Um den Wirkungsgrad von Turbostrahltriebwerken zu verbessern, versuchen Ingenieure, die Triebwerke bei immer höheren Temperaturen zu betreiben. Je höher die Temperatur, desto effizienter ist die Verbrennung, was ermöglicht, mit weniger Kraftstoff den gleichen Schub zu erzielen.
Doch dieser Ansatz hat eine bekannte Grenze: Die traditionell in Triebwerken verwendeten Metallteile vertragen diese extremen Bedingungen schlecht. Über einem bestimmten Schwellenwert verlieren sie ihre mechanische Festigkeit und erfordern interne Kühlsysteme. Diese komplexen und schweren Kreisläufe erhöhen das Gewicht des Flugzeugs und verringern den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks.
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Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, oder CMCs, erscheinen als vielversprechende Lösung. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch bei sehr hohen Temperaturen fest und stabil bleiben, während sie gleichzeitig leichter als Metalllegierungen sind.
Ein CMC kann mit einem anspruchsvollen Beton verglichen werden: Fasern gewährleisten die Robustheit, während eine keramische Matrix diese umgibt und den Zusammenhalt des Ganzen aufrechterhält. Im von Forschern des CNRS, der Universität Bordeaux, des CEA und von Safran untersuchten Fall besteht diese Matrix aus Siliziumkarbid (SiC), einem Material, das zugleich hart, leicht und chemisch stabil ist.
Doch selbst diese leistungsstarken Keramiken müssen einem gefürchteten Feind trotzen: der Heißgaskorrosion. In einem Triebwerk enthalten die heißen Verbrennungsgase Sauerstoff, Wasserdampf und andere Verbindungen, die mit der Matrix interagieren und im Laufe der Zeit ihre Eigenschaften verschlechtern können. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, fügten die Forscher Bor in das Silizium ein und bildeten so eine Si-B-Legierung. Diese Idee ist nicht völlig neu, da die schützende Wirkung von Bor bereits in der Industrie beobachtet worden war, aber sie war noch nie präzise erklärt worden.
Durch die Nachbildung des industriellen Verfahrens im Labormaßstab konnten die Wissenschaftler die Wirkung von Bor dank fortschrittlicher Analyseinstrumente genau beobachten, die in der Lage sind, Materie bis auf die atomare Ebene zu untersuchen.
Ihre Arbeiten zeigen, dass Bor auf mehreren Ebenen wirkt. Es stabilisiert zunächst die Struktur des Siliziumkarbids, insbesondere dessen Defekte, die oft Schwachstellen sind, an denen die Korrosion einsetzen kann. Zweitens bildet es winzige Ansammlungen mit Kohlenstoff, sogenannte Co-Cluster, die die Diffusion von Kohlenstoff durch das Material begrenzen und so den inneren Verschleiß verlangsamen. Schließlich entdeckten die Forscher, dass sich Boratome an den Grenzflächen zwischen SiC und der Si-B-Legierung konzentrieren. Auf nur wenigen Nanometern verlangsamt diese Schutzschicht die Auflösung von Kohlenstoff und verstärkt die Barriere gegen Korrosion.
Dank dieser dreifachen Rolle bietet Bor den Verbundwerkstoffen einen dauerhaften Schutz. Konkret bedeutet dies, dass Teile aus diesen neuen CMCs länger und bei höheren Temperaturen betrieben werden können als die derzeitigen Versionen. Für die Luftfahrt ist dies ein bedeutender Fortschritt: Die Triebwerke werden effizienter, Flugzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff und emittieren weniger Treibhausgase. Hinter einer Laborinnovation verbirgt sich somit eine direkte Herausforderung für den Luftverkehr von morgen.
Quelle: CNRS INC