FABIAN JUNG IM INTERVIEW

Turbinenschaufeln aus Metall gehören möglicherweise irgendwann zum alten Eisen. Stattdessen könnten die Bauteile korrosions- und hitzebeständiger, leichter und weniger störanfällig aus 3D-faserverstärkten Oxidkeramiken produziert werden. Fabian Jung forscht am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University an solch hochtemperaturstabilen Werkstoffen. Der Wissenschaftliche Mitarbeiter erklärt im Interview, welche Herausforderungen bei der Werkstoffentwicklung zu bewältigen sind, beispielsweise innerhalb des Forschungsprojekts 3DOxOxTurbine.

Herr Jung, was genau erforscht die RWTH Aachen bei 3DOxOx?

Wir beschäftigen uns in unserem Institut vorrangig mit der Textil- bzw. Geflecht-Entwicklung. Beim 3D-Flechten wird ein Produkt erzeugt, das, wie es der Name schon sagt, räumlich vernetzt ist. Bis-lang sind nur zweidimensionale Verstärkungsstrukturen im Einsatz. Beim 3D-Flechten kann ich die Lagen hingegen verbinden und so eine zusätzliche Verstärkung in Z-Richtung einbringen. Kurz erklärt: Die Orientierung von 2D-Faserverstärkungen verläuft in der X-Y Ebene. Eine 3D-Faserverstärkung weist hingegen zusätzliche Verstärkungen parallel zur Z-Achse auf. Der Werkstoff hat dann bessere mechanische Eigenschaften. Er ist stabiler und hat eine größere Schadenstoleranz. Beim ITA erstellen wir ein strukturdynamisches Materialmodell. Darüber hinaus analysieren wir in ersten Vorversuchen die Auswirkungen des Schlickers  auf das Textil und Gusswerkzeug.

Reichen die bisher verwendeten Werkstoffe für Turbinenbauteile nicht aus?

Mit den neuen hochtemperaturstabilen Turbinenwerkstoffen sind höhere Verbrennungstemperaturen in den Brennkammern der Gaskraftwerke als bisher möglich − und damit auch der Einsatz von Bio- und Synthesegasen, insbesondere von Wasserstoff. 3D-faserverstärkte Oxidkeramiken haben herausragende strukturmechanische Eigenschaften. Mit ihnen erreichen wir im Kraftwerk höhere Wirkungsgrade bei geringeren CO₂-Emissionen als mit den derzeit üblichen metallischen Turbinenwerkstoffen mit Nickelbasislegierungen. Diese halten den höheren Temperaturen nicht stand.

Gibt es auf dem Markt bereits Turbinenschaufeln aus keramischen Werkstoffen oder sind diese noch in der Forschungsphase?

Es gibt Hybride, also Schaufeln mit einem metallischen Kern, auf die eine keramische Hitze-Schutzschicht aufgespritzt wird. Der Einsatz einer reinen Verbundkeramik mit 3D-geflochtener Verstärkungsstruktur ist neu.

Was zeichnet den Werkstoff aus, der im ITA produziert wird?

Die 3D-geflochtene Al2O3-/Al2O3-Faserverbundkeramik zeichnet eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Außerdem ist sie oxidationsresistent und hat eine höhere Schadenstoleranz durch die 3D-Faserverstärkung. Ein weiterer Vorteil des dreidimensionalen Geflechts besteht darin, dass damit ein sehr endkonturnahes Textil erzeugt werden kann. Dieses nimmt quasi schon die Form des späteren Bauteils vorweg. Damit sparen wir uns den Zuschnitt des Verstärkungstextils und minimieren etwaigen Verschnitt. Das ist bei teuren Hochleistungsfasern wie dem Aluminiumoxid ein wichtiger Pluspunkt. Das Kilogramm kostet derzeit um die 1.000 Euro.

Welche Turbinenteile stehen im Forschungsprojekt im Fokus?

Um wirklich eine Leistungssteigerung zu erzielen, müssen wir uns alle Bauteile anschauen: von der Brennkammer bis zu den Schaufeln. Es muss der ganze Heißbereich aus einem hochresistenten Werkstoff ausgeführt werden. Die höchste mechanische Belastung bekommen allerdings die ersten Leitschaufeln ab. Diese sorgen dafür, dass das Gas, das in der Brennkammer erzeugt wurde, im richtigen Winkel auf die Laufschaufeln der Turbine trifft.

Was ist das Innovative an dem Forschungsprojekt?

Das Innovative ist, dass wir die 3D-Flechttechnologie mit dem Druck-Schlicker-Gussverfahren verbinden. Bei diesem wird zusätzlich zum klassischen Gussverfahren über Druck eine Drainage vorgenommen, bei der das Lösungsmittel des Schlickers aus dem Bauteil gepresst wird. Die Fertigung von Faserverbundkeramiken ist bisher sehr aufwändig, da manuell gefertigt wird. Im 3DOxOxTurbine-Team wollen wir gemeinsam mit unseren Partnern aus der Industrie die Produktion automatisieren. So möchten wir erstmals keramische Faserverbundteile reproduzierbar und in höherer Stückleistung produzieren können – und dabei einen Werkstoff herstellen, der im Vergleich zu 2D-verstärkten Verbundwerkstoffen eine höhere Schadenstoleranz aufweist.

Das Interview führte Ilse Trautwein, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.