Treibladungen für Airbags und Granaten

Von Andrea Vogel.

Erfahrungen mit energetischen Materialien sammeln Forscher, seit Soldaten schießen. Im Falle des Airbags profitieren wir von dieser Erfahrung. Denn die Materialien, die hier verbaut werden, sind so gut erforscht, dass sicher ist: Auch nach zehn Jahren Ruhe im Lenkrad bläht sich der Airbag noch genauso auf, wie er es am ersten Tag nach der Lieferung getan hätte. Und eine Tour durch die Wüste Gobi übersteht das Material ebenso wie eine Reise zum Nordpol. Trotzdem haben die Wissenschaftler noch eine Menge zu tun, erklärt Dr. Michael Niehaus vom Fraunhofer-Institut Chemische Technologie:

Das Gebiet der energetischen Materialien ist sehr groß. Das fängt an von der Synthese neuer, noch energiereicherer Substanzen oder - wenn wir beispielsweise bei Airbag-Anwendungen sind - die Synthese von Substanzen, die möglichst viel Stickstoff von sich geben, weil Stickstoff eben intoxisch ist, sicherlich ganz günstig, wenn mal ein Bag platzt. Dann natürlich: Wir formulieren auch Systeme, stellen also Treibsätze her. Die müssen physikalisch und chemisch charakterisiert werden. Man muss sehen, wie viel Gas produzieren sie als Funktion verschiedener Parameter, man muss sehen, ob sie chemisch und mechanisch stabil, was passiert, wenn man mit dem Hammer draufhaut. Und natürlich muss man die Systeme auch so auslegen können, dass sie ihre Funktion erfüllen.

Dabei spielt die Oberfläche des Materials eine Rolle: Je rauer sie ist, desto schneller brennt sie und gibt Gas ab. Dann das Mischungsverhältnis und die Art der Mischung: Wie wir zum Grillen Holzkohle und Luft brauchen, bestehen auch die Treibsätze aus mindestens zwei Materialien: genannt Oxidator und Reduktionsmittel. Manchmal spielt auch noch ein dritter Stoff mit: Ein Katalysator, zum Beispiel Eisenoxid, der den Ablauf der Verbrennung beeinflussen soll. Nanotechnologie bringt hier ungeahnte Fortschritte, so Niehaus:

Wenn sie jetzt die aktive Fläche des Eisenoxids vergrößern, indem Sie die Partikel einfach feiner mahlen, dann ändern Sie natürlich die gesamte Reaktionskinetik. Und da gibt es nun interessante Phänomene, dass man nämlich auf einmal komplett neue Abbrand-Charakteristiken kriegt, wenn man den Oxidator und vielleicht auch den Katalysator sehr stark verfeinert.

Ebenfalls um Miniaturisierung geht es beim Thema Reaktoren. Die Gefäße in denen bislang Chemikalien gemischt werden und zu neuen Substanzen reagieren, sollen immer stärker abgelöst werden von so genannten Mikroreaktoren:

Ein klassischer Reaktor bei BASF hat vielleicht einen Durchmesser von zwei, drei Metern. Ein Mikroreaktor ist ein sehr kleiner Reaktor. Stellen sie sich vor, sie haben einen dünnen Strohhalm und in dem läuft eine Reaktion ab. Je kleiner eine Sache wird, desto günstiger wird das Verhältnis von Fläche zu Volumen,

erläutert Niehaus. Nur wenige Mikrometer sind die Röhren dick: haarfeine Rinnen, die in Glasplatten geätzt werden. Über die verhältnismäßig große Oberfläche der Mini-Strohhalme lässt sich die Flüssigkeit im Inneren ganz leicht - und vor allem sehr gleichmäßig - kühlen oder aufheizen. In einen normalen, großen Reaktor geht das nicht ohne Heiz- oder Kühlelemente im Inneren. Außerdem müssen die Chemiker kräftig rühren, damit ihre Mischung wenigstens annähernd überall die gleiche Temperatur hat.

Leider ist es nicht immer leicht, die passenden Mikroreaktoren herzustellen. Nicht jede Reaktion kann in Glas ablaufen - aber nur in Glas lassen sich die Reaktoren so leicht ätzen. Auch an der Frage, wie ein Katalysator in das System kommen kann, arbeiten die Forscher noch. Ihr größtes Problem ist es aber, die Chemikalien im Mikroreaktor vernünftig zu mischen. Meist bilden sie ordentlich getrennte Schichten. Um diese Schichten aufzulösen, brauchen die Forscher Wirbel im Reaktor: Die Strömung sollte turbulent sein. Gerade das ist aber in sehr dünnen Rohren kaum zu erreichen.