Alles - außer gewöhnlich

Aus Carbonfasern lassen sich besonders leichte Bauteile herstellen. In der Automobilbranche und Luftfahrt helfen sie, Gewicht und damit CO2 zu sparen. Dr. Oswin Öttinger und sein Team sind überzeugt, dass da noch viel mehr geht – und die dünnen Fasern aus Kohlenstoff helfen könnten, früher oder später noch weitere drängende Probleme unserer Zeit zu lösen.

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Für den Rundgang durch die Zukunft klappt Oswin Öttinger seinen Laptop auf. Auf dem Bildschirm poppen grau gefärbte Felder auf. „Das sind unsere klassischen Anwendungsgebiete für Carbonfasertextilien“, sagt der Leiter New Technologies in der Zentralforschung der SGL Carbon: Leichtbau für Automobil und Luftfahrt, Chargiergestelle für die Solarzellenfertigung, Kolonneneinbauten für den chemischen Apparatebau. Dann klickt Öttinger weiter. Am Bildschirm bauen sich etliche neue Felder auf. „So könnte die Zukunft aussehen“, sagt er. Im Sekundentakt blitzen neue Anwendungen auf. Die Carbonfaser ist nicht nur leicht und extrem zugfest, sondern auch beständig gegen Chemikalien oder Hitze und elektrisch leitfähig.

Carbonfasern können etwa helfen, in der Bauindustrie dünnere Wände und komplexere Architekturen zu realisieren, indem sie den Stahl im Stahlbeton ersetzen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Korrosion und der guten elektrischen Leitfähigkeit werden Carbonfasern auch bei der Energiespeicherung und Energiewandlung eine wichtige Rolle spielen. Und sie könnten helfen, eines der drängendsten Probleme unserer Zeit zu lösen: den drohenden Trinkwassermangel.

Unweit der Hafenstadt Dénia an der spanischen Costa Blanca bauen Ingenieure derzeit im Rahmen des Microbial Desalination for Low Energy Drinking Water (MIDES)-Projekts die erste Trinkwasseraufbereitungsanlage auf Basis der mikrobiell unterstützten Entsalzung. Gefördert wird das Vorhaben durch die Europäische Union im Rahmen des Programms Horizon 2020. Das Projekt soll beweisen, dass Bakterien und Carbonfasern helfen können, Meerwasser mit deutlich weniger Energie aufzubereiten als herkömmliche Entsalzungsanlagen.

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Wenn mir vor fünf Jahren jemand erzählt hätte, dass wir mal Carbonfasern in Meerwasser versenken werden, hätte ich dem wahrscheinlich den Vogel gezeigt. Und heute erforschen wir das mit großem Erfolg.

Dr. Oswin Öttinger, Leiter New Technologies in der Zentralforschung der SGL Carbon

Science-Fiction, die funktioniert

Bislang wird Meerwasser in der Regel mithilfe der sogenannten Umkehrosmose entsalzt. Gewaltiger Druck zwingt das Salzwasser durch eine Membran hindurch, die zwei Behälter voneinander trennt. Die Membran gewährt den Salzbestandteilen im Wasser aber keinen Durchlass. So sammelt sich im Behälter hinter der Membran reines Wasser. Der Nachteil: Druck benötigt Energie. Aktuell braucht man etwa drei Kilowattstunden Energie, um 1.000 Liter Meerwasser zu entsalzen.

„Mit der Entsalzungszelle aus Carbonfasern setzen wir schon einen Schritt vorher an“, erklärt Öttinger. Dabei kommt technisch gesprochen die Elektrodialyse zum Einsatz. Zwei unterschiedlich gepolte Elektroden entziehen dem Meerwasser einen Großteil seiner Natrium- und Chlorid-Ionen. Sie wandern durch zwei Membranen in zwei abgetrennte Kammern und können nicht zurück. In der Mittelkammer bleibt salzarmes Wasser zurück, das anschließend mit deutlich weniger Energie per Umkehrosmose weiter entsalzt wird.

Allerdings benötigen auch die Elektroden externen Strom. Zumindest bislang. Denn in der neuen  Entsalzungszelle produzieren Bakterien die benötigte Energie. Was wie Science-Fiction klingt, funktioniert tatsächlich. Gefüttert mit Abwasser, produzieren die Bakterien beim Fressen Strom. Metall als Elektroden mögen sie nicht. „In der neuen Entsalzungszelle setzen wir deswegen Elektroden aus Carbon ein“, erklärt Öttinger. Die extrem dünnen Carbonfasern bieten den Bakterien Halt. Der von den Bakterien produzierte Strom wird durch die Carbonfasern abgeleitet.

„Diese Neuigkeit verändert Entsalzung total: Die Energie des Abwassers erlaubt es, mit sehr geringen Kosten Trinkwasser aus Meerwasser zu erzeugen“, sagt Frank Rogalla, Projektkoordinator und Abteilungsleiter Forschung & Innovation vom Projektpartner FCC Aqualia. Eine faszinierende Lösung, die auf der ganzen Welt drohende Konflikte um Trinkwasser entschärfen und vor allem ärmeren Ländern helfen könnte. Auf dem Weg dorthin braucht es aber noch zu vielen Aspekten Forschung. Zum Beispiel ist bislang unklar, welche Bakterien mit welcher Art von Abwasser harmonieren.

Um es den Bakterien so angenehm wie möglich zu machen, spielen das SGL-Team und die anderen Projektpartner verschiedene Ansätze durch. Könnte es den Bakterien etwa helfen, während der Besiedlungsphase elektrische Spannung ins Wasser zu legen? Oder brauchen die winzigen Stromproduzenten eine ganz bestimmte Temperatur? Öttinger und sein Team optimieren vor allem die Carbonfasern, um den Bakterien die perfekte Siedlungsfläche anzubieten. „Bis wir die größten Hürden aus dem Weg geräumt haben, kann es aber noch einige Zeit dauern“, sagt Öttinger.

Man muss nur dranbleiben

Doch selbst wenn es mehrere Jahre braucht, bis die ersten industriellen Anlagen mit Carbonfaser-Entsalzungszellen in Betrieb gehen, beweist die Methode für Öttinger etwas noch viel Grundlegenderes: das riesige Potenzial der Fasern. „Wenn mir vor fünf Jahren jemand erzählt hätte, dass wir mal Carbonfasern in Meerwasser versenken werden, hätte ich dem wahrscheinlich den Vogel gezeigt“, sagt er. „Und heute erforschen wir das mit großem Erfolg.“

Für Öttinger und sein Team ist klar, dass die Potenziale der Carbonfaser noch lange nicht ausgeschöpft sind. „Grundlagenforschung fördert immer wieder erstaunliche Chancen zutage“, sagt Öttinger und zieht einen historischen Vergleich heran. Die heutige Carbonfaser sei vor knapp 60 Jahren patentiert worden – und nun seien die ersten großtechnischen Anwendungen serienreif. Wenn Öttinger neben diese Zahl die Ergebnisse seiner aktuellen Forschung legt, sei doch eines offensichtlich: „Wir legen heute sicher die Grundsteine für die ein oder andere interessante zusätzliche Anwendung der Zukunft. Man muss nur dranbleiben.“

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