Grips im Gefüge

Damit agieren sie als Sensoren, Schalter, Druckköpfe oder Ventile – etwa im Auto oder in Medizingeräten. In einigen Jahren sollen smarte Werkstoffe Flugzeugtriebwerke kühlen oder mit flexiblen Flügeln den Luftwiderstand reduzieren. „Die Kunst ist es, die Funktion in den Werkstoff selbst zu verlegen“, erklärt Fraunhofer-Forscher Holger Böse. Das klingt harmlos, bedeutet aber in der Konsequenz eine Revolution für die Art und Weise, wie Ingenieure über Maschinen nachdenken.

Anpassungsfähig und flexibel

Die stoffliche Basis könnten weiche Silikone sein, aber auch flüssige Suspensionen mit fein verteilten Eisenteilchen, biegsame Legierungen mit Formgedächtnis oder extrem harte Keramiken. Sie alle lassen sich so gestalten, dass sie „adaptiv und responsiv“ – also fähig zur Anpassung und Reaktion auf äußere Einflüsse –, bisweilen auch flexibel auf ihre Umwelt reagieren können.

Böse und sein Team entwickeln Werkstoffe, die flüssig oder elastisch sind. Sie lassen sich mit elektrischen und magnetischen Feldern so beeinflussen, dass sie wie geplant reagieren. „Das größte Potenzial sehe ich derzeit bei den dielektrischen Elastomeren – elastischen Stoffe, die elektrisch steuerbar sind“, meint der Forscher. Als Polymere lassen sich Elastomere stark verformen und dehnen. Vertraute Dinge wie Kautschuk oder Silikone werden hier auf neue Art genutzt. Dielektrische Elastomere werden aus mehreren Schichten aufgebaut: elektrisch nichtleitende (dielektrische) und leitende Schichten mit Elektroden wechseln sich darin ab.

Verformbares Sandwich

Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, verformt sich das Multi-Sandwich. Es wird dünner und dehnt sich dafür in der Fläche aus. „Das erzeugt eine Bewegung, die etwas verstellen kann, zum Beispiel einen Spiegel“, erklärt Böse. Heute müsse man auch für simple Bewegungen noch einen recht komplexen Elektromotor verwenden. Solche Vorgänge ließen sich viel einfacher mit smarten Materialien erledigen.

Pulsmessung im Pullover

Im Auto könnten diese Werkstoffe kontrollieren, wo Passagiere sitzen – etwa für das Auslösen von Airbags bei einem Unfall. Außerdem könnten sie in Lagerhallen das Inventar überwachen oder, eingelassen in Fußböden, melden, wenn ein Gerät darüber rollt – zur Sicherheit von Roboterfahrzeugen. Eingenäht in Bekleidung könnten die Weichsensoren Körperfunktionen überwachen, etwa Atmung, Puls und Blutdruck.

„Kleidung wird künftig Bedienfunktionen enthalten“, erwartet Böse. „Man drückt am Ärmel auf eine Stelle und steuert damit ein elektronisches Gerät, beispielsweise beim Joggen, das bestimmte Körperfunktionen überwacht.“

Mit dem Sensor-Handschuh demonstrieren die Fraunhofer-Forscher um Holger Böse das Potenzial für die Fernsteuerung. Drei Sensortypen sind in den Handschuh eingebaut, um ferngesteuert verschiedene Funktionen zu steuern: im Daumen ein Drucksensor, der im Kontakt mit einem Finger eine Gerätefunktion aktiviert und steuert, in den Fingern Sensoren zum Aus- und Einschalten von Geräten. Dazu kommen Fingersensoren, die sich gegeneinander verschieben lassen, um auf diese Weise zum Beispiel Lampen oder Lautsprecher zu verstellen oder einen Pfeil auf einem Computerbildschirm zu steuern.

Von Handschuhen mit Sensoren zu aktiven Helfern, den Aktoren, ist es da nicht mehr weit. Sie sollen den Nutzer spüren lassen, dass etwas passiert, wenn er etwas tut – im Fachjargon „haptische Rückmeldung“ genannt. Das System ähnelt einem Kugelschreiber, in dem eine mechanische Feder aktiviert wird, die zurückschnappt. Unter dem Einfluss elektrischer Felder können dielektrische Elastomere kleine Motoren ersetzen – allein durch ihre besonderen Materialeigenschaften.

