Aufgeschäumt

Schäume sind meist eine Mischung aus Luft, Wasser und Zusätzen. Die kleinen Luftblasen darin werden durch winzige flüssige Wände getrennt. Die Tenside stabilisieren sie, die Oberflächenspannung wäre sonst zu groß. Wer versucht, reines Wasser mit der Hand aufzuschäumen, merkt das schnell. Die Tenside lagern sich als Film an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft an und senken so die Oberflächenspannung.

Tensid-Moleküle haben zwei Enden: das eine ist „wasserliebend“ (hydrophil), das andere „wasserabweisend“ (hydrophob). Das macht die Moleküle oberflächenaktiv: Sie versuchen sich so anzuordnen, dass der hydrophobe Teil nicht mit Wasser in Berührung kommt. Die hydrophilen Enden weisen dagegen immer in die flüssigen Wände des Schaums hinein.

Ob sich ein Schaum als Reinigungsmittel eignet oder nicht, hängt davon ab, wie groß die Blasen sind, mit wie viel Flüssigkeit sie umgeben sind und wie lange sie halten. Ein idealer Reinigungsschaum hat möglichst kleine Blasen und wenig Flüssigkeit, damit er stabil genug ist, um die Reinigungsprozedur zu überstehen.

Der Vorteil der Instabilität

Das zumindest war bisher die Überzeugung der Experten. Doch dann erlebte das Team von Cosima Stubenrauch eine Überraschung: „Wir haben festgestellt, dass ein instabiler Schaum viel besser reinigt als ein stabiler Schaum.“

Warum das richtige Maß an Stabilität so wichtig ist, zeigt das Beispiel der Kutschensäuberung: Um reinigend einwirken zu können, muss der Schaum wenigstens einige Minuten stabil bleiben. Würde er schon vorher zerfallen und sich verflüssigen, könnte er seine Wirkung nicht entfalten. Auf der anderen Seite gilt: „Unsere Schäume reinigen, weil sie zerfallen.“ Durch den Zerfall platzen und bewegen sich die Blasen. „Dadurch wird der Schmutz auf der Oberfläche abgetragen, ganz ohne Lösungsmittel“, erläutert Stubenrauch.

Das sei ein ähnlicher Wischeffekt wie mit einem Schwamm. Die Schaumblasen platzen, und die Flüssigkeit wischt über die Schmutzschicht. Schäume müssen also einerseits stabil genug sein, um wie ein Schwamm zu wirken – und andererseits instabil genug, um mit ihren Schaumblasen optimal Verschmutzungen von einer Oberfläche abzulösen.

Fast nebenbei hat Cosima Stubenrauch noch ein Problem gelöst: Viele Schäume werden mit petrochemisch hergestellten Tensiden stabilisiert. Das Team der Chemikerin umgeht das, indem es Zuckertenside einsetzt. Schaumtechnisch leisten beide Molekülsorten dasselbe, doch Zuckertenside haben einen Vorteil: „Man kann sie aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen“, erklärt die Stuttgarter Wissenschaftlerin. Die hydrophile Kopfgruppe der Zuckertenside lässt sich aus Zuckerrüben extrahieren, der hydrophobe Rest aus Kokosnüssen oder Rapsöl. „Uns ging es darum, eine Formulierung zu finden, die umweltverträglich ist“, betont Stubenrauch.

Ein Buch mit sieben Siegeln

Allerdings: Das löst noch nicht das Rätsel, wie ein Tensid beschaffen sein muss, damit es einen Schaum stabilisiert. Manchmal zerfallen die Schäume auf unterschiedliche Weise, selbst bei ähnlich großen Blasen. Das sei noch „ein Buch mit sieben Siegeln“, gesteht die Chemikerin. Jeder Schaum entmischt sich mit der Zeit, wenn man ihn in Ruhe lässt. Das liegt an der Schwerkraft: Sie zieht die Flüssigkeit zwischen den Bläschen nach unten. Das verdünnt die Zwischenwände im oberen Bereich so lange, bis sie platzen und die Bläschen zu größeren Blasen verschmelzen. Sobald die Flüssigkeit die Unterlage erreicht, platzen auch die letzten Bläschen, und der Schaum verschwindet.

