Leichtbau Leichter Verbundwerkstoff mit hoher Leitfähigkeit

Ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), der auch dünne Stahlfasern beinhaltet, soll helfen, den Leichtbau von Flugzeugen weiter voranzutreiben. Daran arbeiten Wissenschaftler der Technischen Universität Kaiserslautern. Der neuartige Verbundwerkstoff soll eine hohe Leitfähigkeit aufweisen und damit auch Blitzeinschläge ableiten können.

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Technische Universität Kaiserslautern

Was passiert eigentlich, wenn ein Flugzeug von einem Blitz getroffen wird? Diese Frage wird sich der ein oder andere Passagier schon gestellt haben, wenn er durch dunkle Gewitterwolken fliegt. Dabei befinden sich Fluggäste an Bord bei einem Blitzeinschlag in der Regel in Sicherheit, gilt doch auch hier wie bei einem Auto das Prinzip des Faradayschen Käfigs. Die Elektrizität trifft auf das Flugzeug und wird am Rumpf entlang abgeleitet, ohne dass sie ins Innere tritt. Damit dieses Prinzip in Kraft treten kann, muss eine Grundvoraussetzung gegeben sein: Das Material, auf das der Blitz auftrifft, muss leitfähig sein – so wie es bei Metall der Fall ist.

Nicht nur im Autobau, auch beim Flugzeugbau geht der Trend hin zum Leichtbau. Durch den Einsatz leichterer Materialien, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK), lassen sich erhebliche Spritkosten sparen. Das Problem dabei: die geringe elektrische Leitfähigkeit des Materials. Um Flugzeuge vor Blitzschlägen zu schützen, muss die Industrie weiterhin Kupfer und andere Metalle in den Rumpf der Flugzeuge einbauen – und das geht wieder auf Kosten des Gewichts.

CFK mit Stahlfasern

Damit dies in Zukunft nicht mehr nötig ist, erforschen Sebastian Backe, Doktorand am Lehrstuhl für Werkstoffkunde (WKK) und seine Kollegen an der Technischen Universität Kaiserslautern neuartige Materialien, die sowohl leicht sind als auch die notwendige elektrische Leitfähigkeit mit sich bringen. Diese könnten dann in Flugzeugen verbaut werden. Ein Kupfernetz wäre nicht mehr notwendig, überflüssiges Gewicht könnte eingespart werden.

Am Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) haben Backes Kollegen in den vergangenen Jahren bereits Vorarbeit geleistet und die neuartige Werkstoffvariante produziert. „Sie enthält neben Kohlenstofffasern auch dünne Stahlfasern“, berichtet Backe. „Das Material ist derart aufgebaut, dass die Stahlfasern in den äußeren Lagen des Materials liegen.“ Andere Anordnungen des Metalls und des Kunststoffs hätten sich in Experimenten als weniger geeignet erwiesen.

Prototypmaterial wird getestet

Damit der Verbundwerkstoff später überhaupt Chancen hat, in der Luftfahrt zum Einsatz zukommen, untersucht Backe im Rahmen seiner Promotion dessen Eigenschaften. Dazu ist eine Reihe unterschiedlicher Tests notwendig: Beispielsweise, wie sich die Eigenschaften des Materials in unterschiedlichen klimatischen Bedingungen verändern, wie es um die elektrische Leitfähigkeit bestellt ist, ob das Material rostet oder was passiert, wenn es sich verformt. „Wir entwickeln Prototypmaterial, das hoffentlich später in den Unternehmen zum Einsatz kommt und weiterentwickelt wird“, so Backe. Bis das Material in der Luftfahrtindustrie zum Einsatz kommen könnte, würde es jedoch noch mindestens 15 Jahre dauern.

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