Forschung

Materialien und Verfahren entwickeln für Leichtbau, Energie und Umweltschutz

Kopfbild Material

Neue Materialien und Technolgien schonen natürliche Ressourcen

Der globale Bedarf an Energie und Rohstoffen steigt rasant, die dafür notwendigen natürlichen Ressourcen sind jedoch begrenzt. Heute und in Zukunft ist es daher besonders wichtig, diese Ressourcen effektiv zu nutzen und gleichzeitig die Umwelt zu schonen

Ein ultraleichtes Fahrzeug aus Magnesium und Polymer-Verbundstoff, betrieben mit nachwachsenden, sauberen Energieträgern und gebaut im energiesparenden Prozess: Das ist die Zukunft des Fahrzeug- und Flugzeugbaus. Noch ist das teilweise Science Fiction, doch die Werkstoffforscher arbeiten daran, dass aus der Fiction Realität werden kann.

Neben dem Engagement im Leichtbau entwickeln die Materialforscher Membranen für den Umweltschutz und untersuchen neue Speichertechnologien für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger.

Schwerpunkte


Neue Werkstoffe für den Leichtbau


Leichtbau mit Magnesium Leichtbau mit Titanaluminiden


Leichtbau mit Magnesium

Magnesium ist um ein Drittel leichter als Aluminium und gleichzeitig vergleichbar stabil. Deshalb kann dieses Metall helfen, Fahrzeuge und Flugzeuge leichter zu bauen und so den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren: 300 Kilogramm weniger Gewicht im Fahrzeug senken den Spritverbrauch auf 100 Kilometern um rund einen Liter.


Technologietransfer

Gisele Amancio

Ansprechpartnerin Technologietransfer

Tel: +49 (0)4152 87-1660
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Neue Werkstoffe für den Leichtbau

Audio: Getunter Werkstoff

Magnesium wird für den Einsatz in Automobilen fit gemacht. Beitrag von Frank Grotelüschen [Deutschlandfunk 21.07.2011] PLAY


Helmholtz Programm

Im Rahmen des Forschungsbereiches “Schlüsseltechnologien” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Funktionale Werkstoffsysteme" mit. mehr

Magnesium1

Mikroskopische Aufnahme einer Magnesiumlegierung.

In Lenkrädern, Armaturen oder im Sitz wird Magnesium heute bereits eingesetzt. Doch wie lassen sich noch effizientere Bauteile und Bleche aus Magnesium fertigen? Was kann man gegen mögliche Korrosion tun? In Geesthacht wird intensiv an den Magnesium-Technologien der Zukunft geforscht. Neue recycelfähige Legierungen entstehen dabei ebenso wie optimierte Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren.
Deutschlandfunk Interview Kainer - Getunter Werkstoff

Mit der institutseigenen Gießwalzanlage (RollMag) lassen sich Magnesiumbleche herstellen und anschließend wissenschaftlich untersuchen. Dadurch rückt der wirtschaftliche Einsatz von Magnesiumblechen näher.

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Steckbrief Institut

Institut Institut für Werkstoffforschung
Abteilungen Magnesiumprozesstechnik: Schmelzmetallurgische Produktion von Magnesiumwerkstoffen. Herstellung von Magnesiumknet- und -gusslegierungen sowie Weiterverarbeitung im schmelz- und teilflüssigen Zustand.

Magnesiumknetlegierungen: Entwicklung wettbewerbsfähiger Legierungen sowie die Anpassung des Prozessdesigns an die neuen Legierungen inklusive der Textureinstellung zur Magnesiumhalbzeugherstellung.

Korrosion und Magnesium-Oberflächentechnik: Entwicklung von korrosionsschützenden Beschichtungen für Magnesiumbauteile.


Leichtbau mit Titanaluminiden

Neue Legierung entwickeln: Eine neuartige metallische Legierung aus Titan und Aluminium (Titanaluminid) wird als Leichtbauwerkstoff in Flugzeugturbinen und Motoren eingesetzt, denn dieser Werkstoff ist extrem hitzebeständig. Leichte Werkstoffe wie das Hightech-Material Titanaluminid bieten einen Wettbewerbsvorteil im Flugzeugbau: Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht bedeutet einen geringeren Treibstoffverbrauch. In Geesthacht wurde nach jahrzehntelanger Forschungsarbeit eine Titanaluminid-Legierung entwickelt, die als Turbinenschaufeln für Triebwerke von Rolls-Royce Deutschland verwendet werden soll.

