Luftiges Material mit explosiver Kraft

Von diesem Material braucht es theoretisch weniger als 450 Gramm, um einen Elefanten anzuheben: Diese Fähigkeit verdankt „Aerographen“ seiner einzigartigen Struktur auf Nanoebene. Optisch einem schwarzen Schaumstoff ähnlich besteht es eigentlich aus einem feingliederigen Rohrgeflecht auf der Basis von Graphen mit zahlreichen Hohlräumen. Das macht es extrem stabil, leitfähig und fast so leicht wie Luft. Einen großen Schritt hin zur praktischen Anwendung hat jetzt ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemacht. Ihnen gelang es, Aerographen und die darin enthaltende Luft in extrem kurzer Zeit wiederholt sehr stark zu erhitzen und abzukühlen, was extrem leistungsfähige Pumpen, Druckluftanwendungen oder entkeimende Luftfilter im Miniformat ermöglicht. In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Materials Today erschien der Artikel als Titelstory.

„Als wir diese Materialien zum ersten Mal vorgestellt haben, handelte es sich um die bis dato leichteste Materialklasse der Welt mit einer Dichte von gerade einmal 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter. Weil das praktisch Luft ist, nannten wir sie „Aeromaterialien“, erinnert sich Rainer Adelung. Der Professor für Funktionale Nanomaterialien an der CAU hatte die 2012 erstmals präsentierten Materialien gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelt. Ihre faszinierenden Eigenschaften sorgten schon damals für weltweites Interesse und wurden seitdem intensiv weiter erforscht, unter anderem in der europäischen Großforschungsinitiative ,,Graphene Flagship“.

Die neue Studie liefert einen Beitrag dazu, wie Aeromaterialien aus der Grundlagenforschung in die Anwendung gebracht werden könnten. Das Forschungsteam aus der Kieler Materialwissenschaft hat gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Technischen Universität Dresden, University of Southern Denmark, University of Trento, Queen Mary University of London weitere Eigenschaften entdeckt, die Innovationen in Pneumatik, Robotik oder Luftfiltertechnik ermöglichen.
 

„Aerographen“ lässt sich extrem schnell aufheizen und abkühlen

„In unseren Experimenten haben wir festgestellt, dass sich Aeromaterialien aus Graphen und anderen leitfähigen Nanomaterialien aufgrund ihrer geringen Dichte mit bis zu mehreren hundert Grad in der Millisekunde elektrisch aufheizen lassen, ohne dabei zerstört zu werden“, erklärt Dr. Fabian Schütt von der CAU, der die Experimente zusammen mit Dr. Florian Rasch geleitet und durchgeführt hat. Dafür nutzten die Materialwissenschaftler das Aeromaterial „Aerographen“, das aus nur wenigen Lagen Kohlenstoffatomen und zu 99,9% aus Luft besteht. Beim Erwärmen wird auch diese Luft extrem schnell erhitzt und dehnt sich aus. Bei einer sehr schnellen Erwärmung kommt es zu einer rapiden Volumenausdehnung und man spricht von einer „Explosion“. „Damit sind wir jetzt in der Lage, mithilfe von Aerographen kontrolliert und wiederholt kleine Explosionen auszulösen, die keine chemische Reaktion benötigen“, fasst Schütt ihre Ergebnisse zusammen.

Denn fast genauso schnell wie es sich erwärmt hat, kühlt Aerographen auch wieder ab, sobald die Stromzufuhr abgeschaltet wird. „Aufgrund seiner extrem niedrigen Wärmekapazität kann es kaum Wärme speichern und gibt sie über seine Netzwerkstruktur sehr schnell wieder an die enthaltende Luft ab“, so Schütt weiter. Das schnelle Erwärmen und Abkühlen des Materials ermöglicht es den Forschenden, nacheinander mehrere Explosionen in der Sekunde auszulösen. „So erhalten wir extrem leistungsfähige Druckluft auf Knopfdruck, ohne die sonst benötigten Kompressoren und Gaszuführungen“, erklärt Adelung.

Material hielt bereits mehr als 100.000 Zyklen stand – Patent angemeldet

Diesen Effekt nutzte das Forschungsteam, um sowohl neue Pumpen, die sich gezielt einstellen lassen, als auch leistungsstarke Aktuatoren im Miniformat zu entwickeln. „Platziert man das Aeromaterial in einen Druckzylinder und erhitzt es per Strom, lassen sich mit dem so erzeugten Luftstoß Gegenstände gezielt und mehrmals pro Sekunde auf- und ab bewegen“, erklärt Rasch, der kürzlich seine Doktorarbeit zu dem Thema abgeschlossen hat. In ihren Experimenten konnten die beiden Erstautoren Schütt und Rasch zeigen, dass bereits mit einer geringen Menge an Aerographen um ein Vielfaches schwerere Gegenstände bewegt werden können. So reichten 10 Milligramm Aerographen, um ein zwei Kilogramm schweres Gewicht in wenigen Millisekunden anzuheben. Die mit Aerographen entwickelten Aktuatoren verfügen also über hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig großen Volumenänderungen.

„Diese kleinen elektrischen Explosionen lassen sich außerdem – im Gegensatz zu chemischen Reaktionen – sehr gezielt steuern und sind schlicht sauberer. Über die Dauer und Stärke der Stromzufuhr können wir die Frequenz und Stärke der Luftstöße exakt kontrollieren“, sagt Rasch. Dank der extremen Leitfähigkeit von Aeromaterialien benötigen sie dafür nur wenig Strom. In den Experimenten des Kieler Teams hielt das Material bisher 100.000 Zyklen stand, ein Patent wurde bereits angemeldet.
 

Auch als selbstreinigende Luftfilter gegen Bakterien einsetzbar
 

Als ein Anwendungsbeispiel entwickelt Adelungs Arbeitsgruppe derzeit neue Luftfiltermaterialien und -systeme auf der Basis von Aerographen, unter anderem in Zusammenarbeit mit dem Luftfahrtzulieferer Lufthansa Technik und gefördert vom Graphene Flagship. „Durch die offene Netzstruktur des Materials lassen sich sehr gut Luftströme leiten und für kurze Zeit stark erhitzen. Auf diese Weise können beispielsweise Bakterien und Viren aus der Luft gefiltert und abgetötet werden“, so Adelung. Damit könnten diese Filteranlagen selbstreinigend funktionieren und eine aufwendige Wartung zukünftig überflüssig machen.“   

Die Arbeit wurde finanziell unterstützt vom Graphene Flagship, dem Graduiertenkolleg 2154 Materials for Brain und von der Förderinitiative „Experiment! – Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen“ der Volkswagenstiftung.

Originalpublikation:

Electrically powered repeatable air explosions using microtubular graphene assemblies, Fabian Schütt, Florian Rasch, Nipon Deka, Armin Reimers, ... Rainer Adelung, Mater. Today, Volume 48, 2021, Pages 7-17, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.01

 

Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Auf der Nanoebene herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de