Nanotechnologie gegen Gigagefahren 16.11.2017, 07:49 Uhr

Dieses intelligente Papier soll Lecks in Rohrleitungen aufspüren

Rohrleitungen sind die Lebensadern des modernen Lebens, sie bringen Gas zu den Menschen ebenso wie sie Abwasser wegbringen. Doch Lecks können zu gefährlichen Ausfällen führen. Zwei neue Forschungsprojekte zeigen nun bezahlbare Lösungsansätze auf.

Anthony Dichiara, Professor an der University of Washington, hält ein intelligentes Stück Papier in seinen Händen.

Anthony Dichiara, Professor an der University of Washington, hält ein intelligentes Stück Papier in seinen Händen.

Foto: Mark Stone/University of Washington

Seit Hunderten von Jahren gelingt es den Menschen, Wasser in Leitungen und Rohre zu bannen. Sei es in Städten oder in Fabriken, viele alltägliche Verrichtungen und technische Machbarkeiten hängen davon ab. Dabei ist es eine seit jeher fatale Panne, wenn es zu einem Leck in einer Rohrverbindung kommt. 

Die USA haben die jährlichen Schäden aufgrund von beschädigten Rohrleitungen in ihrem Land einmal ausgerechnet: Etwa 2,8 Milliarden US-Dollar kosten die öffentliche Wasserversorgung die veranschlagten 250.000 jährlichen Rohrbrüche. Motivation genug, um ständig nach Frühwarnsystemen zu forschen, die einfach funktionieren, preisgünstig sind und flächendeckend eingesetzt werden können. Die neueste Technologie, die ein Team der Universität Washington derzeit erprobt, besteht aus intelligentem Papier.

Nanotechnologie als Leckindikator

Der Assistenzprofessor für Bioressourcenwissenschaft und –technik an der Uni Washington, Anthony Dichiara, ließ sich vom hohen Preis der bisherigen Warntechnologien motivieren. Denn Papier ist zunächst einfach und preisgünstig herstellbar. 2Das hat mit dazu geführt, diese Arbeit zu verfolgen“, so Dichiara.

Doch wie wird normales Papier intelligent? Das Grundprodukt der Papiergewinnung an der Universität Washington waren getrocknete Zellstoffplatten aus Nadelhölzern. Mit Wasser gemischt entsteht eine gleichmäßige und schlammartige Substanz. Damit sie die später zuzusetzenden Stoffe noch besser zu binden vermag, wird die Substanz in mehreren Schritten weiter präpariert. Die beigemischten schwarzen Nanopartikel geben dem Ganzen eine schmutzig dunkle Farbe. Doch das ist nicht entscheidend, wichtig ist die so entstandene Leitfähigkeit im fertigen Papier.

Ein Zufallstropfen weist den Weg

Smart Paper

Smart Paper

Foto: Mark Stone/University of Washington

Wie so oft bei Forschung und Erfindung – eine Panne brachte den Versuch mit leitfähigem Papier in eine neue Richtung. Ursprünglich ging es um ein Zelluloseprodukt, das elektrische Leitfähigkeit haben sollte. Durch eine angeschlossene kleine LED-Lampe wurde die Fähigkeit des Papiers, den Strom weiterzuleiten, eindrucksvoll nachgewiesen.

Doch dann fielen aus Versehen Wassertröpfchen auf das leitende Papier und das Lämpchen erlosch. Aus der Enttäuschung ob der vermeintlichen Störung erwuchs schließlich ein Aha-Erlebnis: Unser Papier reagiert ja sensitiv auf Wasser!

Was Nanotechnik in Papier bewirkt

Doch wie kommt es dazu? Die beigefügten Nanoteilchen bestehen aus dem besonders leitfähigen Kohlenstoff. Die faserigen Zellen des Papiers quellen bei Wasserkontakt auf und erreichen das Dreifache ihrer ursprünglichen Größe. Die Nanopartikel, die bis dahin den Strom leiten konnten, werden dadurch einfach verdrängt.