Das Ziel der Forscher ist es, solche Oberflächen taktil wahrnehmbar zu machen. Autofahrer könnten die ersten Nutzer dieser Technik sein. Beim künftigen autonomen Fahren könnten Fahrer und Beifahrer ganz woanders sitzen als heute und entsprechend andere Bedienfelder um sich haben. Doch die sollten so gestaltet sein, dass der Insasse jederzeit genau weiß, was er auslöst.

Eine Anwendung für die dielektrischen Elastomere sind künstliche Silikongreifer, die multidimensionale Bewegungen erzeugen und sich nach dem Vorbild der menschlichen Hand bewegen können. Holger Böse sieht vor allem künftige Roboter als Einsatz: „Verglichen mit der menschlichen Hand sind heutige Greifwerkzeuge noch ziemlich primitiv. Immerhin:

Oberflächen mit Gefühl

Mit unseren weichen Sensoren können wir bereits Druckkräfte ortsaufgelöst und sehr empfindlich messen“, berichtet der Würzburger Forscher. Das unterscheidet sie von bisherigen Sensoren auf Halbleiterbasis, die viel härter sind. Dielektrische Elastomer-Greifer sind auch einfacher anzusteuern als beispielsweise eine pneumatische Hand, in die Druckluft eingepresst werden muss, damit sie sich bewegt.

Technische Werkstoffe können auch flüssig sein – etwa magnetisch steuerbare Flüssigkeiten, die „magnetorheologischen Fluide“, kurz MR-Flüssigkeiten genannt. Die ölartigen Suspensionen werden zum Beispiel mit Eisenteilchen angereichert. Die Partikel bilden in einem magnetischen Feld winzige magnetische Dipole, die sich gegenseitig anziehen. Dadurch verketten sich die Eisenteilchen und bilden dünne Metallfäden. Das versteift die Flüssigkeit, sie wird „semifest“. „Das ist ein ungewöhnlicher Phasenübergang von flüssig zu etwas fester“, erklärt Böse. „Anders als bei gefrierendem Wasser wechselt die Phase nicht durch Abkühlung, sondern angestoßen durch ein Magnetfeld.“

Stufenlose Steuerung per Magnetfeld

Der Vorteil dieses physikalischen Effekts: Solche Übergänge lassen sich per Magnetfeld stufenlos mit großer Präzision steuern. In mechanischen Systemen erzeugt das geräuschlose und nahezu verzögerungsfreie Bremseffekte. Die smarten Magnet-Flüssigkeiten sind bereits in Brems-, Kupplungs- und Dämpfungssystemen im Einsatz und werden zudem in der Prothetik-Robotik genutzt.

Inzwischen steckt diese Technik auch in Fahrzeugen, etwa in den Stoßdämpfern von Autos. Fährt ein Wagen über eine Bodenwelle, nimmt innerhalb von Millisekunden die Dämpfung in der Flüssigkeit zu. In Kupplungen sollen die smarten Flüssigkeiten demnächst den Verschleiß senken. Kupplungen bestehen normalerweise aus zwei Scheiben, die für den Schaltvorgang zusammengedrückt werden und dabei ein Drehmoment übertragen. Doch durch die Berührung verschleißen sie unweigerlich. Intelligenter ist es, per magnetisch steuerbarer Flüssigkeit zu kuppeln. Erst wenn sich die magnetisierbare Flüssigkeit zwischen den Kupplungsscheiben versteift, wird ein Drehmoment übertragen – und das Getriebe schaltet. Der Vorteil: Da der Kontakt nur indirekt über die Flüssigkeit stattfindet, geschieht das verschleißarm. Die Kupplungsscheiben selbst berühren sich nicht.

Knieprothese mit Mikroprozessoren

Magnetorheologische Fluide werden derzeit auch für neuartige Prothesen entwickelt. Erhältlich sind bereits Knie- und Beinprothesen mit Stoßdämpfern – beispielsweise eine mikroprozessorgesteuerte Knieprothese, die mit einer App und einem MR-Rotationsdämpfer ausgestattet ist. Ein solches Implantat reagiert auf Bewegungen vergleichbar wie das menschliche neurologische System.

