Wie aus Austernschalen ein Leichtbau-Werkstoff für Autos entsteht
Austernschalen statt Chemie: Neuer Magnesiumschaum könnte den nachhaltigen Leichtbau in Fahrzeugen und Flugzeugen verändern.
Aus diesen marinen Rohstoffen besteht der Magnesiumschaum (v.l.): Austernschalen, die zu Pulver gemahlen werden, Calcium und Magnesium.
Foto: Hereon/Rabea Osol
Leichtbau gilt als wichtiger Hebel, um Fahrzeuge sparsamer und ressourcenschonender zu machen. Weniger Gewicht bedeutet meist weniger Energieverbrauch. Das Problem: Viele Leichtbauwerkstoffe benötigen aufwendige Herstellungsverfahren oder kritische Rohstoffe.
Forschende des Helmholtz-Zentrum Hereon gehen nun einen anderen Weg. Sie haben einen Metallschaum entwickelt, der aus marinen Reststoffen entsteht und ohne problematische Zusatzstoffe auskommt. Im Mittelpunkt steht ein Material, das bislang meist im Müll landet: Austernschalen.
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Aus Lebensmittelabfall wird ein Hightech-Werkstoff
Austernschalen fallen weltweit in großen Mengen an. Häufig landen sie auf Deponien oder werden ins Meer zurückgeführt. Das Forschungsteam am Hereon nutzt die Schalen nun als Rohstoff für Magnesiumschaum.
Dazu wird das Schalenmaterial zunächst zu feinem Pulver verarbeitet. Dieses Pulver besteht überwiegend aus Calciumcarbonat, also Kalk. Anschließend mischen die Forschenden das Material in eine flüssige Magnesium-Calcium-Legierung ein.
Unter hohen Temperaturen passiert dann der entscheidende Schritt: Das Calciumcarbonat setzt Kohlendioxid frei. Das entstehende Gas bildet kleine Blasen in der zähflüssigen Metallschmelze. Beim Abkühlen bleiben diese Hohlräume erhalten. So entsteht ein Metallschaum mit gleichmäßiger Porenstruktur.
Der Clou dabei: Für diesen Prozess braucht es keine klassischen chemischen Treibmittel, die oft toxisch oder schwer recycelbar sind.
Warum Metallschäume so interessant sind
Metallschäume gelten seit Jahren als spannende Werkstoffklasse. Sie verbinden geringes Gewicht mit hoher Energieaufnahme. Genau diese Kombination ist etwa im Fahrzeugbau gefragt.
Die vielen eingeschlossenen Poren sorgen dafür, dass sich Stöße und Schwingungen besser abfangen lassen. Deshalb könnten solche Materialien künftig unter anderem hier eingesetzt werden:
- Knautschzonen von Fahrzeugen
- Schutzstrukturen im Schiffbau
- leichte Bauteile in der Luftfahrt
- Sicherheitswesten und Protektoren
- vibrationsdämpfende Konstruktionen
Magnesium eignet sich dafür besonders gut. Das Metall gehört zu den leichtesten Konstruktionswerkstoffen überhaupt. Gleichzeitig lässt es sich gut recyceln.
Geschlossener Kreislauf statt Sondermüll
Die Forschenden denken das Material nicht nur vom Einsatz her nachhaltig, sondern auch beim Rohstoffkreislauf. Das Austernschalenpulver stammt aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie. Magnesium und Calcium können wiederum als Nebenprodukte bei der Meerwasserentsalzung entstehen. Damit basiert der Werkstoff nahezu vollständig auf marinen Rohstoffen.
„Nach Lebensende könnte der Werkstoff ins Meer zurückgeführt werden. Er würde sich im Wasser einfach auflösen“, sagt Dr. Hajo Dieringa, Materialwissenschaftler am Hereon und Mitautor der Studie.
Im Labor testete das Team diesen Ansatz bereits mit künstlichem Meerwasser. Parallel untersuchten Fachleute aus der Umweltchemie, ob dabei problematische Stoffe freigesetzt werden könnten.
Laut den Analysen fanden sich keine Hinweise auf toxikologisch relevante Belastungen durch Verunreinigungen in den eingesetzten Rohstoffen. Trotzdem sehen die Forschenden das Einschmelzen als den realistischeren Weg. „In einem echten geschlossenen Recyclingkreislauf wird das Material aber eher eingeschmolzen und als neue Magnesiumlegierung wiederverwendet“, sagt Dieringa.
Noch steht die Forschung am Anfang
Die Studie zeigt vor allem, dass sich natürliche Rohstoffe grundsätzlich als Treibmittel für Metallschäume eignen. Bis zur industriellen Großserie ist es allerdings noch ein weiter Weg.
Denn Metallschäume gelten in der Fertigung als anspruchsvoll. Schon kleine Änderungen bei Temperatur oder Zusammensetzung beeinflussen die Porenstruktur stark. Genau daran arbeitet das Forschungsteam nun weiter.
Geplant sind Versuche mit anderen Legierungen sowie mit recycelten Kohlenstofffasern. Diese könnten die Schmelze stabilisieren und die Schaumbildung besser kontrollierbar machen.
Das Ziel ist klar: ein leichter Werkstoff mit möglichst reproduzierbaren Eigenschaften und geringem ökologischen Fußabdruck. Gerade für Branchen wie Fahrzeugbau, Luftfahrt oder Schiffstechnik könnte das interessant werden. Denn dort steigt der Druck, Materialien nicht nur leichter, sondern auch nachhaltiger zu machen.
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