Ideen mit s(ch)ichtbarem Erfolg: CoE SURFACE - Schicht und Oberflächentechnologien für fortschrittliche Anwendungen im Hochtemperaturbereich von Luftfahrt bis Energie
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| Leichtbau-Brennstoffzelle mit porösem Metallsubstrat (MS-SOFC) | |
In einer harten Schale steckt ein weicher Kern – nichts könnte die Aufgabe der Oberflächentechnologie besser umreißen als dieser Spruch, mit dem man gerne einige Mitmenschenbeschreibt. Und ebenso wie diese durch eine undurchdringliche äußere Hülle versuchen, ihr Inneres abzuschirmen, schützen uns Beschichtungen heute in fast allen Bereichen des täglichen Lebens. Sie helfen uns im Haushalt, halten warm, bringen Farbe ins Leben, verhindern Korrosion und Zerstörung, und sie tragen wesentlich zur Ressourcenschonung und damit zum Umweltschutz bei.
Der Einsatz von Schichten ist so vielfältig wie ihre Erscheinungsformen.Autolackierungen oder dekorative Schichten sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Aber auch weniger sichtbare Beschichtungen leisten einen wesentlichen Beitrag zum technischen Fortschritt. Wie strömungsoptimierte Hochtemperaturschutzschichten, mit denen sich Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen von Flugtriebwerken verringern sowie deren Lebensdauer deutlich verlängern lassen.
Oder Schichtsysteme, die mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen, wie in Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die als hocheffiziente Energiewandler zukünftig eine wichtige Rolle für die Energieversorgung unserer Gesellschaft spielen werden. Sie sollen zum Beispiel die Bordstromversorgung in mobilen Anwendungen (z. B. Automobilen) übernehmen. Im Gegensatz zum stationären Fall müssen sie dabei eine möglichst hohe elektrische Leistung bei minimalem Eigengewicht liefern.
Die Zelle besteht aus mehreren Funktionsschichten (links oben), die mit dem sogenannten Plasma-Spritzverfahren erzeugt werden. Keramische Pulver werden im Plasmastrahl einer elektrischen Entladung geschmolzen, beschleunigt und scheiden sich auf einem metallischen Träger ab (links unten). Die einzelnen Schichten regulieren dabei nicht nur die gleichmäßige Verteilung des Brenngases in der Anode und des Sauerstoffs in der Kathode. Sie dienen auch als elektronischer Isolator (Elektrolyt) und als Stromerzeuger. Wichtig dabei ist das Zusammenwirken der unterschiedlichen Materialien miteinander. Während dies im Labormaßstab schon gut gelingt, stellt eine großtechnisch interessante Fertigung (mehrere Millionen Brennstoffzellen pro Jahr) neue Anforderungen an die Prozesstechnik.
Diesen Entwicklungen trägt das DLR Rechnung, in dem es sein Qualitätssiegel „Center of Excellence“ an die „Schicht- und Oberflächentechnologien für fortschrittliche Anwendungen im Hochtemperaturbereich von Luftfahrt bis Energie – SURFACE“ verliehen hat. Unter Leitung des Kölner Instituts für Werkstoff-Forschung werden darin zusammen mit dem Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart die Beschichtungskompetenzen des DLR gebündelt. Damit stehen Industrie und Wissenschaft ein umfassender Wissensfundus und eine moderne Ausrüstung für Beschichtungsprojekte zur Verfügung.
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| Multiquellen-Magnetron-Sputter-Anlage MEGA |
Dazu zählt unter anderem die Multiquellen-Magnetron-Sputter-Anlage MEGA, in der neben modernster Prozessanalytik verschiedenste Verfahrenstechnologien eingesetzt werden (Hohlkathoden-Gasfluss-, Magnetron- und Hochfrequenz-Sputtern). Damit können neben klassischen Schichtsystemen für Wärmedämmung und Oxidationsschutz neue Anwendungen umgesetzt werden. Dies gewährleistet, dass das DLR auch weiterhin eine weltweit führende Rolle bei der Erforschung von Beschichtungen für Flugturbinenkomponenten einnimmt.
Aber nicht nur bezüglich des technischen Fortschritts, auch für die persönliche Karriere bietet die Schicht- und Oberflächentechnik gute Zukunftsperspektiven. Dies gilt besonders für den motivierten Nachwuchs, der an den DLR-Großanlagen erste wissenschaftliche und technische Erfahrungen in Form von Praktika, Diplom- oder Doktorarbeiten sammeln kann. Neben der Begeisterung für das Thema erfordert dies allerdings auch Motivation und den Willen, etwas Neues erreichen zu wollen. Denn manchmal steckt in einer harten Schale ein noch härterer Kern.