Auch Forscher in Spanien, Südkorea und Ecuador entwickeln Bein- oder Knieprothesen mit MR-Stoßdämpfern. Ingenieure der Inha University in Südkorea berichten, dass sie besonders fein justierbar seien und besonders schnell reagierten. So ein Flüssigkeitsdämpfer puffert die Stöße, die ein Patient mit Prothesen beim Springen erlebt, beinahe in Echtzeit ab.

Menschen mit amputiertem Unterschenkel entwickeln mit konventionellen Prothesen unweigerlich einen hinkenden Gang. Bisherige Gehhilfen sind nicht beweglich genug und reagieren zu langsam, um das zu verhindern. Für Patienten, die oberhalb des Knies amputiert sind, sollen demnächst robotische Beinprothesen mit smarten Stoßdämpfern erhältlich sein. Bei ihnen befindet sich im Kniegelenk ein Elektromotor und eine selbstlernende Steuereinheit, und in der Wade sitzt ein MR-Flüssigkeits-Stoßdämpfer. Diese Kombination sei besonders geeignet, so Jinyuk Park von der Korea University in Seoul, um das Hinken von Menschen mit Beinprothesen auszugleichen oder von vornherein zu vermeiden.

Ingenieure der Espe-Universität in Sangolqui in Ecuador präsentierten 2019 einen ähnlichen Prothesen-Demonstrator. Für die Bewegung von Ferse und Fuß steuert dort ein Mikroprozessor einen elektrischen Gelenk-Aktor sowie einen der neuen MR-Stoßdämpfer. In ersten Tests zeigte sich die Prothese den Anforderungen des menschlichen Gangs gewachsen. Der elektrische Aktuator sorgt dafür, dass stets zuerst die Ferse den Boden berührt. Danach verschluckt der smarte Stoßdämpfer die Wirkung des Aufpralls. Nun gibt der elektrische Aktuator den Impuls, der den nächsten Schritt ausführt. Die Forscher aus Ecuador berichten, dass Patienten mit der Versuchsprothese einen harmonischen und funktionalen Gang erworben hätten – eine natürliche Bewegung.

Schutz für Brücken im Wind

In Fahrzeugmotoren und Waschmaschinen reduzieren magnetorheologische Stoßdämpfer bereits störende Schwingungen. In manchen erdbebengefährdeten Gebäuden sind sie ebenfalls installiert. Auch Brücken müssen geschützt werden, wenn Wind sie zu Schwingungen anregt. In der Nähe der Gemeinde Kampen in den Niederlanden überspannt die Eilandbrücke die Ijssel, den nördlichsten Mündungsarm des Rheins in die Nordsee. Diese Schrägseilbrücke wird von einem MR-Fluiddämpfer stabilisiert, angebracht am längsten der Kabel, die vom mächtigen Zentralpfeiler aus das Bauwerks zusammenhalten. Gleiches gilt für die große Dongting-Seebrücke in der chinesischen Provinz Hunan.

Kommunikative Werkstoffe

Hart und heiß geht es in den Labors von Jochen Schneider zu. In kleinen Hochtemperatur-Öfen erhitzt der Werkstoff-Ingenieur von der RWTH Aachen kleine Bauteile auf bis zu 1100 Grad Celsius. Die Werkstoffe sind zwar das schiere Gegenteil weicher Elastomere oder Flüssigkeiten, aber ebenso smart. Für Werkstoffe revolutionär: Die Materialien sollen miteinander über ihren Zustand kommunizieren und sich notfalls auch selbst heilen. Sie könnten künftig in Hochtemperaturanwendungen sitzen, zum Beispiel in Triebwerken von Düsenflugzeugen.

Schneider will von außen messen, was etwa im Inneren einer Flugzeugturbine während des Betriebs genau passiert. Das ist wichtig für die Sicherheit und Wartung beschichteter Komponenten. „Dafür muss man aber wissen, wie sich das Material in einer aggressiven Umgebung verhält, wie schnell es oxidiert – und das mit Brenngasen und Sauerstoff bei Temperaturen um 1100 Grad Celsius“, sagt der Ingenieurwissenschaftler. Bislang geschieht das mithilfe von Messfühlern, die in der Umgebung der Triebwerksteile angebracht sind.

