labor werden Materialproben praktisch ohne Luftdruck untersucht. "An der Luft würde sich das Material sofort verändern", sagt Raabe.

Veränderung bei Stahl bedeutet häufig: Rost. Dieser Vielfraß ist teuer, er kostet bis zu fünf Prozent der deutschen Wirtschaftsleitung eines Jahres - rund 80 Milliarden Euro. Andererseits sind viele Substanzen, die vor diesem zerstörerischen Werk schützen, giftig und gefährden die Umwelt. Um dieses Problem zu lösen, gelang am Max-Planck-Institut ein Doppelschlag: Die Forscher entwickelten spezielle Kunststoffschichten, die den Stahl vor Rost schützen. Und einen Selbstheilungs-Mechanismus. Dazu schleusen sie winzige Kapseln mit Korrosionsschutz in den Stahl, sobald das Metall beschädigt wird, lösen sich die Kapseln auf und der Schutz kann wirken.

Und gelegentlich hilft auch die Natur den Forschern auf die Sprünge. Wie ließe sich sonst in dieser High-Tech-Welt die Anwesenheit eines Hummers erklären? Durch extreme Vergrößerung wurde sichtbar, dass die Hummerschalen aus einem Röhrensystem bestehen, in denen Faserstränge angeordnet sind. Die Schalen sind extrem leicht und gleichzeitig sehr robust. Eigentlich der Traum eines Materialforschers. Und vielleicht Inspiration für die Autobleche der Zukunft.

Quelle: RP
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