Auch wenn es brennt, sind Schäume gefragt – als effektives Löschmittel. Doch häufig hilft ein konventioneller Löschschaum nicht gegen das Feuer, denn er wirkt nur dort, wo er aufgetragen wird. Aus diesem Grund werden zum Bekämpfen von brennenden Flüssigkeiten wie Benzin Schäume eingesetzt, die ebenfalls flüssig sind und auf der Oberfläche des brennenden Materials einen Wasserfilm bilden, berichtet Dirk Blunk, der auch an der Entwicklung des Kutschen-Reinigungsschaums beteiligt war. Wie der Chemiker von der Universität Köln erläutert, kann der Löschschaum auf einem Wasserfilm besonders „leicht und schnell“ über das brennende Material dahingleiten. Das verbessert den Löscheffekt, wirkt als Barriere und verhindert als Dampfsperre, dass brennbare Gase in die Brandzone nachströmen. Außerdem kühlt die Verdunstungswärme die brennende Flüssigkeit.

Brennenden Treibstoff löschen

Doch das hat einen Haken: Bisherige Löschmittel, die Wasserfilme ausbilden, enthalten umweltschädliche poly- oder perfluorierte Tenside, sind nicht abbaubar, gelten als toxisch und verunreinigen Erdreich und Grundwasser. Auch Ersatzstoffe, sogenannte Fluor-Telomere, enthalten Fluor. Um solche Probleme zu vermeiden, entwickelten Dirk Blunk und sein Team neue, vollkommen fluorfreie Tenside auf Naturstoffbasis. Wie der Kölner Chemiker berichtet, verteilen sich seine neuen fluorfreien Tenside schnell und abdeckend über die Oberfläche, beispielsweise von brennendem Treibstoff: Der Schaumteppich breitet sich zügig darauf aus – und löscht das Feuer. In seinen ersten Brandversuchen dauerte das gerade einmal zwei Minuten. Jetzt hofft Dirk Blunk, dass sein Schaum bald auch Feuerwehrleuten bei der Brandbekämpfung zur Verfügung stehen wird.

Es gibt sogar Schäume aus Plastik. Sie werden unter anderem als Isoliermaterial für Gebäudefassaden verwendet. Der aufgeschäumte Kunststoff ist beständig, leicht, seine Gasbläschen dämmen Schall und Wärme – nur feuerfest ist der Werkstoff bislang nicht. Doch eine mögliche Lösung zeichnet sich jetzt ab: Cosima Stubenrauch und dem Chemiker Helmut Cölfen von der Universität Konstanz ist es gelungen, einen Mineralkunststoff aufzuschäumen, den Cölfen entwickelt hat: ein festes Gemisch aus Polyacrylsäure und Kalziumkarbonat.

„Wenn man das abfackelt“, berichtet Cölfen, „wird es schwarz, und es verkohlt, denn die Polyacrylsäure wird zerlegt.“ Das Kalziumkarbonat setzt dabei Kohlendioxid frei. „Das Gas wirkt zusätzlich als Feuerlöscher.“ Um aber Mineralplastik in einen Schaum zu verwandeln, bedurfte es einer raffinierten Strategie in zwei Schritten: Zuerst wird aus den gewünschten Zutaten ein geschäumtes Hydrogel fabriziert, und das wird danach in einen festen Schaumstoff umgewandelt.

