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StartseiteForschung aktuellSelbstheilende Materialien 20.08.2019

Tolle Idee - Was wurde daraus?Selbstheilende Materialien

Autolacke, deren Kratzer von selbst heilen. Leiterbahnen, die sich nach einem Kurzschluss von selber reparieren. Visionen wie diese spuken immer wieder durch die Medien, durchgesetzt haben sie sich noch nicht. Bei Beton aber funktioniert Selbstheilung von Defekten, erste Produkte sind auf dem Markt.

Von Frank Grotelüschen

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Wiedbachtalbrücken mit der Bundesautobahn A3 neben der ICE Hochgeschwindigkeitstrasse bei Neustadt (Wied) (Geisler-Fotopress / picture alliance)
Risse und Verschleißschäden in Beton, hier die Wiedbachtalbrücken, könnten künftig mit Einsatz bestimmter Bakterien selbst heilen (Geisler-Fotopress / picture alliance)
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"Hier sehen Sie Hotspots. Da könnte man es nutzen, um eine Opferschicht aufzuschmelzen. Dadurch ist dann die Schicht repariert."

Stuttgart, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung. Ivica Kolaric steht vor einer Platte von der Größe eines Tablet-Computers. Der Ingenieur hat sie unter Strom gesetzt, jetzt zeigt er auf den Monitor einer Wärmebildkamera.

"Auf einer A5-großen Fläche sieht man eine Temperaturverteilung, die relativ homogen ist. Allerdings erkennt man auf einer Stelle, dass ein signifikanter Temperaturunterschied da ist – oben links ist eine Macke. Dieser Temperaturunterschied kann genutzt werden, um eine Selbstheilung zu initiieren."

Die Macke ist eine defekte Leiterbahn. Sie heizt sich auf und wird zu einem Hotspot. Und der lässt sich ausnutzen - und zwar für eine Selbstreparatur des Materials. Denn wäre die Platte zusätzlich mit einem leitfähigen Polymer beschichtet, würde dieses durch die Hotspot-Wärme schmelzen und in die kaputte Leiterbahn fließen - sie wäre geflickt.

Ziel: Oberflächen selbstheilend zu gestalten

"Man kennt es ja beim Menschen: Wenn man sich die Haut verletzt durch einen Schnitt – sie heilt wie von selbst. Das ist das Ziel, das wir verfolgen: Technische Oberflächen auch selbstheilend zu gestalten."

Materialien, die sich selbst reparieren - in gewissem Sinn gibt es das schon, etwa beim Korrosionsschutz von Eisenbauteilen, sagt Ivica Kolarics Kollege Marc Entenmann:

"Da gibt es sogenannte aktive Korrosionsschutz-Pigmente. Das sind meistens irgendwelche Phosphate. Sobald sich das Eisen in dem Substrat auflöst, bilden die eine Eisenphosphat-Oxidschicht. Und die ist besonders stabil. Das System lässt dann keinen Sauerstoff, kein Wasser mehr durch und heilt von selber ab."

Autolack kann kleinste Risse selbst verschliessen

Auch Autolacke können sich heute ansatzweise von selbst regenerieren. Steht das Auto in der Sonne, wird der Lack so warm, dass er ein wenig zu fließen beginnt und feinste, kaum sichtbare Risse verschließt: "Normale Waschanlagen-Kratzer. Wenn Sie durch die Waschanlage fahren und das nachher mit dem Mikroskop angucken, haben Sie lauter Kratzer."

Nur: Gröbere, mit bloßem Auge erkennbare Macken lassen sich so nicht ausbügeln. Da braucht es neue Ansätze, an denen noch geforscht wird. Zum Beispiel: "Man hat kleine, mikroskopisch große Kapseln, die bei einer Beschädigung geöffnet werden, einen Wirkstoff in die Beschädigung einlassen und somit quasi die Beschädigung auffüllen. Das ist der Mikrokapsel-Ansatz", erläutert Kolaric. 

Windpark DanTysk in der Nordsee  (imago/Lars Berg)Offshore-Windpark 70 Kilometer vor Sylt - ein mögliches Einsatzgebiet für selbstheilende Industrielacke (imago/Lars Berg)

Eine weitere Strategie: Feinste Äderchen, die das Material durchziehen und bei einer Rissbildung förmlich ausbluten. "Der vaskuläre Ansatz ist quasi, dass ganz ähnlich wie beim Menschen eine Ader über diesen Wirkstoff verfügt und dann die Beschädigung schließt." Nur: Auf den Markt hat es das alles noch nicht geschafft, bis auf wenige Ausnahmen.

