«Keine Flugmaschine wird jemals von New York nach Paris fliegen», sagte einst der Flugpionier Orville Wright. Was selbst den visionären Gebrüdern Wright wie ein Ding der Unmöglichkeit erschien, ist heute Realität – unter anderem dank neuer Materialien, die moderne Flugzeuge und Triebwerke überhaupt erst möglich machen. In den mehr als 100 Jahren seit Wrights ersten Flugversuchen ist die Aviatik nicht nur leistungsstärker geworden, sondern zum Glück auch deutlich sicherer. Die Materialien, die beim Bau von Flugzeugen zum Einsatz kommen, müssen strengste Sicherheitsauflagen erfüllen, darunter auch beim Brandschutz. Zugleich müssen sie leicht und mechanisch robust sein – und zunehmend auch recycelbar.
«Alle diese Eigenschaften unter ein Dach zu bringen ist eine Herausforderung», erklärt Empa-Forscher Sabyasachi Gaan aus dem Labor «Advanced Fibers». «Wenn man ein Material zum Beispiel flammhemmend macht, verändert man immer auch die anderen Eigenschaften mit.» Dieser Herausforderung haben sich Gaan und sein Team gemeinsam mit dem zum deutschen Spezialchemie-Konzern ALTANA gehörenden Industriepartner Elantas in einem von der Innosuisse unterstützen Projekt gestellt. Ihr Fokus lag dabei auf einem bestimmten Verbundwerkstoff, der für den Innenausbau von Flugzeugen und Zügen verwendet wird, beispielsweise für den Boden der Passagierkabine.
Epoxid wird nachhaltiger
Das Material ist ein mehrschichtiges «Sandwich». In der Mitte liegt eine Wabenstruktur aus Aramid, einem hitzeresistenten Kunststoff. Dieser stabile, leichte Kern wird von oben und unten mit mehreren flach gewobenen Schichten aus Glas- oder Kohlefasern versehen. Als Bindemittel dient Epoxidharz, wie bei vielen Verbundwerkstoffen. Normalerweise lässt sich dieses Polymer weder chemisch noch thermisch recyceln – sprich, es kann weder eingeschmolzen noch aufgelöst werden. «Verbundwerkstoffe mit Epoxid landen heute in Deponien oder werden verbrannt», sagt Gaan.
Genau hier haben die Empa-Forschenden ein Ass im Ärmel. Sie haben einen Zusatz für Epoxidharz entwickelt, der das Material flammhemmend macht – und zugleich recycelbar. Wird Epoxid bei der Herstellung mit diesem phosphorhaltigen Molekül versetzt, lässt es sich nach dem Aushärten unter bestimmten Bedingungen wieder weich machen und neu formen – sogenanntes thermomechanisches Recycling, das für Epoxid bisher ein Ding der Unmöglichkeit war.
Alle Komponenten zurückgewonnen
Im Innosuisse-Projekt haben die Partner jedoch ein anderes Ziel verfolgt: Das vollständige Recycling des Verbundwerkstoffs. Mit dem richtigen Lösungsmittel und etwas Wärme lässt sich das «Sandwich» wieder in seine einzelnen Komponenten zerlegen: die Wabenstruktur und die gewobenen Fasern. Insbesondere die Aramid-Waben, aber auch Kohlefasern, sind verhältnismässig teuer. Ihr Recycling ist daher auch wirtschaftlich attraktiv. «Grundsätzlich ist es auch möglich, das Epoxidharz selbst aus der Lösung zurückzugewinnen. Das wollen wir in künftigen Projekten angehen», so Gaan.
Entwickelt wurde das recycelbare Epoxidharz an der Empa. Mit Elantas haben die Forschenden nun erstmals sein Potenzial für eine industrielle Anwendung erkundet. «Unser Material erfüllt die Brandschutzbestimmungen und erreicht fast dieselben vorteilhaften mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Epoxid», sagt Gaan. «Es lässt aber erstmals ein vollständiges Recycling des Verbundwerkstoffs her.»
Mit dem Verlauf des Projekts sind die Projektpartner zufrieden. Der nächste Schritt ist die weitere Skalierung der Herstellung und des Recyclings. «Für die Luftfahrtindustrie ist es entscheidend, Brandschutz, Leichtbau und Rezyklierbarkeit zu vereinen. Dieses Epoxid-Verbundsystem zeigt, dass das nun erstmals möglich ist», sagt Fiorenzo Lenzi, Leiter Produktlinie Aerospace/Ballistic bei Elantas.
Gleichzeitig forscht Sabyasachi Gaan mit seinem Team bereits an weiteren Anwendungen für den recycelbaren flammhemmenden Kunststoff, etwa im Energiesektor und im Baubereich. Dass ein Material es so weit schafft, ist auch der Grundlagenforschung zu verdanken, betont der Wissenschaftler. «Bevor wir an den Anwendungen arbeiten können, müssen wir die Materialeigenschaften sehr gut verstehen.» Die Gebrüder Wright würden ihm wohl Recht geben. Denn, wie Wilbur Wright 1900 in einem Brief an den Ingenieur Octave Chanute schrieb, «Es ist möglich, ohne Motoren zu fliegen, aber nicht ohne Wissen und Können.»
BOX:
Innovationen für die Schweiz – dank neuer Materialien
Rund 70% aller Innovationen beruhen auf neuen Materialien. Herausragende Materialforschung und Technologieentwicklung sind daher für einen Innovations-Hotspot wie die Schweiz unerlässlich. Genau dafür steht die Empa, das Materialforschungsinstitut des ETH-Bereichs – seit mehr als 120 Jahren. Interdisziplinäre Teams kreieren hier stetig Neues, etwa bioabbaubare Batterien und Computerkomponenten, Drohnen, die aus vollem Flug ins Wasser eintauchen können, Digitale Zwillinge ganzer Städte, neuartige Therapien gegen antibiotikaresistente Keime, alternative Materialien für Problemstoffe wie PFAS und vieles mehr. In unzähligen Industriekooperationen und über Spin-offs wird so die Empa-Vision «Materialien und Technologien für eine nachhaltige Zukunft» in die Schweizer Wirtschaft und Gesellschaft hinausgetragen.