Als Problem erwies sich, dass das spezielle Hydrogel der Konstanzer Chemiker zäh war wie ein Kaugummi. Eine so viskose Substanz aufzuschäumen, forderte die Forscher heraus. Das sei „wie Luft in einen Kaugummi zu blasen“, sagt Cölfen. „Also mussten wir einen Weg finden, das System so zu verändern, dass wir Luft hineinmischen und es danach wieder verfestigen können.“

Die Forscher mischten Polyacrylsäure mit Kalziumchlorid, Salzsäure und einem Zuckertensid. Anschließend bliesen sie Luft in die Lösung, was das Gemisch aufschäumen ließ. Das Zwischenprodukt wurde dann mit Ammoniakwasser in einen Gel-Schaum verwandelt, mit Alkohol getrocknet und ausgehärtet. Der getrocknete Schaum ist feuerfest und recyclierbar: Er lässt sich leicht in Säure auflösen und wiederverwenden.

Doch das Ziel ist noch nicht ganz erreicht, bekennt die Stuttgarter Wissenschaftlerin. „Bisher können wir nur briefmarkengroße Stücke herstellen, aber noch keine großen Platten.“ Um das zu ändern, versucht das Team derzeit, den Stoff bereits während des Schäumens zu einem gewissen Grad zu verfestigen. „Der Schaum muss zumindest so lange stabil sein, wie dieser Prozess dauert“, sagt Cosima Stubenrauch. Außerdem muss er während des Verfestigens seine Struktur beibehalten – und das ist den Wissenschaftlern bisher nicht gelungen.

Doch auch das Teilergebnis weckt bereits Interesse. Sebastijan Kovacic, Polymerforscher am Nationalen Institut für Chemie in Slowenien, ist davon beeindruckt. „Obwohl der Weg zur praktischen Anwendung solcher Schäume zur Gebäudeisolierung noch weit ist, sehen wir jetzt wenigstens, wie in diesem Gebiet das Material der Zukunft aussehen könnte“, meint er.

Tatsächlich lassen sich auch Metalle und Holz zu Schäumen aufschlagen. Ähnlich wie Wasserschaum entsteht Metallschaum, indem gasförmige Bläschen in flüssiges Metall getrieben werden. Der Materialforscher John Banhart von der Technischen Universität Berlin ist ein Spezialist für die Herstellung solcher Stoffe. Dafür mischt der Forscher Aluminium-Pulver mit einem ebenfalls pulvrigen Treibmittel, das Wasserstoff enthält.

Die Pulvermischung wird zusammengepresst und erhitzt, das Aluminium schmilzt bei vergleichsweise niedrigen 660 Grad Celsius. Das setzt Wasserstoff frei, und die eingebetteten Pulverkörnchen lassen das Ganze ähnlich wie bei Backpulver aufschäumen. „Danach erstarrt der Schaum, die Bläschen platzen und wachsen zu größeren zusammen“, erklärt Banhart.

Das Verfahren liefert extrem leichte und poröse, aber dennoch ziemlich feste Materialien. Eingesetzt werden sie etwa zur Wärmeisolation oder zum Dämpfen von Schwingungen. Auch Motoren in Elektrofahrzeugen lassen sich im Prinzip in Metallschaum verpacken, berichtet Banhart, um sie vor eindringenden Gegenständen zu schützen, die einen Kurzschluss und damit eine Explosion auslösen könnten.

Für Panzerungen benutzen die Forscher sogenannte Verbundmetallschäume. Dafür werden Hohlkugeln aus Stahl in Schäume aus Aluminium eingebettet. Gegenüber üblichen Metallschäumen sind solche Stoffe leichter, bis zu sechsmal so fest und können das Siebenfache an Energie absorbieren. An der North Carolina State University in den USA konnte 2016 ein 2,5 Zentimeter dicker, mehrschichtiger Verbundmetallschaum, verstärkt mit Kevlar und Keramik, sogar Projektile eines M2-Panzers abfangen. Kein Wunder, dass das Militär Interesse an solchen Schutzschichten hat.

Mahlen, aufschwemmen, härten

Und wie lässt sich Holz schäumen? Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, könnte also erdölbasierte Rohstoffe oder Beton ersetzen, etwa für Wärmedämmungen oder im Leichtbau. In Verpackungen eingesetzter Holzschaum ließe sich sogar umweltfreundlich über das Altpapier entsorgen.

