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Schneider produziert „Wunderwerkstoff“

W&L Coating Systems Schneider produziert „Wunderwerkstoff“

Graphen gilt aufgrund seiner Eigenschaften als „Wunderwerkstoff“, der bisher nur unter Labor­bedingungen und nicht 
in großen Mengen hergestellt werden konnte. Eine Maschine der Firma Schneider ändert dies.

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Gunter Schneider (links) und Dr. Michael Liehr vor der etwa drei Meter hohen und acht Tonnen schweren Maschine, mit der Graphen produziert werden kann.

Quelle: Andreas Schmidt

Reichelsheim. Dem Start-up und Tochterunternehmen der Schneider-Gruppe, W&L Coating Systems, ist mit der Entwicklung einer Maschine zur industriellen Produktion von atomar dünnen Lagen aus Graphit ein Meilenstein gelungen. „Graphen ist ein begehrter Werkstoff mit ganz spezifischen Fähigkeiten, der in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden wird“, sagt Gunter Schneider, Geschäftsführer der Schneider-Gruppe. Er sei sehr stolz darauf, was die Physiker von W&L geschaffen hätten.

Graphen besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die wie ein Maschendraht angeordnet sind. Doch was macht Graphen so besonders, dass seine Entdecker Andre Geim und Konstantin Novoselov dafür im Jahr 2010 sogar den Physik-Nobelpreis erhielten? Das erläutert Dr. Michael Liehr, Managing Director von W&L: Das sogenannte zweidimensionale Material sei – gemessen an seiner Dicke – rund 200 Mal so kräftig wie Stahl, dabei aber federleicht. „Wäre es möglich, eine ein Quadratmeter große Hängematte aus Graphen herzustellen, könnte sie eine vier Kilogramm schwere Katze tragen – würde aber selbst weniger wiegen, als ein Barthaar der Katze, also 0,7 Milligramm“, erklärt Liehr.

Und es kommen weitere Eigenschaften hinzu: Graphen ist biegbar, optisch hoch transparent und elektrisch annähernd doppelt so leitfähig wie Kupfer. So hat etwa der Computerriese IBM bereits einen Transistor aus Graphen gebaut, einen elektronischen Schalter, der sich 100 Milliarden Mal pro Sekunde an- und ausschalten kann. Mit dieser Schaltfrequenz von 100 Gigahertz ist der Transistor den besten Modellen aus herkömmlichem Silizium um mindestens das Zehnfache überlegen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind etwa intelligente Fensterscheiben, die die Sonneneinstrahlung regulieren, ultradünne Touchscreens, rollbare Leuchtdioden und neue Beschichtungen für Solarzellen. Der „atomare Kaninchendraht“ ist so engmaschig, dass er nicht einmal die kleinsten Gasmoleküle passieren lässt, die wir kennen, das Helium.

Leichte Batterien mit 
hoher Leistungsdichte

Die EU-Kommission bezeichnet Graphen als das „Wundermaterial des 21. Jahrhunderts“ – Experten sind überzeugt, dass Graphen künftig einen großen Einfluss auf Energieversorgung, Transport- und Gesundheitswesen haben wird, etwa bei Biosensoren und in der Krebstherapie. „Graphen wird seinen Einsatz etwa in der Herstellung von gewichtssparenden Batterien mit hoher Leistungsdichte für die Elektromobilität, hocheffizienten Solarzellen sowie erheblich leichteren und damit umweltfreundlicheren Flugzeugen finden“, ist sich Schneider sicher.

Es gab bisher jedoch ein großes Problem: Graphen ist derzeit nur in sehr kleinen Mengen auf dem Markt verfügbar – und sehr teuer. Die Forscher von W&L entwickelten nun eine Maschine für die industrielle Produktion. Der Prototyp, der in Kürze an einen Auftraggeber in Norwegen verschifft wird, basiert auf dem Prinzip der plasmachemischen Gasphasenabscheidung im Vakuum. Das heißt verkürzt dargestellt: In der Maschine wird zunächst ein Vakuum hergestellt und kohlenstoffhaltiges Gas eingeleitet. Durch Hitze, Druck und Energie wird das Graphen synthetisiert und setzt sich auf einer metallischen Oberfläche ab, von der es letztlich entnommen werden kann.

Das „einlagige“ Graphen wird so nicht produziert, „unsere Maschine produziert vertikal wachsendes Graphen von bis zu fünf Lagen – so, wie es der Kunde wollte“, erläutert Liehr. Schneider ist sicher: „Jetzt entstehen Generationen von Entwicklungen, in die dieses Material einfließt.“

Entwicklungsarbeit 
birgt auch hohe Risiken

Bei der Entwicklung stand Liehr mit seinem Team vor den Herausforderungen, Laborbedingungen auf den industriellen Maßstab zu übertragen – denn entsprechend höher seien die Parameter wie Druck und Leistung gewesen. „Die Energiedichte ist eine wesentlich niedrigere als im Labor, wo Graphen auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter hergestellt wurde.“

Herausgekommen ist eine gut drei Meter hohe und acht Tonnen schwere Maschine, die die mikroskopisch kleinen Graphenpartikel herstellt – etwa 50 Kilogramm im Jahr seien mit ihr möglich.

Für Gunter Schneider ist klar: „Mit unserer Entwicklung haben wir die begehrte Technologie geschaffen – genau im Interesse von Schneider, denn wir sind immer daran interessiert, Entwicklungen mit Erfindungshöhe zu schaffen – wir wollen entwickeln, was nicht der Kunde von morgen, sonderen von übermorgen will.“

Diese Entwicklungsarbeit berge ein höheres Risiko, „hat aber den Vorteil, dass sie nicht so leicht zu kopieren ist“, ist Schneider sicher. Das sei – bedingt durch Erfahrungen der eigenen Vita – quasi in den Genen von Schneider verankert. „Da wir kontinuierlich neue Innovationen entwickeln und mit Start-ups kooperieren, liegt uns die Förderung der Gründerszene in Mittelhessen sehr am Herzen“, sagt Schneider. Daran soll auch das geplante Kreativ- und Gründerzentrum im Marburger Lokschuppen partizipieren.

von Andreas Schmidt

Eine Rolle Klebeband und ein ausgeprägter Spieltrieb brachte den Physikern Andre Geim und Konstantin Novoselov den Physik-Nobelpreis 2010 ein: Mit gewöhnlichem Klebefilm stellten die beiden Physiker das dünnste und härteste Material her, das je auf der Erde produziert worden ist. Dieses „Wundermaterial“ namens Graphen hat fast jeder zu Hause: Es steckt milliardenfach übereinandergestapelt in einer Bleistiftmine aus Graphit.

(Foto: Andreas Schmidt)

Die Kunst von Geim und Novoselov bestand darin, eine einzelne Lage Graphen zu isolieren. Dazu lösten sie mit Klebeband dünne Schichten Graphit ab und wiederholten dies so oft, bis nur noch eine Atomschicht übrig blieb. Graphen besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen, die wie ein Maschendraht angeordnet sind.

Alles begann als Spielerei. An der Universität von Manchester verbrachten die Forscher einen kleinen Teil ihrer Arbeitszeit mit „verrückten“ Experimenten. So sei auch die Idee entstanden, einzelne Atomlagen aus einer Graphitschicht per Klebeband herauszulösen. „Wir haben einfach immer weitergemacht, bis wir irgendwann eine einzelne Schicht entdeckten: Graphen“, schilderte Geim.

von unserer Agentur

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