"Es gibt einen österreichischen Hersteller von Gartenmöbeln, der postuliert, einen Selbstheilungseffekt zu haben, beim Hagelschlag beispielsweise. Das funktioniert wahrscheinlich sehr gut, aber auch nur einmal. Und das ist das Kernproblem dieser Selbstheilung, dass die beschädigte Stelle nur einmal repariert werden kann."

Optische Resulte überzeugen noch nicht

Ein Problem, an dem auch die Entwicklung selbstheilender Autolacke krankt. Ein weiteres Manko: Zwar gelingt es im Labor, Lackkratzer mittels Mikrokapsel-Technik zu reparieren. Optisch aber ist das Resultat nicht sehr befriedigend: Anspruchsvollen Gemütern dürfte die Reparaturstelle störend ins Auge fallen.

"Sie müssen diesen Kratzer auffüllen, und wenn wir einige Milliliter auffüllen würden, würden Sie das auf der Lackoberfläche sehen. Dann müssen wir uns meines Erachtens von dieser Premium-Oberfläche verabschieden, die wir heute kennen."

Deshalb setzen die Fraunhofer-Forscher auf andere Anwendungen – auf selbstheilende Industrielacke, bei denen es nicht aufs schöne Aussehen ankommt, sondern rein auf die Funktion.

"Beispielsweise Offshore-Windkraftanlagen, die in der Wartung sehr kostenintensiv sind, dort aber kein hoher Anspruch an die optische Güte ist. Da macht Selbstheilung durchaus Sinn. Aus dem Grund glauben wir, dass die Selbstheilung vor allem im Maritimen, aber auch in der Luft- und Raumfahrt und bei den erneuerbaren Energien Einzug finden wird. Beim Automobil vermutlich eher weniger."

Sandproben im Microlab der TU Delft (Dagmar Röhrlich)Selbstheilender Beton ist auf dem Markt - erste Bauten sind fertig - Sandproben im Microlab der TU Delft (Dagmar Röhrlich)

Schwimmbad mit selbstheilendem Beton

Bei einem anderen Material dagegen ist die Selbstheilung von Defekten bereits Realität, und erste Produkte sind schon auf dem Markt.

"Wir haben hier Bioreaktoren. Mit denen werden Bakterien gezüchtet - unter anderem die, die man für selbstheilenden Beton einsetzen könnte." In seinem Labor an der Hochschule München zeigt Robert Huber auf ein paar Glaskolben mit einer trüben Brühe. Es sind Bodenbakterien, die Kalk bilden können. Sie sorgen dafür, dass sich feine Risse, die im Beton unweigerlich mit der Zeit entstehen, von selbst verschließen.

"Das funktioniert folgendermaßen, dass die Bakterien, die man in den Beton bereits mit eingießt, in der Lage sind, im Winterschlaf in Form von Sporen zu überleben. Mehrere Jahrzehnte und Jahrhunderte können Sporen überleben. Und dann ist es so: Wenn ein Riss entsteht und Wasser eindringt, werden diese Sporen wieder zum Leben erweckt. Die beginnen dann Kalk zu bilden. Und der Kalk verschließt den Riss von innen heraus."

Das Prinzip funktioniert. In Kooperation mit der TU Delft hat eine niederländische Firma die betonstabilisierenden Mikroben vor einiger Zeit auf den Markt gebracht. "Muss man sich so vorstellen wie kleine Kügelchen. Da werden die Bakterien verpackt. Man packt noch ein paar Nährstoffe dazu. Und dann werden die beim Anrühren des Betons mit dazugegeben."

Das Kalkül: Indem die Bakterien die Rissbildung verhindern, hält der Beton länger. Inwieweit sich das in der Praxis bewahrheitet, wird sich wohl erst in einigen Jahrzehnten zeigen. Bislang ist der Bakterien-Beton nur sporadisch verbaut. "Das größte Gebäude ist ein Wasserbecken in den Niederlanden, wo es eingesetzt wird. Es gibt auch ein kleines Häuschen. Aber es gibt noch keine richtig großen Gebäude oder dergleichen. Das ist eher noch im Kommen."

Für den normalen Häuslebauer ist der neue Beton weniger relevant, meint Robert Huber. Sinnvoll könnte er vielmehr für Umgebungen sein, wo viel Feuchtigkeit herrscht, etwa am Meer. Hier können die Bakterien helfen, den Beton von innen trocken zu halten.

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