Graphen – ein Material, das die Welt verändern könnte

Wissenschaftler auf der ganzen Welt sind auf der Suche nach einem Material, das biegsam, flexibel und extrem dünn ist und dazu mehrere hundert Mal reißfester als Stahl. Wenn sie erfolgreich sind, könnte Graphen unsere Welt in einer Weise verändern, wie es die Erfindung der Kunststoffe und die Eisenherstellung getan haben.

Graphen – ein neues Material, von dem wir noch hören werden

Vor zehn Jahren gab es Graphen noch nicht. Heute ist es ebenso vielversprechend wie damals die neu erfundenen Kunststoffe. Graphen könnte einen richtungsweisenden technischen Wandel anstoßen – genau wie Eisen, das als Ersatz für Bronze eine neue geschichtliche Epoche einleitete.

Graphen wurde erst 2004 entdeckt. Die Wissenschaftler, die es isolierten, erhielten dafür 2010 den Nobelpreis für Physik. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses Nanomaterials spornen in aller Welt Wissenschaftler, Unternehmer und Technologieführer an.

Was ist Graphen?

Graphen ist genau genommen eine extrem dünne Kohlenstoffschicht – nur ein Atom stark. Erst drei Millionen Lagen Graphen ergeben übereinandergelegt eine etwa 1 Millimeter starke Schicht. Graphen ist biegsam und flexibel, dabei extrem hart und ungefähr 200 Mal so reißfest wie Stahl. Es hat einen Schmelzpunkt von über 3000 °C und ist ein hervorragender elektrischer Leiter.

In der industriellen Fertigung wird bereits mit so hochentwickelten Materialien wie Titanlegierungen, Einkristallen und Kohlenstofffasern gearbeitet. Dennoch wird weiter kontinuierlich geforscht, um Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit und Flexibilität zu verbessern. Wenn Graphen hält, was es verspricht, könnte es die Forschung in diesen beiden Punkten entscheidend vorantreiben. Es könnte den Weg für viel leichtere, dünnere und stärkere Verbundwerkstoffe für ein breites Anwendungsspektrum bahnen: in Ultraleichtflugzeugen und Supercomputern bis hin zu Entsalzungsanlagen.

Wann kommt Graphen auf den Markt?

Bisher wird Graphen nur in Labormengen produziert, denn die Herstellung ist noch extrem teuer. Deshalb gibt es auch noch keine entsprechenden Produkte auf dem Markt. Aber weltweit werden mehrere hundert Millionen Euro in die Forschung investiert. Die EU-Kommission plant, die Graphen-Forschung in den kommenden zehn Jahren mit bis zu einer Milliarde Euro zu fördern. An diesem Großprojekt sind führende Forschungsinstitute und Großunternehmen aus 17 europäischen Ländern beteiligt. (http://www.graphene-flagship.eu)

Zeitaufwendiger Prozess

Bis neue Materialien in der industriellen Fertigung eingesetzt werden können, vergehen häufig Jahrzehnte. Kohlefasern zum Beispiel wurden vor einem halben Jahrhundert erfunden. Bereits in den 1960er Jahren setzte Rolls-Royce Kohlefaserverbundstoffe zur Herstellung von Kompressorschaufeln für Flugzeugtriebwerke ein. Diese erwiesen sich jedoch als anfällig für Beschädigungen durch Vogelschlag, und so wurde die Produktion vorerst wieder eingestellt.

Man rechnet damit, dass die ersten funktionsfähigen Graphen-Produkte 2015 auf den Markt kommen. Dabei könnte es sich um elektronische Geräte von Firmen wie IBM, Nokia oder Samsung handeln, die bestrebt sind, immer die Ersten zu sein. Wenn ihnen das gelingt, wäre das ein Beispiel für eine besonders schnelle Markteinführung einer großen Entdeckung.

Starke Materialien:

sind metallische Werkstoffe, die aus Titan und anderen chemischen Elementen bestehen. Sie sind leicht, stabil sowie hitze- und korrosionsbeständig. Da ihre Herstellung kostenintensiv ist, werden sie nur in wenigen Bereichen eingesetzt wie in Flugzeugen, Sportwagen und beim Militär oder auch in der Medizin für orthopädische und Dentalimplantate verwendet.

Einkristalline Materialien haben eine durchgehend einheitliche, homogene Kristallstruktur und nahezu keine Korngrenzen. Dass sie praktisch keine Strukturfehler aufweisen, verleiht ihnen einzigartige Eigenschaften. Sie werden zur Herstellung von Halbleitern und hochfesten Materialien mit geringer thermischer Ausdehnung wie Turbinenschaufeln verwendet.

Hitzebeständige Superlegierungen (HRSA) bestehen normalerweise aus Nickel, Kobalt oder einer Nickel-Eisen-Basis. Sie sind hart, temperatur-, hitze- und korrosionsbeständig und haben eine günstige Oberflächenstruktur. Ihre Verarbeitung ist sehr anspruchsvoll. Aus HRSA werden Teile für Flugzeugtriebwerke wie Kompressoren, Brennkammern und Turbinen hergestellt.

Graphen ist das dünnste, stärkste und hitzebeständigste von allen hier genannten Materialien, befindet sich aber noch in der Laborphase. Graphen besteht aus einer einlagigen Schicht aus Kohlenstoffatomen, wobei die Kohlenstoffatome wabenförmig angeordnet sind. Diverse Branchen setzen auf Graphen und hoffen, damit die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte verbessern zu können.