Ein Gespür fürs Oxidieren

Jochen Schneider und sein Team entwickeln derzeit das Konzept eines autonomen Materials, das seinen individuellen Zustand von selbst mitteilt. „Wir brauchen dafür keine extra Sensoren im Triebwerk – als Sensor dient der unmodifizierte Werkstoff selbst.“ Es geht um die Beschichtung, die gerade mal einige Mikrometer dick ist. Wenn diese Schicht oxidiert, also langsam verbrennt, dann sinkt ihr elektrischer Widerstand, weil das verbrannte Material selbst nicht mehr den Strom leitet. Der Strom muss jetzt durch einen viel kleineren Querschnitt fließen. Diese Widerstandsänderung lässt sich messen. „Wir suchen natürlich nach Signalen, die auf Oxidation besonders empfindlich reagieren“, erklärt Schneider.

Die Aachener Ingenieure nutzen die Widerstandsänderung der hauchdünnen Beschichtung, um die Lebensdauer der Komponenten abzuschätzen. Doch da die Oxidation jeweils unterschiedlich verlaufen kann, seien die Vorhersagen bislang noch ungenau. Die kritischen Fragen lauten: Wie lange hält das Teil im Betrieb noch durch? Wann muss es ausgetauscht werden? „Ziel ist es, die Werkstoffe bis knapp an das Ende ihrer Lebensdauer zu nutzen und nicht zu früh auszutauschen“, sagt Schneider. Bisher ist es üblich, auch funktionstüchtige Teile sicherheitshalber früh auszutauschen. „Wenn von 100 Teilen mal eines früher ausfällt, dann werden alle übrigen 99 ebenfalls früher ausgewechselt.“

Werkstoff mit Meldefunktion

„Das ist wenig nachhaltig“, betont der Werkstoffexperte. Als Beispiel nennt er die Halterung in der Turbinenschaufel eines Triebwerks. „Sie überträgt die Schubkraft auf den Flieger, das muss wirklich halten.“ Dieses Werkstück wird aus einem teuren Hochtemperaturwerkstoff gefertigt, einer Legierung aus Titan und Aluminium. Als Hochtemperaturbeschichtung dient ein dünner Film aus Titannitrid. Sobald diese Schicht durch Oxidation dünner wird, sinkt ihr Widerstand. „Wir suchen nach Materialien, bei denen sich dieses Signal besonders drastisch ändert“, sagt Jochen Schneider. Das wäre dann ein Werkstoff, der seinen Zustand autonom mitteilt. „Ich würde mich freuen, wenn sich ein Werkstoff bei mir melden und sagen würde: Gerade ist eine Phasenumwandlung passiert. Ich habe noch 50 Prozent der Schichtdicke, und ich kann noch acht Stunden durchhalten“, sagt der Werkstoff-Ingenieur.

Selbstheilender Asphalt

Neben der Selbstüberwachung sollen sich smarte Werkstoffe künftig selbst heilen können. Meist beginnt der Schaden mit einem kleinen Riss. Der wächst dann, bis es womöglich zum Bruch kommt. Selbstheilung ist schon seit vielen Jahren ein Thema in der Materialwissenschaft – etwa im Straßenbau. Werkstoffforscher experimentieren zum Beispiel mit selbstheilendem Asphalt.

Erik Schlangen von der niederländischen Technischen Universität Delft ist Professor für Experimentelle Mikromechanik. Seit einigen Jahren testet er auf einem 400 Meter langen Autobahnabschnitt einen solchen Fahrbahnbelag. Der smarte Asphalt ist ziemlich porös. Das macht ihn sehr leise und durchlässig für Regenwasser – Spritzfontänen bleiben aus. Doch der löcherige Belag bröckelt leicht, die in den Teer eingebetteten Steinchen lösen sich und werden hochgeschleudert.

Für die Selbstheilung haben Schangen und sein Team den Asphalt mit Eisenspänen angereichert. Zur Heilung der Risse fahren sie mit großen Radiofrequenz-Spulen, die an der Unterseite eines Lkw montiert sind, über die Teststrecke. Die Eisenspäne absorbieren die Strahlungsenergie und erhitzen den Teer ähnlich wie in einem Mikrowellenofen. Der Teer erwärmt sich, wird zähflüssig und schließt auf diese Weise die beschädigten Stellen – der Fahrbahnbelag heilt. Die Ergebnisse der bisherigen Testphasen ermutigen Erik Schangen. „Wenn wir alle vier Jahre den Asphalt heilen, verdoppelt das die Lebensdauer der Straße“, sagt der Ingenieur.

