Luftiger Keramikschaum für effiziente Wärmedämmung

Keramik ist weitaus mehr als nur altes Geschirr; an der ETH forscht man an neuen Anwendungen dieses vielseitigen Werkstoffes. (Bild: Shutterstock)

Keramik hat in Forschung und Industrie einen hohen Stellenwert. Die Professur für Nichtmetallische Werkstoffe entwickelt Keramikschäume, die für energieeffiziente Wärmedämmungen in Hochöfen, als Knochenersatz und für die kontrollierte Wirkstoff-Freisetzung in der Medizin eingesetzt werden sollen.

Keramik ist für viele gleichbedeutend mit altem Geschirr. Nur wenige wissen jedoch um deren Bedeutung in der Industrie; zum Beispiel zum Auskleiden von Hochtemperatur-Öfen für die Stahl-, Zement- oder Glasproduktion. Urs Gonzenbach, Oberassistent an der Professur für Nichtmetallische Werkstoffe, beschäftigt sich seit acht Jahren mit Keramik, insbesondere mit Keramikschäumen.

 Dazu ist er eher zufällig gekommen, während er mit sehr dichten, unporösen Keramiken arbeitete: Eines Morgens fand er im Labor einen luftigen Schaum, indem die Luft in den Luftblasen eingeschlossen blieb. Für das damalige Forschungsprojekt ein schlechtes Ergebnis, da Poren in dichter Keramik unerwünscht sind. Doch sein Team erkannte das Potenzial des Zufallsprodukts und liess Gonzenbach das Phänomen weiter untersuchen.

Bessere Materialeigenschaften dank Lufteinschlüssen

Die hochporösen Keramikschäume, die er in dieser Zeit entwickelt hat, haben gegenüber herkömmlicher Keramik bedeutende Vorteile: Sie sind bis zu 50 Prozent leichter, haben eine um etwa dreissig Prozent verminderte Wärmeleitfähigkeit und sind gleichzeitig doppelt so fest. Diese Eigenschaften verdankt das Material vor allem seiner porösen Mikrostruktur, die aus kleinsten Lufteinschlüssen besteht.

Gonzenbach schäumt dafür eine wässrige Keramiksuspension mit Luft oder einem anderen Gas auf. Ähnlich einem Schaumbad in der Badewanne entstehen dabei Blasen. Während der Schaum dort jedoch relativ schnell in sich zusammenfällt, schafft es Gonzenbach die Keramikschäume über mehrere Tage zu stabilisieren. Dazu mischt er der Suspension kleinste Partikel bei, zum Beispiel Aluminium- oder Siliziumoxid in einer Grösse von zehn Nano- bis zehn Mikrometern. Die Partikel lagern sich an den Luftblasen an und stabilisieren diese, indem sie eine Art Schutzweste um den Lufteinschluss bilden. Dadurch bleibt der nasse Schaum über lange Zeit stabil und kann problemlos weiterverarbeitet werden.

Damit sich die wasserliebenden Mikroteilchen überhaupt an der Wasser/Luftgrenze anlagern, müssen die Forscher dem Schaum zuvor noch Additive beimischen. Diese sorgen dafür, dass die Teilchen teilweise hydrophob werden und sich somit an der Oberfläche der Lufteinschlüsse anlagern. Der durch die Partikel stabilisierte Schaum besteht anschliessend aus bis zu 93 Prozent Luft. Nach einer kontrollierten Trocknung wird er bei 1600° Celsius gebrannt – oder «gesintert», wie die Fachleute sagen. Damit wird der Suspension das letzte Wasser ausgetrieben und die Lücken zwischen den Mikroteilchen werden geschlossen. Das Produkt ist ein leichter, hochporöser Keramikschaum, der bis zu 1700° Celsius stabil bleibt.

Vor drei Jahren haben Gonzenbach und seine Kollegen die Forschungserfolge patentiert und anfangs 2009 den Spin-off «de Cavis» zur Vermarktung der Keramikschäume gegründet. «Wir haben eine neue vielversprechende Technologie entwickelt, die zurzeit nach geeigneten Anwendungen sucht», sagt Gonzenbach. Die porösen Keramikschäume sind zwar noch im Prototypenstadium, doch bereits laufen Abklärungen für Industrieanwendungen. Die meisten Anfragen stammen von Produzenten von Wärmedämmungsmaterialien, die Ofenhersteller im Bereich der Stahl-, Zement- oder Glasproduktion beliefern.

«Wir können heute praktisch aus jedem keramischen Rohmaterial einen Schaum herstellen», sagt Gonzenbach. Durch die Wahl der Art und Grösse der Mikroteilchen und je nach verwendetem Additiv kann sein Team die Eigenschaften an die Bedürfnisse des Auftraggebers anpassen. Die Porosität der stabilen Schäume birgt für die Unternehmen zwei grosse Vorteile: Für die Auskleidung der Öfen ist weniger Material nötig und durch die verbesserte Wärmedämmung verbrauchen sie weniger Energie und entlasten damit die Umwelt.

Schaum als Stütze für Knochenaufbau

Gonzenbach hat auch medizinische Anwendungsmöglichkeiten im Visier: Bei der Behandlung von schweren Krankheiten, zum Beispiel einem Krebs, muss oft ein Stück Knochen entfernt werden. Damit dieser wieder nachwachsen kann, braucht er eine Art Gerüst. Dafür könnte sich der leichte und poröse Keramikschaum eignen. ETH-Materialwissenschaftler arbeiten gemeinsam mit Chemikern der EPFL und Biologen des Universitätsspitals Lausanne im Rahmen eines Nationalfondsprojekts an möglichen therapeutischen Anwendungen des Materials. Beispielsweise versuchen die Forscher im Moment den Schaum so zu modifizieren, dass sich das Material im Körper selbst abbaut, sobald genügend Knochen nachgewachsen ist.

Noch im Stadium der Grundlagenforschung sind Anwendungen von Keramikschäumen in der Kosmetik oder Pharmazie. Verdünnt man die Schäume genügend stark, so entstehen Millionen von winzigen Mikrokapseln. Über deren poröse, anorganische Schale könnten Wirkstoffe über längere Zeit kontrolliert an den Körper abgegeben werden. Bis die Mikroschäume jedoch auch für pharmazeutische Zwecke eingesetzt werden, dürfte es noch eine Weile dauern: Die gesetzlichen Auflagen dafür sind nämlich besonders streng.

Quelle: Samuel Schläfli, ETH Life