30 % leichter als Stahl: Schiffe aus Metallschaum sollen fahren, wo andere stranden
Deutschlands Flüsse sind auf einem historischen Tiefstand, die Binnenschifffahrt droht zum Erliegen zu kommen. Das Fraunhofer IWU schlägt eine Lösung vor: Schiffswände aus Aluminiumschaum, die rund 30 % leichter sein sollen als Stahl.
Frachter zwischen freiliegenden Kiesbänken am Rhein: Konventionelle Stahlschiffe müssen bei Niedrigwasser stark abladen. Leichtere Rümpfe sollen künftig mehr Fracht bei gleichem Tiefgang ermöglichen.
Foto: picture alliance/dpa | Jörg Halisch
Am Pegel Kaub, dem Nadelöhr für die Rheinschifffahrt am Mittelrhein, stand das Wasser am Montagmorgen noch 17 cm hoch. Der bisherige Rekordtiefstand aus dem Dürrejahr 2018 lag bei 25 cm. Und der Pegel könnte weiter sinken: Der Bundesverband der Deutschen Binnenschifffahrt erwartet für diese Woche erstmals einen einstelligen Wert. Dann wäre gewerbliche Schifffahrt am Mittelrhein kaum noch möglich.
An Elbe und Donau ist das Bild ähnlich düster. Bund und Länder verlagern deshalb bereits Transporte auf Straße und Schiene, doch Lkw und Züge können Frachtschifftransporte nur zu einem Bruchteil ersetzen.
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz schlägt deshalb vor, an den Schiffen selbst anzusetzen: Wände und Decks sollen nicht mehr aus Stahl bestehen, sondern aus „Sandwichplatten“ aus Aluminiumschaum und Metall. Rund 30 % des Gewichts sollen sich so einsparen lassen. Der Vorteil: Ein leichteres Schiff taucht weniger tief ein. Dadurch kann es bei Niedrigwasser mehr Ladung mitnehmen, während schwerere Konkurrenten abladen oder liegen bleiben müssen. Trägt die Idee?
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Metallschaum: Hergestellt wie ein Kuchenteig
Die Forschenden vergleichen die Herstellung von Aluminiumschaum mit dem Aufschäumen eines Kuchenteigs:
- Einem Aluminiumpulver wird ein Treibmittel wie Titanhydrid beigemischt.
- Beim Erwärmen setzt es Gas frei, meist Wasserstoff.
- Die Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und blähen es auf.
- Nach dem Abkühlen bleibt die poröse Struktur dauerhaft erhalten: ein Metall voller eingeschlossener Poren, mit einer Dichte von deutlich unter 1 g/cm³. Zum Vergleich: Massives Aluminium wiegt rund 2,7 g/cm³, Stahl fast 8 g/cm³.
Sandwich statt Stahl
Für den Schiffbau wird dieser Schaum zum Kern eines Verbunds. Er steckt dann zwischen zwei dünnen Blechen aus Stahl oder Aluminium.
Die außen liegen Bleche sollen Lasten aufnehmen. Der leichte, schubsteife Schaumkern hält sie währenddessen auf konstantem Abstand und sichert so die Biegesteifigkeit der Platte. Laut Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am IWU, stehen die Sandwiches herkömmlichem Schiffbaustahl an Steifigkeit „keineswegs nach“, obwohl sie etwa 30 % weniger wiegen.
Ein Detail dürfte Werften und Recycler gleichermaßen freuen: Beim Schäumen verbindet sich der Schaum von selbst mit den Deckblechen, im sogenannten metallischen Stoffschluss. Klebstoff braucht die Verbundfertigung laut dem Institut daher nicht. Das vereinfacht die Wiederverwertung am Ende des Lebenszyklus, denn sortenreine Metallverbunde lassen sich im Gegensatz zu verklebten relativ unkompliziert einschmelzen.
Vom Werkzeugmaschinenbau ins Wasser
Das IWU entwickelt Aluminiumschaum-Konstruktionen seit Jahren, etwa für Werkzeugmaschinen oder Gehäuse von Traktionsbatterien in E-Autos. Für den neuen Use Case Binnenschifffahrt hat das Institut nun den Praxistest vorbereitet. Bislang existiert der Prototyp eines halben Laderaumbereichs für ein Container-Binnenschiff aus Sandwichplatten von 2 m x 1 m mit Dicken zwischen 14 mm und 28 mm.
Auch die Fertigung im Werftmaßstab haben die Forschenden im Blick. Unlösbare Hürden sehen sie dort nach eigenen Angaben nicht: Die gleichmäßige Porenverteilung sei inzwischen auch bei großvolumigen Bauteilen beherrschbar, die Platten ließen sich in Größen von etwa 2,0 m x 1,5 m vorfertigen und mit gängigen Schweißverfahren wie MAG zu großen Baugruppen fügen. Werften müssten ihre Prozesse also nicht komplett umstellen.
Was könnte das für die Praxis bedeuten? Laut dem IWU ließe sich die Zuladungsfähigkeit bei Niedrigwasser gegenüber dem Nettoschiffsgewicht um bis zu 30 % erhöhen. Oder ein Schiff verträgt bei gleicher Zuladung niedrigere Pegelstände. Beides sind bislang Modellwerte aus der Konstruktion, kein gemessener Flottenbetrieb.
Bleibt die Frage nach den Kosten
Die Sandwiches sind in Material und Prozess teurer als konventionelle Stahlplatten, wie das Institut einräumt. Die Mehrkosten dürften sich aus IWU-Sicht dennoch rechnen, weil Niedrigwasserphasen in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen haben. Belegen lässt sich diese Wirtschaftlichkeitsrechnung jedoch erst, wenn ein Schiff in Sandwich-Bauweise tatsächlich fährt. Konkrete Kostenzahlen nennt das Institut nicht.
Der Bedarf dürfte aber da sein. Weiter vertiefte Fahrrinnen sind ökologisch umstritten, und eine Verlagerung auf die Straße über gelockerte Lkw-Sonntagsfahrverbote können die Kapazität der Schiffe nicht ersetzen. Reedereien setzen deshalb schon heute auf speziell konstruierte Niedrigwasserschiffe wie die „Stolt Ludwigshafen“ von BASF und Stolt Tankers.
Der Aluminiumschaum könnte ein weiterer Baustein für mehr Klimaresilienz in der Logistik sein. In Sommern wie diesem könnte das über Fahren oder Liegenbleiben entscheiden.
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