Vorbild Fahrradschlauch

Selbstheilung gibt es bereits bei Fahrradschläuchen. Bei einem Platten tritt eine sogenannte Dichtmilch aus, die im Kontakt mit Sauerstoff das Loch verschließt. Das funktioniert bereits bei kleinen Löchern und dauert nur wenige Sekunden. „Bei Kunststoffen ist man in dieser Hinsicht schon weit“, berichtet Materialwissenschaftler Jochen Schneider. „Die Selbstreparatur braucht dort nur sehr wenig Energie. Da reicht die Umgebungstemperatur.“

Nickel und Alu ersetzen den Ofen

Bei metallischen Verbindungen ist das anders. An der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich entwickelt Ralph Spolenak selbstheilende Metallfilme. Im Institut für Metallforschung will er Schäden auf Mikrochips per „Heilung auf Wunsch“ reparieren. „Gewöhnlich braucht es bei Metallen einen ganzen Ofen, um die Selbstheilung zu stimulieren“, sagt der Metallurg. Für die temperaturempfindliche Mikroelektronik auf einem Chip sei das allerdings keine Option. Als Energiequelle auf den Chips nutzt Spolenak hauchdünne Mehrfachschichten aus den Metallen Nickel und Aluminium.

Über eine Festkörperreaktion kann in solchen Sandwichstrukturen Wärme freigesetzt werden – sozusagen Selbstheilung auf Befehl. So werden Risse auf einem Mikrochip in den dünnen Filmen aus Gold und Kupfer wieder geschlossen. Der Vorgang werde auf dem Mikrochip bei Raumtemperatur über einen winzigen Stromstoß aktiviert.

Wie die Züricher Forscher um Spolenak gezeigt haben, verläuft der Heilprozess dann in Sekundenbruchteilen. Das Ganze benötigt keine Energiezufuhr von außen. Risse von einem halben Mikrometer Breite schließen sich innerhalb einer Millisekunde. „Das eröffnet eine neue Flexibilität, um einen Systemausfall zu verhindern – von schwer zugänglichen medizinischen Implantaten bis zu Instrumenten auf Satelliten“, meint Spolenak.

Smarte Technik im Triebwerk

Von Selbstheilung seiner Werkstoffe bei Raumtemperatur kann Jochen Schneider nur träumen. „Wir haben es mit Keramiken zu tun, da ist die Aktivierungsenergie gigantisch“, sagt er. „Das muss bei über 800 Grad Celsius funktionieren, auch in einer aggressiven Umgebung, wie sie etwa in einem Flugzeugtriebwerk herrscht.“ Als smarten Werkstoff nutzen die Forscher an der RWTH Aachen die keramische Verbindung Chromaluminiumkarbid.

Sobald sich in dem Hochtemperaturwerkstoff bei 1100 Grad Celsius ein Riss bildet, tritt die Legierung in Aktion. Das in dem Karbid enthaltene Aluminium diffundiert in die winzige Kerbe hinein und oxidiert dort. Sofort bildet sich dann in dem Riss eine dicke Schicht aus Aluminiumoxid, die ihn verschließt. Das führt zu einer Selbstheilung der beschädigten Keramik. „Das Aluminiumoxid haftet gut an den Innenwänden des Risses. Deshalb funktioniert dieser Effekt“, erklärt Schneider.

Der Werkstoff mahnt zur Wartung

Allerdings: Mit lediglich 25 Prozent Aluminiumanteil im Karbid ist das Reservoir für die eigenständige Heilung des Materials begrenzt, sagt der Aachener Forscher. Immerhin reiche es für einige Male Selbstreparatur. Der Werkstoff muss nur noch seinen Zustand nach außen signalisieren, damit die Piloten wissen, wann das Aluminium zu Ende geht – und das Flugzeug rechtzeitig vor diesem kritischen Zeitpunkt zur Wartung schicken können.

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