Michael Oering testet die neue Legierung

Eine neue Legierung wird getestet.

Mehr zu diesem Thema lesen sie im Jahresbericht 2008.

Jahresbericht 2008 (145 KB)

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Steckbrief Institut

Institut Institut für Werkstoffforschung
Abteilungen Pulvertechnologie: Anwendung und Weiterentwicklung des Metallpulver-Spritzgießverfahrens (MIM: Metal Injection Moulding) zur endformnahen Herstellung kleiner, komplex geformter Bauteile. Forschungsschwerpunkt sind dabei spezielle Verfahren zur Verarbeitung von Titanwerkstoffen.

Metallphysik: Entwicklung neuartiger Titanaluminid-Leichtbauwerkstoffe (TiAl) für Hochtemperaturanwendungen in Flugzeugturbinen und Automobilmotoren.

Fügetechnologien für den Leichtbau

Der Rumpf moderner Flugzeuge besteht aus einem Mix aus Aluminium und Faserverbundstrukturen, die oft leichter und langlebiger sind als reine metallische Strukturen.

Herkömmliche Fügeverfahren, wie das Nieten von Blechen sind für die neuen Bauweisen nicht optimal. Sie lassen sich durch spezielle, gewichtreduzierende Schweißverfahren wie dem Laser- oder Reibrührschweißen ersetzen und sind Beispiele für einen erfolgreichen Technologietransfer aus Geesthacht.

Laserschweißen

Die Wissenschaftler am HZG haben neue Verfahren entwickelt und patentiert, mit denen Aluminium-, Magnesium- und faserverstärkte Kunststoffe miteinander verschweißt werden können. Und das ganz ohne Schmelzen, Funkenbildung oder Dämpfe – die Werkstoffe werden durch Reibung fest miteinander verbunden.

Um die mechanischen Eigenschaften hoch belasteter Leichtbaustrukturen präzise vorhersagen zu können, untersuchen die Wissenschaftler in Experimenten und mit Hilfe von Computersimulationen die Grundlagen der Verformung, Schädigung und Bruch von neuen Werkstoffen und deren gefügten Strukturen.


Technologietransfer

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Aktuelles
Neue Technik zum Verbinden von Kunststoff und Metall Friction Spot Joining Reibpunktfügen, FSpJ

Carbon clever mit Metall verbinden: HZG-Wissenschaftler erhält Henry-Granjon-Preis für neues Verfahren mehr


Nieten im Abflug
Neues Verfahren für den Flugzeugbau: Reibrührschweißen

Artikel im Wissenschaftsmagazin Helmholtz-Perspektiven: Fügetechnologien aus Geesthacht


German High Tech Champion
Carbon

Hightech-Gewinner aus Geesthacht: Neue Technik zum Verbinden von Kunststoff und Metall


Helmholtz Programm

Im Rahmen des Forschungsbereiches “Schlüsseltechnologien” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Funktionale Werkstoffsysteme" mit. mehr


Wie sehen neue Schweißverfahren tief im Inneren aus und welchen Spannungen sind sie ausgesetzt? – Dafür nutzen HZG- Forscher Neutronen oder eine besonders intensive Röntgenstrahlung, die so genannte Synchrotronstrahlung. Mikro- und Nanotomografische Aufnahmen ermöglichen so Aussagen über Eigenschaften im Innern von Bauteilen und Werkstoffen.

Von der lokalen Mikrostruktur über die Fügezone bis zum komplexen Prototypen von Bauteilen – die Werkstoffforscher aus Geesthacht schlagen den Bogen von der Grundlage bis zur Anwendung.

Steckbrief Institut

Institut Institut für Werkstoffforschung Startseite
Abteilungen Festphase Fügeprozesse: Rührreibschweißen und verwandte Verfahren gehören zu den Kernkompetenzen, bei denen HZG eine international führende Position einnimmt. Diese Verfahren ermöglichen ein hohes Maß an Freiheit, Materialien sowie Werkstoffe zu modifizieren, zu beschichten, oder gleiche sowie artfremde Werkstoffe zu verbinden, falls andere Prozesse und Verfahren ungeeignet sind.

