Nachhaltiger Leichtbau mit Magnesium und Muschelkalk

Forschende vom Helmholtz-Zentrum Hereon haben erstmals einen Magnesiumschaum hergestellt, der ausschließlich aus natürlichen, marinen Rohstoffen besteht. Für die Produktion sind keine toxischen Zusatzstoffe nötig.

Als Treibmittel dient gemahlenes Austernschalenpulver aus der Lebensmittelindustrie. Der Schaum ist vielseitig im Fahrzeugbau einsetzbar und kann vollständig recycelt werden. Die Forschenden haben ihre Innovation kürzlich im Fachjournal Discover Materials vorgestellt.

Abfallprodukt wird nachhaltige Ressource

Austernschalen fallen weltweit in großen Mengen als Abfallprodukt der Lebensmittelindustrie an. Bislang werden sie meist deponiert oder in Gewässern entsorgt. Forschende des Hereon-Instituts für Material- und Prozessdesign haben nun eine Möglichkeit gefunden, die Schalen als nachhaltige Ressource zu verarbeiten.

Das Team hat Austernschalenpulver mittels eines Schmelzofens in eine Magnesium-Calcium-Legierung eingerührt. Da die Schalen überwiegend aus Calciumcarbonat (Kalk) bestehen, reagiert das Pulver unter hohen Temperaturen zu Kohlendioxid. Das Gas bildet Blasen, die in der dickflüssigen Schmelze bestehen bleiben und damit den Schaum formen.

Nach dem Abkühlen und Aushärten entsteht ein Metallschaum mit einer homogenen Porenstruktur. Das entstandene CO₂ verbleibt in diesen Poren. Das Besondere am neuen Werkstoff: Er ist nachhaltig produziert, vollständig recycelbar, ultraleicht und für verschiedenste Anwendungen geeignet.

Geschlossener Recyclingkreislauf

Das Materialkonzept unterstützt eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft. Alle verwendeten Rohstoffe können aus dem Meer gewonnen werden: Das Muschelschalenpulver stammt von Austern, die für die Lebensmittelindustrie aus dem Meer geerntet wurden, Magnesium und Calcium bleiben als Nebenprodukte bei der Meerwasserentsalzung zurück. "Nach Lebensende könnte der Werkstoff ins Meer zurückgeführt werden. Er würde sich im Wasser einfach auflösen", sagt Dr. Hajo Dieringa, Materialwissenschaftler am Hereon und Co-Autor der Studie. Er und seine Kollegen haben dies mit künstlichem Meerwasser im Labor getestet.

Um die Verträglichkeit des Werkstoffes für das marine Ökosystem zu untersuchen, haben die Materialforscher mit Wissenschaftlern vom Hereon-Institut für Umweltchemie des Küstenraumes zusammengearbeitet. Chemische Analysen von Küstenforscher Dr. Daniel Pröfrock zeigen, dass bei der Rückführung des Magnesiumschaums keine schädlichen Einflüsse entstehen würden, beispielsweise durch die Freisetzung von toxikologisch relevanten Metallen die in den eingesetzten Rohstoffen als Verunreinigung enthalten sein könnten. "In einem echten geschlossenen Recyclingkreislauf wird das Material aber eher eingeschmolzen und als neue Magnesiumlegierung wiederverwendet", sagt Dieringa.

Elastizität dank Porenstruktur

Die Porenstruktur verleiht dem Magnesiumschaum einzigartige Eigenschaften. Sie macht das Material sehr formbar und sorgt dafür, dass es viel Energie aufnehmen kann. Dadurch eignet es sich besonders für Leichtbauteile zum Dämpfen von Schwingungen oder Stößen, wie etwa Knautschzonenteile von Fahrzeugen.

"Wir verbinden technologische Leistungsfähigkeit mit ökologischer Verantwortung, auch im Sinne der Rohstoffsicherheit für kritische Metalle wie Magnesium", sagt Dieringa. Er und seine Kollegen planen künftig weitere Aufschäumversuche mit anderen Legierungssystemen und mit der Zugabe von recycelten Kohlenstofffasern, die die Schmelze stabilisieren. So soll die Schaumbildung noch besser kontrolliert und die Porenstruktur optimiert werden.

Zukünftige Einsatzmöglichkeiten sehen die Forschenden auch im Schiffsbau, in der Luftfahrt oder in Schutzkleidung wie Sicherheitswesten oder Protektoren, bei denen geringes Gewicht und hohe Energieaufnahmefähigkeit entscheidend sind.

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon