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Von starker Keramik, wachsenden Rissen und Ozon im Polarwirbel

Jülicher Leibfried-Preis für populärwissenschaftliche Arbeiten vergeben

[10. September 2004]

Jülich, 10. September 2004. Die Preisträger des Günther-Leibfried-Preises 2004 stehen fest. über 3000 Euro freute sich Juliane Mentz, die ein neues und zugleich kostengünstiges Verfahren entwickelt hat, damit technische Keramiken bruchsicherer werden. 2000 Euro gingen an Robert Spatschek. Der Festkörpertheoretiker war den Wegen von Rissen auf der Spur. 1000 Euro erhielt Ulf Winkler. Er untersuchte Ozon am Rand des Polarwirbels, um die Entstehung des arktischen Ozonlochs besser zu verstehen.


Fasern machen Keramiken (fast) "unkaputtbar"

Was hat die Nase des Spaceshuttles mit modernen Bremsscheiben gemeinsam? Sie bestehen aus faserverstärkter technischer Keramik. Das Material hat eine hohe Lebensdauer, denn es ist besonders verschleißfest und hochtemperaturstabil. Ein neuartiges Herstellungsverfahren für solche Siliziumcarbid-Keramik hat Juliane Mentz in ihrer Doktorarbeit entwickelt. Das Material wird durch Kohlenstoff-Fasern verstärkt und ist besonders preisgünstig.

Keramiken sind hart, sehr stabil und chemisch beständig. Allerdings sind sie auch spröde: Sie zerbrechen bei hoher Beanspruchung spontan und mit scharfen Kanten. Bruchsicherer wird das Material, wenn die Materialforscher Fasern einbauen. Tritt trotzdem ein Bruch auf, geschieht das dann allmählich - Wissenschaftler nennen dies "schadenstolerant". In der Raumfahrttechnik zum Beispiel werden beschichtete Fasern eingesetzt, die wie Gummibänder die dichte Keramik zusammenhalten, bevor sie selbst reißen - ein sehr teures Material.

Juliane Mentz vom Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik ist einen anderen Weg gegangen. Die Idee: Ein Riss in einer porösen Keramik kann - im Gegensatz zur sehr dichten Keramik in der Raumfahrttechnik - immer nur von einer Pore zur nächsten laufen. Sehr hohe Materialverspannungen können dadurch abgefedert werden. Daher müssen die verstärkenden Fasern nicht mehr beschichtet werden. Das Material ist billiger herzustellen. Bei ihrem Verfahren, das die "innere Silizierung" nutzt, werden zunächst ein Kunststoffharz und Siliziumpartikel um die Fasern verteilt. Bei der Umwandlung dieser Ausgangsstoffe in die Keramik schrumpft zwar das Material, der gesamte Verbundkörper allerdings nur wenig. Die eingelagerten Fasern halten die Form. Dadurch entsteht insgesamt eine vergleichsweise hohe Porosität von über 30 Prozent. Durch die gleichmäßige Verteilung der einzelnen Ausgangsstoffesind auch die Poren gleichmäßig verteilt. Und sie sind besonders klein. Dies ist sehr günstig für die mechanischen Eigenschaften des Materials. Biegeversuche bestätigen das. Ein weiterer Vorteil: Ein Keramikbauteil kann gleich zu Beginn in Form gebracht, aber auch zwischendurch noch leicht bearbeitet werden.


Auf Biegen und Brechen

Robert Spatschek ist es in seiner Doktorarbeit am Institut für Festkörperforschung gelungen, das "Phänomen Riss" in Formeln zu packen. Ihn interessierte: Wie breiten sich Risse aus? Warum sind Risse mal glatt, mal "gezackt" und warum verzweigen sie sich zu solch komplizierten Mustern wie bei zerbrochenem Glas?

Risse sind allgegenwärtig und entstehen in jeder Größe: Nanorisse lassen Werkstoffe altern, ein Rissnetz durchzieht zerbrochenes Glas, Erdbebenspalten trennen die Kontinente. Mitunter bilden sich sehr ästhetische Rissmuster: Ein Beispiel sind die sechseckigen Basaltsäulen von "Fingal's Cave" auf der schottischen Insel Staffa. Sie entstanden vor vielen Millionen Jahren beim Erstarren von Lava. Starke thermische Verspannungen ließen das Gestein aufbrechen. Während seiner Doktorarbeit entwickelte der Physiker Robert Spatschek eine Theorie, die davon ausgeht, dass Risse wachsen, weil Atome von der Spitze des Risses wegwandern. Was passiert dabei? Es gibt zwei Gegenspieler: die Energie der Oberfläche und die elastische Verformung. Die Oberflächenenergie glättet die winzige kugelförmige Rissspitze. Die elastische Kraft raut allerdings die Oberfläche des Risses auf, da sie die Atomevorantreibt. Dieses Wechselspiel ist dafür verantwortlich, dass sich der Riss bewegt. Wie schnell kann er dabei werden? Nach bisherigem Verständnis sollten sich Risse so schnell wie der Schall ausbreiten. Tatsächlich sind sie nur etwa halb so schnell - auch dies bestätigt Spatscheks Theorie. Und wenn die Risse doch mal schneller werden, fangen sie an, sich mehr und mehr zu verzweigen. Der junge Wissenschaftler konnte sogar zeigen, nach welchen Gesetzen sich viele Risse verhalten. So wachsen große Risse auf Kosten von kleinen, um zum Beispiel bei einem Erdbeben Verspannungen im Boden abzubauen.