Fügen und Bewerten: Lasermaterialbearbeitung von metallischen Leichtbauwerkstoffen und deren mechanische sowie metallographische Charakterisierung mit Fokus auf Verbesserung und Optimierung des Schadenstoleranzverhaltens.

Energieträger Wasserstoff - Wenn aus Sonnenlicht beständig fließender Strom wird

Wir müssen Technologien entwickeln, um erneuerbare Quellen wie Sonne und Wind zu beständig verfügbaren Energielieferanten zu machen. Da Sonne- und Windkraft jedoch nicht ständig zur Verfügung stehen, erarbeitet die Wissenschaft Lösungen, um die Energie aus diesen Quellen speichern zu können.

Metallhydride aus Geesthacht

Hydrogen Technology Centre

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht erforschen die Wasserstoff-Speicherung in sogenannten Metallhydriden.

Ein Weg ist, Strom aus diesen Quellen zur Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen, diesen effizient zu speichern und ihn dann kontinuierlich wieder zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen oder Gas-Turbinen zu verwenden. Aber erst wenn es geeignete, raum- und gewichtsparende, energieeffiziente und kostengünstige Speicherkonzepte gibt, wird sich diese saubere Wasserstofftechnologie durchsetzen.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht erforschen die Wasserstoff-Speicherung in sogenannten Metallhydriden, entwickeln Prototypen von entsprechenden Speichertanks und optimieren die Materialien für Anwendungen im mobilen und stationären Bereich.

Im Inneren der von HZG-Wissenschaftlern entwickelten Speicher verbinden sich leichte Metalle, wie zum Beispiel Natrium, Aluminium oder Magnesium und zum Teil gemeinsam mit Nichtmetallen wie Bor oder Stickstoff bei der Reaktion mit Wasserstoff zu sogenannten Leichtmetallhydriden. Das Besondere: An die fein gemahlenen Metallpulver bindet sich der gasförmige Wasserstoff reversibel, das heißt umkehrbar.

Die von den HZG-Wissenschaftlern eingesetzten Presslinge, sogenannte Pellets, aus Metallhydriden speichern dank ihrer speziellen Struktur bei geringem Gewicht und Volumen besonders viel Wasserstoff bei niedrigem Druck und moderaten Temperaturen. Das macht die Tanks leichter und kleiner und bietet entscheidende Vorteile gegenüber der heute verbreiteten Hochdruckspeicherung bei 350 oder 700 bar oder der Flüssigspeicherung bei -253°C. Nicht nur der Tankinhalt, sondern auch das optimale Tankdesign werden in Geesthacht von den Wissenschaftlern entwickelt und Fragen zur Wirtschaftlichkeit der Tanks in verschiedenen Anwendungen erforscht.

Schneller und effektiver: Von 600 runter auf 10 Minuten

Moderne Brennstoffzellen benötigen Speicher mit hohem Speichervermögen, die den Wasserstoff bei passenden Arbeitstemperaturen abgeben. Häufig ist es sehr zeitaufwändig, Leichtmetallhydrid-Wasserstofftanks zu be- und entladen. Doch beim Betanken eines Autos oder bei plötzlichem hohem Wasserstoffangebot, z.B. bei starkem Wind, müssen die Tanks schnell reagieren können.

Hier setzten die Helmholtz-Wissenschaftler an. Ihr Forschungsergebnis: Mithilfe verbesserter Katalysatoren und optimierten Tankdesigns lassen sich die Beladezeiten von mehr als zehn Stunden bei bestimmten Speichermaterialien auf unter zehn Minuten senken. Damit stehen Speicher mit sehr kurzen Ansprechzeiten zur Verfügung, die sich sogar der von der Industrie gewünschten Ladezeit für Automobile annähern.

Preisgünstiger Wasserstoff

Voraussetzung zur Nutzung einer effektiven Speichertechnologie ist es aber, den Wasserstoff erst einmal kostengünstig und nachhaltig zu erzeugen. In Zukunft wird es nicht mehr möglich sein, so wie heute den Wasserstoff aus Erdgas herzustellen, sprich aus fossilen Quellen mit damit verbundener CO2-Produktion. Wege zur Herstellung von kostengünstigem, „grünem“ Wasserstoff sind gesucht.