Dass dieses ‘Pannenpapier‘ nun eventuell großtechnisch als Wasserwarner eingesetzt werden kann, liegt an drei Dingen: Erstens lösen bereits kleinste Wassermengen den nutzbaren Effekt der Stromunterbrechung aus. Zweitens kann das intelligente Papier relativ einfach bei der normalen Papierherstellung gewonnen und mit der Nanotechnologie veredelt werden. Es ist somit kostengünstig. Und drittens ist die entstandene Stromunterbrechung reversibel, das Papier ist also nach einem Trocknungsvorgang wieder in der Lage, weiter seiner Wächterfunktion nachzukommen.

Das intelligente Papier lässt sich leicht um Schwachstellen in Leitungen wickeln.

Das intelligente Papier lässt sich leicht um Schwachstellen in Leitungen wickeln.

Foto: Mark Stone/University of Washington

Deutsche Forscher auf ähnlichem Weg

Nanotechnologie zu nutzen, das ist derzeit auch in Deutschland ein Ziel der Forschung. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert dazu ein Projekt der Universität Paderborn im Bereich Werkstofftechnologie. Das Projekt ‘La-NoSe‘ (Nanostrukturierte Metalloxide für Licht aktivierte Niederenergie-Halbleitergassensoren) zielt darauf ab, Leckagen in Gasrohren mittels empfindlichster Sensoren zu entdecken.

Projektleiter Thorsten Wagner vom Paderborner Department für Chemie legt die Messlatte hoch: „Gasspürgeräte müssen schon geringste Konzentrationen von Stoffen wie Methan oder Ethan, die zum Beispiel aus Erdgas- und Biogasrohren entweichen, messen können.“

Ein Projekt der Uni Paderborn in Zusammenarbeit mit der Hermann Sewerin GmbH arbeitet an Gasspürgeräten mit Nano-Sensoren.

Ein Projekt der Uni Paderborn in Zusammenarbeit mit der Hermann Sewerin GmbH arbeitet an Gasspürgeräten mit Nano-Sensoren.

Foto: Hermann Sewerin GmbH

Ist es beim Wasserrohrleck „nur“ der Wasserverlust, besteht bei Gasen die Gefahr der Umweltvergiftung und nicht zuletzt der Brand- und Explosionsgefahr. Die Nano-Sensoren in Gasspürgeräten sind daher so empfindlich, dass sie in der Lage sind, ein einziges Gasmolekül in über einer Million anderer Moleküle zu entdecken. Das Brandrisiko kann so frühzeitig erkannt und idealerweise sogar verhindert werden.

Wie der amerikanische Kollege verweist auch der deutsche Forscher Wagner auf den entscheidenden Aspekt der Produktionskosten: „Für die Industrie ist das ein nicht ganz unerheblicher Faktor.“ Für die Entwicklung steht den Paderbornern ein gewisser Finanzrahmen zur Verfügung: La-NoSe wird im Verbund mit der Hermann Sewerin GmbH produziert und noch bis ins Jahr 2019 mit ca. 900.000 Euro gefördert. 

Der Nanotechnologie gehört die Zukunft

Die Forschungsergebnisse aus Paderborn sollen noch vor Ende des Jahres 2019 in die Produktion einsetzbarer Produkte münden. Und auch in Washington gibt man sich für den zeitnahen Einsatz des Detektorpapiers optimistisch: „Ich glaube, dass das für große Anwendungen durchaus machbar ist“, sagt Dichiara. „Der Preis für Nanomaterialien wird sinken und wir verwenden bereits einen etablierten Papierherstellungsprozess. Sie fügen einfach das hinzu, was wir am richtigen Ort und in der richtigen Zeit entwickelt haben.“ Ein mit intelligentem Papier ummanteltes Rohr wird dann einem Techniker das kleinste Leck melden – sofort und drahtlos.

Diese Geschwindigkeit ist gefragt, wenn jährlich über 25.000 Kilometer neue Rohrleitungen entstehen. Moderne Verlegetechniken wie Pipe Express von Herrenknecht, die den Boden mit bis zu 1,2 Metern pro Minute durchbohren, beschleunigen den Ausbau zusätzlich.

Von ingenieur.de

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