Thu Apr 14 23:14:11 CEST 2022    |    Benzyourselfcom    |    Kommentare (0)

Wie die Kohlenstofffaser die Welt verändert hat, kann an der Geschichte des Tennisschlägers erzählt werden: Bis Mitte der 1970er Jahre war dieser aus Holz, dann kamen erste Schläger aus Stahl und Aluminium. Keine 20 Jahre später dominierten Schläger mit Kohlenstofffaseranteil. In Verbindung mit Kunststoffen entstand ein extrem belastbarer und zugleich sehr leichter Werkstoff. Er wird natürlich auch in der Automobilindustrie verbaut.

Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern genannt, sind ein hochwertiger, extrem stabiler und dabei sehr leichter Werkstoff. 1963 gelang in England ein erster Durchbruch, der die Nutzung der Kohlenstoffaser großtechnisch möglich machte. Seit den 1990er Jahren werden Kohlenstofffasern in vielen Bereichen verbaut. Diese werden aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien gewonnen und bestehen aus 1.000 bis 50.000 Filamenten. Ein einzelnes Filament hat einen Durchmesser zwischen 5 und 7 µm. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist fast 10mal so dick.

Die Kohlenstofffaser ist einzigartig in ihren mechanischen und dynamischen Eigenschaften:

- Hohe Festigkeit und Elastizität

Im vielseitigen Einsatz sind auch die chemischen Eigenschaften wichtig. Die Kohlenstoffaser ist

- beständig gegen organische Lösungsmittel, Laugen und Säuren

Sehr günstig wirken sich auch Leitfähigkeit von Wärme und Wärmeausdehnung. Röntgenstrahlen werden kaum aufgenommen und Produkte aus Kohlenstofffasern sind nicht magnetisch, allerdings elektrisch leitfähig.

Der Name verweist zu Recht darauf, dass Kohlenstofffasern nahezu vollständig aus reinem Kohlenstoff bestehen. Gewonnen werden sie zu 90 Prozent aus dem Kunststoff Polyacrylnitril. Ein Problem in der Herstellung ist der immense Energieaufwand:

Die Temperatur für diese Art der Gewinnung muss 1.300 Grad Celsius betragen. Die Umgebung muss sauerstofffrei sein, damit keine ungewünschten Reaktionen stattfinden können. Die Kohlestofffaser kann nicht brennen, vibriert aber so stark, dass sie sich so von fast allen anderen Substanzen befreit.

Die verbliebenen Fasern werden zu Stoffen verwoben oder mit anderen Materialien verbunden, etwa mit Harzen. So können beliebige Formen und Größen entstehen, die die genannten positiven Eigenschaften der Kohlenstofffaser enthalten.

Weitere Verarbeitungswege sind möglich:

- Die Kohlenstofffasern werden chemisch stabilisiert und binden noch stärker. Dies geschieht Beispielsweise durch Oxidation.

- Durch Spinnen können Fasern unterschiedlicher Dicke erstellt werden. Diese werden noch gewaschen und gedehnt.

- Auch so gewonnene Fasern können mit Kunststoffpolymeren gemischt werden.

Weitere Herstellungsverfahren sind Gewinnung aus Rayon, einer Faser, die aus Holz oder anderen organischen Materialien gewonnen werden. Auch das sogenannte Petroleum-Pitch-Verfahren kommt zum Einsatz, wobei hier Petroleum ein Ausgangsstoff ist.

Was sich hier so einfach liest, ist das Ergebnis langer Entwicklung, die noch nicht abgeschlossen ist. Noch immer kann man die Herstellung von Kohlenstofffasern optimieren. Manche Aspekte bedürfen weiterer Verbesserung, beispielsweise wäre zu nennen:

- Zum Teil ist Herstellung nicht nachhaltig und teuer, so dass die Kohlestofffaser vor allem bei Hochleistungs- und Luxusautos zum Einsatz kommen, zunehmend aber auch bei E-Autos.

- Die Wiederherstellung und Reparatur muss kostengünstiger werden.

- Probleme mit Lichtbögen und Kurzschlüssen müssen gelöst werden, da das Material elektrisch leitfähig ist.

- Die Kontrollen für hohe Qualität, aber auch die Sicherheitsstandards für das mit der Herstellung beauftragten Personals müssen verbessert und hochgehalten werden.

Wo die Kohlenstofffaser verwendet wird

Wie am Eingangsbeispiel bereits gezeigt, werden Kohlenstofffasern in vielen Freizeit- und Sportgeräten verbaut. Aber ein Stoff, der mehrfach stärker und doppelt so steif wie Stahl ist, hat längst Einzug gehalten in Luft- und Raumfahrt und ins Bau- und Ingenieurswesen. Brennstoffzellen, Erdgasspeicher und Blätter von Windkraftanlagen sind ohne Kohlenstofffaser nicht denkbar. Sogar Ölrohre und Tiefseebohrplattformen werden aus Kohlenstofffasern hergestellt.

Bei Fahrzeugen sind es bestimmte Karosserieteile, die aus Kohlenstofffaser gefertigt sind. Meist dienen sie einer verbesserten Optik eines Fahrzeugs. Doch immer mehr Anwendungsmöglichkeiten kommen hinzu: Mercedes-Benz plant ein Lenkrad aus Kohlenstofffaser.

Bei den Automobilen besteht aktuell hoher Druck zu Umweltschutz, Nachhaltigkeit und CO2-Neutralität. Letzteres will Mercedes-Benz bis 2039 erreichen. Gerade leichte Materialen machen es unter Umständen möglich.

Doch was tun, wenn die Herstellung von Kohlenstofffasern CO2-intensiver ist als die von Stahl?

Das Zauberwort heißt Wiederverwendung. So gibt es erste Verfahren, die bereits Abfälle bei der Herstellung wieder in den Verwendungsprozess eingliedern. Auch recyceltes Altmaterial kann zunehmend bei der Neuherstellung von Bauteilen aus Kohlenstofffasern verwendet werden.

Ganze Bauteile könnte bei Fahrzeugen zum Einsatz kommen, die einen hohen Auslastungsgrad und verkürzte Lebensdauer haben wie etwa Carsharing-Automobile. Dies gilt vor allem für Strukturbauteile.

Projektziele sind Bauteile aus Kohlenstofffaser mit einer Lebensdauer von bis zu 30 Jahren, dabei wäre eine 5-7malige Wiederverwendung denkbar. Dann könnte sich die Verwendung von Kohlenstofffaser-Bauteilen rechnen und dennoch den CO2-Verbrauch mindern.

Ein Ende der Kohlenstofffaser-Technik ist nicht absehbar. Auch wenn dabei noch manche Herausforderungen angenommen werden müssen, der Carbonmark boomt: Wurden für 2019 4,7 Milliarden US-Dollar umgesetzt, so sollen es 2029 13,3 Milliarden US-Dollar werden.

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