Daher entwickeln die Geesthachter Wissenschaftler Prozesse, mit denen es kommerziell günstig und einfach möglich sein kann, den Wasserstoff direkt aus Wasser und Sonnenlicht (photokatalytisch) zu erzeugen oder ihn bei der Prozessierung von industriellen Prozessgasen „abzuzweigen“.


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Film: Wasserstoff als Energiespeicher

Helmholtz Programm

Im Rahmen des Forschungsbereiches “Schlüsseltechnologien” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Funktionale Werkstoffsysteme" mit. mehr

Steckbrief Institut

Institut Institut für Werkstoffforschung
Abteilungen Nachhaltige Energietechnik: Direkte solare Wasserstofferzeugung mittels photoinduzierter Wasserspaltung.

Nanotechnologie: Entwicklung Nanostrukturierter Materialien wie etwa Leichtmetallhydride für den Einsatz zur Wasserstoffspeicherung.

Membranen für die Umwelt

Jede biologische Zelle ist von einer Membran als Trennschicht umgeben. Membranen grenzen das Zellinnere schützend von der Umgebung ab und bestimmen mit Hilfe von Poren, ob Flüssigkeiten, Substrate oder Gase in die Zelle hineingelangen oder die Zelle wieder verlassen.

Membranen ziehen

Eine neue Membran entsteht im Labor der Geesthachter Polymerforscher.

Dieses universelle Prinzip der Stofftrennung benutzen die Polymerforscher aus Geesthacht seit mehr als drei Jahrzehnten sehr erfolgreich für die Entwicklung von unterschiedlichen Membranen. Die künstlichen Membranen für die Trenntechnik bestehen aus Polymeren und werden durch Gießen dünner Polymerfilme hergestellt.

Das perfekten Polymer

Wie die Suche nach dem perfekten Polymer verläuft, zeigt die Fotostory aus dem Institut für Polymerforschung:

Sauberes Trinkwasser, Energiegewinnung aus Osmosekraft oder die Benzindampfrückgewinnung – das sind nur einige Beispiele dafür, wie aus Ergebnissen der Grundlagenforschung wirtschaftliche Anwendungen geworden sind. Die HZG-Wissenschaftler betrachten bei ihrer Arbeit die Nanoebene einzelner Polymermoleküle und testen ihre Entwicklungen später in Pilotanlagen hinsichtlich der industriellen Nutzung.


Kürzlich haben die Wissenschaftler des Instituts für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht zusammen mit Partnern eine Möglichkeit gefunden, den Stickoxidgehalt der Abgase von Schiffen mithilfe von Membranen zu reduzieren. Mit den Geesthachter Membranen entstehen bei der Verbrennung im Motor 80 Prozent weniger Stickoxide.

Bei der wissenschaftlichen Arbeit nutzen die Polymerforscher modernste Anlagen und Methoden für die Synthese, Charakterisierung und Verarbeitung von Polymeren sowie die Membranherstellung, Modulentwicklung und Modellierung von Trennprozessen.


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Aktuelles
Hzg-polymer Schmid

Fünffache Leistungssteigerung durch sanfte Behandlung - Neues Verfahren für rekordverdächtige Polymermembranen mehr


Aktuelles
S Fotolia Bierwirm

Abgas von Kohlendioxid befreien: Neues Membranverfahren der Geesthachter Polymerforscher mehr


Helmholtz Programm

Im Rahmen des Forschungsbereiches “Schlüsseltechnologien” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Funktionale Werkstoffsysteme" mit. mehr

Steckbrief Institut

Institut Institut für Polymerforschung
Abteilungen Instrumentelle Strukturanalytik: Morphologische sowie ortsaufgelöste chemische Analyse der im Institut für Polymerforschung sowie von Kooperationspartnern hergestellten Materialien

Materialcharakterisierung und -verarbeitung: Entwicklung und Charakterisierung von nanostrukturierten Materialien für Membrananwendungen sowie Herstellung von Membranen.

Polymersynthese: Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten Polymeren.

Verfahrenstechnik: Ingenieurwissenschaftliche Aspekte der Membrantechnologie. Unsere Kernkompetenzen liegen in der Umsetzung von neuen Flachmembranen zur Gas- und Flüssigkeitstrennung.