Dieses winzige Nanomaterial ist so fest wie Stahl und so leicht wie Styropor

Dieses winzige Nanomaterial ist so fest wie Stahl und so leicht wie Styropor

© Peter Serles

Science

Neues Material ist so stark wie Stahl und so leicht wie Styropor

Stabil und leicht - diese Eigenschaften sind so gefragt, wie sie gegensätzlich sind. Vor allem in der Automobilbranche, aber auch in der Luft- und Raumfahrt sucht man nach solchen neuen Materialien. Mithilfe maschinellen Lernens konnten Forscher der Universität Toronto jetzt ein Nanomaterial finden, das so fest ist wie Stahl und dabei so leicht wie Styropor. 

Ziel ihrer Forschung war es, Materialien mit eigentlich widersprüchlichen Eigenschaften zu finden. Solche Nanomaterialien sind in komplexen Gittern aufgebaut, die einer Dreieck-Struktur ähneln. Dadurch kann man sie besonders stabil gestalten, vergleichbar mit dem Brückenbau. 

Allerdings erhöht sich dabei die Spannung, wenn das Material unregelmäßig ist, etwa an scharfen Ecken und Kanten. Die Spannung kann sich dann nicht gleichmäßig verteilen und es entstehen Bereiche mit hoher Belastung, die brechen können.

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Das Nanogitter ist 5-mal so fest wie Titan

Das Nanogitter ist 5-mal so fest wie Titan

Algorithmus findet neues Material

Mithilfe eines Algorithmus des Korean Advances Institute of Science & Technology (KAIST) wurde nach der bestmöglichen Struktur für Nanomaterialien gesucht. Aus den Ergebnissen wurden mithilfe eines 3D-Druckers Prototypen hergestellt. 

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Das Ergebnis war ein Kohlenstoff-Nanogitter, das einer Spannung von 2,03 Megapascal pro Kubikmeter pro Kilogramm standhielt. Das ist 5-mal höher als bei Titan. Seine Druckfestigkeit ist mindestens mit der von Stahl vergleichbar, die bei 180 bis 360 MPa liegt. Gleichzeitig ist das Material aber so leicht wie Styropor. Die Dichte liegt unter 215 Kilogramm pro Kubikmeter, bei Styropor liegt das zwischen 125 und 215. 

Treibstoffbedarf senken

"Wir hoffen, dass diese neuen Materialdesigns zu ultraleichten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt führen. Damit könnte der Treibstoffbedarf während des Flugs bei Flugzeugen, Hubschraubern und Raumschiffen gesenkt werden, ohne dass Sicherheit und Leistung eingebüßt werden", sagt Studienleiter Tobin Filleter in einem Statement

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So ließen sich CO2-Emissionen reduzieren. "Ersetzt man Titan-Bauteile bei einem Flugzeug durch das Material, könnte für jedes ausgetauschte Kilogramm jährlich 80 Liter Treibstoff sparen", sagt Studienautor Peter Serles

Im nächsten Schritt wollen die Forscher das Materialdesign so verbessern, dass es kostengünstig in einem größeren Maßstab verfügbar wird. Zudem soll der Algorithmus bei der Suche weiterer Kandidaten für solche festen Leichtbaumaterialien helfen. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin Advannced Materials erschienen.

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