Um Holz in Schaum zu verwandeln, wird das feste Material zunächst zermahlen und mit Wasser zu einer Suspension mit den Holzfasern aufgeschwemmt. Dieser zähflüssige Brei lässt sich mit einem Treibmittelgas wie Kohlendioxid aufschäumen und anschließend in einem Trockenschrank zu einer festen Schaummasse aushärten. Doch es gelingt auch ohne Treibmittel, die Suspension schaumig zu bekommen – durch kräftiges Rühren. Diese Verfahren, entwickelt von Forschern am Braunschweiger Fraunhofer-Institut für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI), funktionieren ohne giftige Klebstoffe – die holzeigenen Bindekräfte reichen aus für die Stabilität.

Wie die WKI-Forscher berichten, ist ihr Holzschaum geruchlos, und er lässt sich auf einfache Weise sägen, fräsen und feilen – ohne zu fasern. Bei einem Brand passiert nicht viel: Ähnlich wie Naturfaserdämmstoffe glimmt Holzschaum lediglich und erlischt zum Teil von selbst. Anders als etwa Holzfaserplatten ist dieser Holzschaum formstabil und kann daher mit klassischen Plastikschäumen mithalten. Das macht Holzschaum attraktiv für Dämmplatten, als Alternative zu Styropor sowie für Verpackungen.

Derzeit entwickeln die WKI-Forscher Holzschaum für Deckschichten aus Textilbeton. Auch in den Außenwänden energieeffizienter Gebäude soll er einmal Platz finden, zur Wärme- und Schalldämmung. Die Fraunhofer-Experten hoffen, dass sich schon in wenigen Jahren Produkte aus Holzschaum im großen Maßstab industriell fertigen lassen. Gemischt mit Metallschaum könnten Holz-Metall-Schäume in Fahrzeugen als AkustikDämmmatten und Bodenplatten liegen.

Schäume auf der ISS

Flüssige Schäume wurden bereits im Weltall getestet. So hat die Europäische Raumfahrtorganisation ESA im Columbus-Modul der Internationalen Raumstation ISS damit im Erdorbit experimentiert. Dort wirkt keine Gravitation, die die Schaumflüssigkeit nach unten zerren könnte. Ein Schaum in der Schwerelosigkeit des Weltalls ist deshalb stabiler und lässt sich auch viel länger beobachten, als es in einem Labor auf der Erde möglich wäre.

Wie die Experimente im „Fluid Science Laboratory“ auf der Raumstation im April 2020 zeigten, lassen sich im Weltall manche Flüssigkeiten schäumen, bei denen das auf der Erde nicht gelingt. Im Experiment waren kleine Patronen mit einer Mixtur aus Seife und Wasser gefüllt und dann von schnell hin und her flitzenden Kolben aufgeschäumt worden. Die schwerelosen Schäume ließen sich mehr als vier Tage lang beobachten, was unter Schwerkraft nur für wenige Minuten möglich gewesen wäre – Schwerelosigkeit als 5000-fache Zeitlupe. Hochgeschwindigkeitskameras und Laseroptik protokollierten die Abläufe. Die Versuche zeigten: Die Blasen vergrößerten sich extrem langsam und verschmolzen schließlich miteinander. Wenn nur noch fünf Blasen übrig waren, wurden die Experimente gestoppt – denn das waren dann Seifenblasen und kein Schaum mehr.

Die ESA-Forscher hoffen, mit solchen Weltraum-Experimenten besser zu verstehen, wie Schäume funktionieren und sich auflösen. Und vielleicht kann die Chemikerin Cosima Stubenrauch ihren Reinigungsschaum künftig nicht nur an Prachtkutschen, sondern auch auf der ISS ausprobieren. Die Internationale Raumstation müsste dringend mal wieder geputzt werden.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…