Auf frischer Tat ertappt - Wie sich Ozon in den Polarwirbel einmischt

Der atmosphärische Sonnenschutz - die Ozonschicht - hat Löcher. Daher fahnden Atmosphärenforscher weltweit nach den Ursachen. Sie wissen: Das Chlormonoxidradikal greift massiv in die Chemie der Stratosphäre ein. Doch ist an den Orten mit viel Chlormonoxid auch wenig Ozon? Wie bestimmen Transportprozesse zwischen den Luftmassen das Geschehen? Diesen Fragen ging Ulf Winkler in seiner Doktorarbeit nach.

Die Winter sind eiskalt im nordschwedischen Kiruna, jenseits des nördlichen Polarkreises. Trotzdem zieht es gerade in dieser Jahreszeit Atmosphärenforscher wie Ulf Winkler vom Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre dorthin. Der Grund ist das polare Ozonloch. Während der Polarnacht bildet sich nämlich über den Polen ein gigantisches rotierendes Tiefdruckgebiet, der "Polarwirbel". Die darin befindliche Luft bleibt über Monate in Dunkelheit und Kälte gefangen - Eiswolken entstehen. Dies sind ideale Voraussetzungen, um chlorhaltige Moleküle in hochreaktive Radikale zu verwandeln. Sobald im Frühjahr die Sonne zurückkehrt, greifen dann die gebildeten Radikale das Ozon an. Jülicher Forscher schicken regelmäßig per Forschungsballon ein Instrument in die Stratosphäre, um den Haupt-Ozonkiller Chloroxid zu beobachten. Ulf Winkler wertete einen Ballonflug aus, bei dem sichgerade der Rand des Polarwirbels über Kiruna befand. Die Ergebnisse erschienen auf den ersten Blick selbstverständlich: Wo viel Chloroxid ist, ist wenig Ozon, und umgekehrt. Bei näherer Betrachtung sind die Dinge jedoch komplexer. über auf- und abwärts schwingende Luftmassen dringt ozonreiche Luft in den Wirbel ein und veränderte so die Chemie in seinem Innern. Das Verständnis solcher Einmisch-Vorgänge ist sehr wichtig, um das genaue Ausmaß des Ozonabbaus zu bestimmen. Seit zwei Jahren sind die Jülicher Forscher auch in der Lage, ihr Chloroxid-Instrument mittels eines Forschungsflugzeugs an jeden beliebigen Ort in der unteren Stratosphäre zu transportieren, um solche Transportprozesse zu identifizieren.


Zum Günther-Leibfried-Preis des Forschungszentrums Jülich:

Mit dem Günther-Leibfried-Preis werden jedes Jahr drei Doktoranden ausgezeichnet, die es verstehen, ihre Forschungsergebnisse verständlich darzustellen. Der seit 1990 verliehene Preis erinnert an Professor Dr. Günther Leibfried, der lange Jahre Direktor am Jülicher Institut für Festkörperforschung war. Der engagierte Professor war maßgeblich am Aufbau des Forschungszentrums beteiligt und verstand es durch seine lebendige Art, Forschungsthemen zu vermitteln. Jedes Jahr wählt eine Jury aus den schriftlichen Wettbewerbsbeiträgen drei Arbeiten für das mündliche "Finale" der Nachwuchswissenschaftler aus.


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Nach der Vortragsveranstaltung im Großen Hörsaal (v.l.n.r.): Prof. Dr. Rudolf Maier, Vorsitzender des Wissenschaftlich-Technischen Rates, Juliane Mentz, Robert Spatschek, Ulf Winkler und Prof. Dr. Joachim Treusch.

Foto: Forschungszentrum Jülich


Pressekontakt:

Peter Schäfer
Stellv. Leiter öffentlichkeitsarbeit
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich
Tel. 02461 61-8028, Fax 02461 61-8106
E-Mail: p.schaefer@fz-juelich.de


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