AUF ERMÜDUNGSERSCHEINUNGEN überprüft der Physiker Alain Kounga am Fachbereich für Material- und Geowissenschaften der Technischen Universität Darmstadt eine Kraftstoff-Einspritzdüse aus Piezokeramik mit Hilfe minimaler elektrischer Signale. (Foto: Christian Meier)

Der Tintenstrahldrucker versagt nach 5000 Seiten. Der Akku des Laptop verabschiedet sich nach zehnmaligem Aufladen. Was Verbraucher ärgert, nennen Techniker elektrische Ermüdung. Deren Hintergründe wollen Materialforscher der TU Darmstadt verstehen.

Die Vision der Wissenschaftler vom Fachbereich Material- und Geowissenschaften sind Werkstoffe, die nicht ermüden.

Ähnlich wie den Tintenstrahl im Drucker steuern „Piezokeramiken“ die Treibstoff-Einspritzung in Automotoren-Zylinder. Piezokeramik dehnt sich aus, sobald man eine elektrische Spannung anlegt – so lassen sich Ventile elektrisch steuern. „Ein Piezo ist ungeheuer schnell“, sagt Jürgen Rödel, Professor am Fachbereich Material- und Geowissenschaften.

„Er reagiert innerhalb hundert Millionstel Sekunden.“ Dies erlaubt mehrmaliges Einspritzen während eines Verbrennungszyklus, was die Entstehung von Rußpartikeln, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen um 90 Prozent und den Treibstoffverbrauch um fünf Prozent reduzieren kann.

Treibstoff-Einspritzdüsen aus Piezokeramik enthalten Blei und Metallkontakte, die schichtweise eingebettet sind. Mit zunehmender Betriebsdauer nimmt die Ausdehnung der Keramik und damit die Einspritzpräzision ab. Materialwissenschaftler suchen Materialien, die ohne giftiges Blei auskommen und dabei dauerhafter sein sollen.

„Piezo-Ventile müssen eine Milliarde mal öffnen und schließen, ohne ihr ursprüngliches Verhalten zu ändern“, sagt Rödel. Dazu muss der Werkstoff so gestaltet werden, dass im Betrieb möglichst wenig mikroskopische Schäden auftreten. Die Forscher greifen dazu in die Kristallstruktur der Keramik ein, aber auch in größere Strukturen, etwa indem sie die optimale mechanische Verspannung zwischen den Keramik- und Metallschichten ermitteln.

Die Gestaltung des Gefüges zweier Materialien erlaubt das Design von Eigenschaften: Um die Bruchfestigkeit zu erhöhen, setzt man auf ein „Durchdringungsgefüge“: Wenn Metall die Keramik durchdringt wie Wasser einen Schwamm, können sich Risse darin nicht fortpflanzen.

Zum Entwicklungsprozess gehören die Charakterisierung der Materialien und ihre Simulation in Computermodellen. Diese Aufgaben könnten nur durch fachübergreifende Zusammenarbeit geleistet werden, sagt Rödel.

Im geplanten Exzellenzcluster „Multiscale Engineering – perfektionierte Werkstoffe“ der TUD, für den Rödel spricht, ist deshalb die Vernetzung der Fachbereiche Material- und Geowissenschaften, Physik, Chemie, Biologie, Bauingenieurwesen, Elektrotechnik, Maschinenbau vorgesehen. Geplant ist unter anderem ein zentrales Charakterisierungs-Zentrum, in dem Mitarbeiter dieser Fachbereiche gemeinsam forschen.

Ziel des Clusters ist die Entwicklung von neuen Materialien und Technologien für Sensoren, Aktoren, Kommunikations- und Energietechnik. Zu den Visionen gehören effiziente Solarzellen und hochempfindliche Umweltsensoren.

„Es gibt sehr viele Querverbindungen zwischen den einzelnen Arbeitsgebieten und -gruppen im geplanten Cluster“, sagt Thomas Walther, Professor am Institut für Angewandte Physik und Mit-Koordinator des Exzellenzclusters. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich unter anderem mit der Anwendung von Lasern für Umweltsensoren.

Cornelia Lengler und Edgardo Deza entwickeln einen Sensor für Stickstoffmonoxid, der ein Molekül des Umweltgiftes unter einer Million Molekülen eines Gasgemisches aufspürt. Der Sensor soll zur Kontrolle der Abgase von Kraftwerken eingesetzt werden, um deren Effizienz zu erhöhen und den Stickstoffmonoxid-Ausstoß zu verringern.

„Das Ziel ist, im Abgas in Echtzeit zu messen, um den Stickstoffmonoxid-Ausstoß zu minimieren“, sagt Deza. Herzstück seines Versuchsaufbaus ist ein Kristall aus Bariumborat (BBO). Auf den Kristall lenkt er das Licht eines blauen und eines grünen Lasers. Im Kristall überlagern sich die Strahlen so, dass sich ihre Frequenzen addieren.

Ein Laserstrahl ultravioletten Lichts verlässt den BBO-Kristall. „Das System ist sehr schwierig zu justieren“, sagt Deza. Dutzende von Spiegeln und Linsen lenken die Strahlen auf den Kristall. Da unter allen Abgasen nur Stickstoffmonoxid Licht dieser Wellenlänge absorbiert, kann es in kleinsten Spuren nachgewiesen werden.

Auch beim Versuchsaufbau von Kai Schorstein und Alexandru Popescu steht ein Kristall im Mittelpunkt: Die Physiker lenken infrarote Laserstrahlen hoher Intensität auf den Kristall, der daraus sehr effizient grünes Laserlicht macht. Das System soll zur Messung der Wassertemperatur der Ozeane aus der Luft eingesetzt werden.

Flexible Kunststofffasern verstärken das Licht, damit es 100 Meter tief ins Wasser eindringt. Der Laser-Sensor soll die Wassertemperaturen auf ein Zehntel Grad genau messen, dabei große Ozeanflächen in kurzer Zeit erfassen.

Die Daten könnten unter anderem zur Vorhersage von Hurricane-Routen und zu Klimastudien dienen. Die Entwicklung des Sensors wird dadurch erschwert, dass er in vibrierenden, schwankenden Hubschraubern arbeitsfähig sein muss.

Den Transfer der Ergebnisse aus dem Exzellenzcluster „Multiscale Engineering“ in die Industrie soll ein Transferzentrum erleichtern. Firmen, die sich daran beteiligen, werden im Exzellenzcluster Beratungsfunktion und Zugriffsrechte auf dessen Ergebnisse haben, sagt Jürgen Rödel. 30 Firmen wurden angeschrieben.