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Forscher entwickeln hochfeste schwimmende Titangitter für maritime Anwendung
Forscher haben ein Titangitter für maritime Anwendungen zum Schwimmen gebracht. Das Material ist widerstandsfähiger als herkömmlich dafür genutzte Werkstoffe.
Ein Wissenschaftsteam des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) und des Conservatoire National des Arts et Métieres (CNAM) haben ein schwimmendes Titangitter mit dem 3D-Drucker erstellt. Das Gitter besteht aus Streben, dessen Lücken mit einem Schaumstoff gefüllt sind und dadurch im Wasser Auftrieb gewinnt. Das Titangitter ist weitgehend unempfindlich gegen Meerwasser, hält länger und ist stabiler als Edelstahl und hochdichter Kunststoff, die sonst für Molen, Bojen, schwimmende Sensoren und andere maritime Anwendungen zum Einsatz kommen.
Metallgitter können sehr leicht sein. Ihre Dichte kann weniger als ein Zehntel der Dichte von Wasser betragen. Trotzdem gehen sie im Wasser unter und schwimmen nicht an der Oberfläche. Der Grund: In die Zwischenräume kann Wasser eindringen und das Gitter zum Sinken bringen. Entsprechend gelten die ansonsten sehr stabilen und leichten offenen Metallstrukturen als ungeeignet für maritime Anwendungen.
Um solche hochfesten offenen Titanstrukturen trotzdem schwimmfähig zu machen, haben die australischen Forscher sie mit Polyurethanschaum kombiniert, wie sie in der Studie „Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials“ ausführen, die in Advanced Materials erschienen ist. Winzige versiegelte Zellen im Schaumstoff schließen Gase ein. Sie verhindern, dass die offene Gitterstruktur sinkt.
Um berechnen und vorhersagen zu können, ob eine solche offene Struktur schwimmen kann oder nicht, entwickelten die Wissenschaftler das neue Maß der Skelettdichte. Die Skelettdichte berücksichtigt ausschließlich die wasserfreien Teile der Struktur. Das sind die Titanwände und die mit Schaumstoff gefüllten abgedichteten Kanäle. Bisher wurde bei Dichteberechnungen der gesamte Hohlraum einer Gitterstruktur berücksichtigt, also auch die Räume, die Wasser durchflutet sind und deshalb nicht zum Auftrieb beitragen können. Ist die Skelettdichte geringer als die der umgebenden Flüssigkeit, dann schwimmt die Struktur, selbst wenn die offene Struktur mit Wasser gefüllt ist.
Die Forscher erstellten mittels 3D-Druck ein Probegitter aus Titan, das sie in natürlichem Meerwasser aus der australischen Bucht Port Philip testeten. Nach zwei Wochen in dem Wasser verlor das Gitter lediglich 0,15 Prozent seiner Masse, seine Festigkeit nahm dabei um etwa ein Prozent ab. Dadurch, dass das Gitter bei gleicher Gesamtdichte 70 Prozent fester ist als das von den herkömmlicherweise genutzten Materialien für derartige Anwendungen wie Edelstahl oder Polyethylen hoher Dichte, fällt die Stabilitätseinbuße kaum ins Gewicht.
Das Gitter erwies sich bei den Tests als äußerst widerstandsfähig: Trotz willentlich hervorgerufenen erheblichen Beschädigungen, wie Risse, defekte Verbindungsstellen am Gitter und der Bruch von einer ganzen Gitterschicht blieb das Titangitter weiterhin schwimmfähig. Erst bei starker Kompression und Verdichtung sank das Gitter.
Die Wissenschaftler erprobten die Technik weiter und 3D-druckten eine Boje aus Titan und Polyurethan, die sie in einem Wassertank starken Schwankungen aussetzten. Die Boje war weder abgedichtet noch mit einer Schutzbeschichtung oder einem zusätzlichen Auftriebskörper versehen worden. Sie überstand diese Belastungstests ohne Beanstandungen.
Die Forscher wollen nun ihre Forschungen intensivieren und die Demonstratoren vergrößern und Langzeitbelastungen unter realistischen Bedingungen im Meer und der Tiefsee durchführen.
Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass sich diese Art von Titangitter auch für andere Anwendungen anpassen lassen können. So könnten sie spezielle Strukturen entwickeln, die etwa auf Energieabsorption, Wärmemanagement und Schwingungsdämpfung ausgelegt sind.