Hybridbauteile GFK-Edelstahl-Rohre auf der Suche nach dem Ursprung des Universums

Mit dem Einstein-Teleskop sollen Gravitationswellen aufgespürt werden. Um Geld zu sparen, nimmt man nun hochvakuumtaugliche Rohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff und ganz wenig Edelstahl.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT fertigte die Rohre aus dem Verbundmaterial von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und Edelstahl für das III. Physikalische Institut B der RWTH Aachen im Rahmen von Forschungsarbeiten für ein Einstein-Teleskop, heißt es dazu. Die Aachener Euregio bewirbt sich übrigens als Standort. Mit so einer Anlage aus hochempfindlichen Detektoren, die durch drei mehr als 10 Kilometer lange, unterirdische Rohre verbunden sind, wollen Physiker Gravitationswellen aufspüren, um neue Erkenntnisse über die Ursprünge des Universums zu gewinnen, so das IPT. Das Hybridrohr wurde für das III. Physikalische Institut B der RWTH Aachen auf einem Ultrahochvakuumprüfstand erfolgreich getestet, wie man nicht ohne Stolz berichtet. Um die langfristige Funktionalität unter den extremen Bedingungen des Einstein-Teleskops nachweisen zu können, sind weitere Tests geplant.

So stellt man gasdichte GFK-Edelstahl-Rohre prozesssicher her:

Die hybriden Rohre, die im Fall des Gravitationswellendetektors bis 300 Metern unter der Erde installiert werden sollen, müssen stabil genug sein und absolut gasdicht. Vor allem gegen Wasserstoff, weil im Inneren während des empfindlichen Experiments ein extremes Vakuum herrscht. Deshalb brauchen sie noch eine innere Funktionsschicht aus Edelstahl, erklären die Forschenden. Bei der Herstellung des Verbundmaterials bearbeitet man deshalb erst die Oberfläche des dünnen Edelstahlrohrs. Das geschieht mit einem Verfahren, dass die Aachener ursprünglich zur Großserienfertigung von Multimaterialkomponenten für die Automobilindustrie entwickelt haben. Mit einem Laser bringen sie dabei gezielt Vertiefungen und Strukturen von 20 bis 40 Mikrometern Tiefe in das Metall ein. Diese erhöhen die Haftung zwischen Edelstahl und GFK. Anschließend umwickeln sie das Stahlrohr mit langen Glasfaserbändern, sogenannten Towpregs, die mit einem zähflüssigen Epoxidharz als Matrixsystem getränkt sind. Sie zeichnen sich vor allem durch ihren günstigen Preis aus, heißt es dazu. Der Wickelprozess selbst laufe voll automatisiert. Er wird mit der am Fraunhofer-IPT entwickelten Prepro-3D-Systemtechnik durchgeführt. Am Ende härtet man die Harzmatrix in den Towpregs am fertig umwickelten Rohr in einem Ofen aus.

Nicht nur die Weltraumforschung kann damit Geld sparen

Und die am IPT entwickelte Prepro-3D-Anlagentechnik ermöglicht es auch, Hybridbauteile in einem Wickelprozess aus faserverstärkten, unidirektionalen Bandmaterialien, sogenannten UD-Tapes herzustellen, merken die Forschenden an. Diese Herstellungsmöglichkeit zeichne sich dadurch aus, dass sie sehr unterschiedliche Materialtypen verarbeiten könne. Die im Vergleich günstigeren Towpregs bieten aber eine Alternative zu den konventionellen UD-Tapes mit thermoplastischer oder duromerer Matrix. UD-Tapes sind aber maßhaltiger, geben die Aachener Spezialisten zu.

Außer den Kostenvorteilen, die man im Vergleich zu rein metallischen Rohren für die Erforschung des Universums genießen kann, könnten auch weitere Bereiche davon profitieren. Die Forschenden denken dabei etwa an die Herstellung medienbeständiger Leichtbaurohre für die Öl- und Gasindustrie oder für die chemische Industrie. Darüber hinaus könnte dieser Prozess auch für die günstigere Herstellung von Drucktanks – etwa für zukünftge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge – von Vorteil sein.

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