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Dresdner Forscher wollen Autos aus Bäumen bauen

Dresden 16.09.2019
Es geht um eine Carbonfaser, die in Holzabfällen steckt, Erdöl ersetzt und den Fahrzeugbau revolutionieren könnte.

Ohne Lignin gäbe es keine Bäume. Erst dieser Stoff sorgt für Stabilität und ermöglicht es den Pflanzen, Dutzende Meter hoch zu wachsen. Bei der Papierherstellung indes stört er nur und bleibt als Abfall übrig: ein braunes Pulver, das etwas süßlich nach Vanillin riecht. Weltweit sind es Millionen Tonnen, die meistens nur verbrannt werden. Dresdener Forscher wollen das ändern und aus Lignin Carbonfasern herstellen. Sie sind extrem leicht und haben zugleich eine höhere Festigkeit als beispielsweise Stahl. Der Baustoff der Zukunft für Flugzeuge, Rennwagen, Fahrräder oder Ski.

Bisher werden Carbonfasern aufwendig aus einem erdölbasierten Ausgangsstoff gefertigt, was die Sache recht teuer macht. Der Einsatz von Lignin soll Kosten senken und fossile Rohstoffe durch nachwachsende ersetzen. „So werden Ressourcen geschont, insbesondere, wenn Carbonfasern auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, etwa in der Bauindustrie“, sagt Iris Kruppke vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik an der TU Dresden. Bislang wird Beton überwiegend durch Stahlskelette verstärkt, was viel Material erfordert. Zudem können diese im Lauf der Zeit korrodieren und so die Sicherheit gefährden. Gelänge es, die korrosionsbeständigen Carbonfasern billiger herzustellen, könnten sie teilweise den Stahl ablösen. Auch daran arbeiten Forscher der TU Dresden gemeinsam mit Industriepartnern.

Die Idee, für die Fasern pflanzliche Rohstoffe statt Erdöl zu verwenden, gibt es bereits seit Jahrzehnten. Aber die Verfahren sind komplex und damit die Probleme, andere Ausgangsmaterialien einzusetzen. Schließlich müssen die Fasern bestimmte Anforderungen etwa bei der Festigkeit erfüllen. Die Dresdner Wissenschaftler sind dennoch zuversichtlich, weitere Fortschritte zu erzielen, um breite Anwendungen des „Bio-Carbons“ bezahlbar zu machen. Am Ende 2018 eingeweihten Forschungszentrum RCCF (Research Center for Carbon Fibre Saxony ) der TU Dresden werden die einzelnen Prozessschritte der Carbonfaser-Herstellung noch genauer untersucht, um zunächst besser zu verstehen, was im Detail passiert. Davon ausgehend werden die Verfahren angepasst und vor Ort sofort getestet und weiter verbessert.

Für E-Autos und Windkraftanlagen interessant

Ziel ist es, Fasern zu erzeugen, die nur den Bruchteil eines menschlichen Haares dünn sind und nahezu vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Eine gängige Methode besteht darin, kohlenstoffhaltige Verbindungen – sogenannte Polymere – zu einem Faden zu spinnen. Dieser wird weit über 1.000 Grad Celsius aufgeheizt, wodurch die enthaltenen Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aus den Verbindungen entfernt werden. Übrig bleibt nahezu reiner Kohlenstoff, der in den erwünschten langen Ketten miteinander verknüpft ist. „Ein häufig verwendeter Ausgangsstoff ist Polyacrylnitril, ein kettenförmiges Molekül, das viel Kohlenstoff enthält und das Grundgerüst für den späteren Faden bildet“, erläutert der TU-Forscher Daniel Sebastian Wolz. Polyacrylnitril wird aus Erdöl hergestellt und ist relativ teuer.

Wolz und seine Kollegen setzen stattdessen Lignin ein. Dabei handelt es sich ebenfalls um ein kohlenstoffreiches Molekül, das jedoch massenhaft von Pflanzen gebildet wird. Es sorgt dafür, dass Gräser, Sträucher und Bäume verholzen. Dank Lignin können beispielsweise Mammutbäume mehr als 100 Meter hoch werden, ohne umzuknicken. Ohne Weiteres lässt es sich aber nicht für Carbonfasern nutzen. „Das Problem besteht darin, dass Lignin keine langgezogenen Ketten bildet, sondern Gebilde, die buchstäblich in alle drei Raumrichtungen ausgreifen“, sagt der Wissenschaftler. Das erschwere es, Fasern herzustellen. Die TU-Forscher setzen daher auf eine Mischung aus Polyacrylnitril und Lignin, die beide zunächst in eine Lösung gebracht und im sogenannten Nassspinnverfahren zu einer Faser geformt werden. „Durch Zugabe bestimmter Chemikalien können wir Lignin dazu bringen, sich bevorzugt in länglichen Strukturen anzuordnen“, sagt Wolz. Noch ist Polyacrylnitril nötig, um die gewünschte Struktur zu erhalten, doch das Team ist zuversichtlich, den Anteil des nachwachsenden Rohstoffs weiter zu erhöhen und eines Tages ohne erdölbasierte Rohstoffe auszukommen.

„Das wäre auch billiger, denn Lignin kostet nur rund ein Zehntel des Polyacrylnitrils“, ergänzt Mirko Richter, der ebenfalls zum Team der TU gehört. Und es ist in großen Mengen vorhanden. „Weltweit fallen jedes Jahr bei der Papierherstellung rund 50 Millionen Tonnen Lignin an, die meist verbrannt werden.“ Sinnvoller wäre es, wenigstens einen Teil stofflich zu nutzen, zumal der Bedarf an Carbonfasern zunimmt. Global könnte er von rund 70 Tonnen im Jahr 2017 auf 120 Tonnen im Jahr 2022 steigen, schätzt der Branchenverbund Carbon Composites. Das Leichtbaumaterial wird für Elektroautos interessant, die durch das geringere Gewicht weiter fahren könnten. Auch beim Bau großer Rotorblätter für Windkraftanlagen könnte Carbon wichtig werden. Nicht zuletzt könnte es in der Baubranche die Stahlarmierung im Beton ersetzen. Erfüllt sich dieses Versprechen, wäre das durchaus eine Revolution.

Bessere Umweltbilanz

Eine Bewehrung aus Carbonfasern könne in Gestalt der bekannten Stäbe oder textiler Gitter hergestellt werden, aber auch als textiles Geflecht. „Damit ist es viel einfacher, organische Formen aus Beton zu schaffen, was für die Gestaltung reizvoll ist“, erläutert Iris Kruppke. Zum anderen muss eine textile Bewehrung nicht so dick überdeckt werden wie Stahl, sodass weniger Beton erforderlich ist, was zusätzlich Rohstoffe spart und damit auch den Kohlendioxidausstoß, der mit der Betonherstellung verbunden ist, reduziert. „Wenn wir Carbonfasern auf Ligninbasis einsetzen, wäre die Umweltbilanz noch besser.“ Innerhalb von zehn Jahren könnte es gelingen, das Verfahren so weit zu entwickeln, dass es zur breiten Anwendung kommt.

Frank Hermanutz von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) bei Stuttgart arbeitet selbst an ligninbasierten Carbonfasern. Er setzt jedoch auf das sogenannte Schmelzspinnen, bei dem die Fasern mittels einer Düse direkt aus einer Schmelze erzeugt werden. Welches Prinzip sich am Ende durchsetze, lasse sich jetzt noch nicht sagen, sagt er. Doch auch er glaubt, dass Kohlefasern aus Lignin in einen Massenmarkt kommen können, vorausgesetzt sie erfüllen die Anforderungen. „Bis tragende Teile bei einem Auto aus diesen Fasern gefertigt werden, wird es noch eine Weile dauern, auch der Einsatz in der Bauindustrie wird aufgrund der aufwendigen Zertifizierung sehr schwierig“, sagt er. Bei nichttragenden Teilen wie Motorhauben oder Batteriekästen könnten schon in zwei, drei Jahren Carbonfasern aus Lignin eingesetzt werden.

 

Von Ralf Nestler

Foto: © 123 RF
 

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