Forschung am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik bringt neue Mikrowellenplasma-Technik hervor. Carbonfasern können damit deutlich effizienter hergestellt werden.

Schwarz glänzende Fasern ineinander gewoben und in spezialisiertem Kunstharz fixiert – so ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) als Werkstoff für Fahrradrahmen, Fahrzeugteile oder Schutzbekleidung aus dem Alltag bekannt. Das umgangssprachlich als Carbon bezeichnete Material vereint leichtes Gewicht mit enormer Belastbarkeit, dementsprechend steigt die Nachfrage stetig an.

Kohlenstofffasern herzustellen ist jedoch mit einem hohen Energieverbrauch und Zeitaufwand verbunden, was es teuer macht. Prof. Dr. Holger Heuermann, Leiter des Instituts für Mikrowellen- und Plasmatechnik (IMP) der FH Aachen, und Dr. Christoph Schopp, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IMP, haben nun eine Methode entwickelt, die den Herstellungsprozess von Kohlenstofffasern beschleunigt, den Energieaufwand deutlich reduziert und folglich Kosten senkt. Ein freistehendes Plasma macht hierbei den Unterschied.

Aufwändige Herstellung von Kohlenstofffasern
Die Kohlenstofffasern als Grundmaterial für Carbon werden in der Regel aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Dieser Prozess unterteilt sich in zwei Phasen: die Stabilisierung der Fasern und die anschließende Carbonisierung. Bei der Stabilisierung werden die PAN-Fasern aktuell Millimeter für Millimeter durch einen gewaltigen, rund 30 Meter langen Industrieofen geführt. Dort werden sie bei ca. 300 Grad Celsius 60 Minuten lang erhitzt. Für diesen Vorgang ist eine enorme Menge an Energie nötig. Auch die Kosten für das große Gebäude, das den Ofen beherbergen muss, sind sehr hoch. Diese Stabilisierungsphase kann jetzt mittels freistehenden Plasmas stark optimiert werden.

Durchbruch in der Plasmaforschung
Im Verlauf der Forschung gab es Versuche, die Oberfläche des PAN mit einem Plasma-Strahl zu behandeln. „Genug Hitze konnten wir dabei problemlos erzeugen, allerdings wurde sie durch das strahlförmige Plasma zwangsläufig zu punktuell in das Material eingebracht. Die Fasern sind einfach durchgebrannt“, so Christoph Schopp. Bisher war künstlich erzeugtes Plasma an eine Komponente wie beispielsweise eine Elektrode gebunden. Jetzt ist den Forschern ein Durchbruch gelungen: „Wir haben es geschafft, das Plasma von der Elektrode zu entkoppeln und können es sogar frei nach unseren Wünschen formen“, so Prof. Heuermann. Entstanden ist ein Plasma mit zylindrischer Ausdehnung, das losgelöst von plasmabildenden Elementen steht. Dieses freistehende Plasma konnten die Forscher in einem neuartigen Apparat als Werkzeug nutzbar machen. Die PAN-Fasern können nun ohne direkte Berührung durch das Plasma hindurchgeführt werden, wodurch die Hitze gleichmäßig auf die Fasern abstrahlt – diese brennen nicht mehr durch und können kontrolliert stabilisiert werden.

80 Prozent weniger Energie im Stabilisierungsprozess
„Die Optimierung der Prozessparameter ist erstaunlich“, unterstreicht Christoph Schopp. Bei Anwendung der neuen Methode durchläuft das PAN den Ofen nun mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde – das ergibt eine Gesamtverweildauer von nur sieben Minuten anstatt der vorigen 60 Minuten, um die Stabilisierung vollständig zu erreichen. Der Energieverbrauch der Stabilisierungsphase reduziert sich um 80 Prozent. Die Produktionsstrecke ist außerdem nur noch rund vier Meter lang.

Dieses Ergebnis können die Forscher sogar noch weiterentwickeln und in einen zusätzlich optimierten, industriell nutzbaren Aufbau überführen. 16 der neuartigen Plasma-Apparate werden dafür parallel in einer 4x4-Matrix positioniert. Hierdurch reduziert sich die Verweildauer im Ofen weiter auf sechs Minuten, und die Forscher sind optimistisch, dass eine weitere Optimierung auf minimal vier Minuten möglich ist.

Der gesamte Herstellungsprozess samt Stabilisierungs- und anschließender Carbonisierungsphase kann bei Nutzung der neuen Technik eine Energiereduktion um 60 Prozent verzeichnen. „Mit einer großflächigen Implementierung der neuen Plasmatechnik könnte die Carbonherstellung wieder zurück nach Europa gebracht werden“, ist sich Christoph Schopp sicher. Bald bestünde die Möglichkeit, durch die effizientere Produktion auch die Automobil- und Luftfahrtbranche noch stärker auf kohlenstofffaserverstärkte Bauteile umzustellen – Autos und Flugzeuge würden leichter werden und deren Nutzung dadurch umweltfreundlicher. Gemeinsam mit ihren Projektpartner:innen arbeiten die Forscher der FH Aachen deshalb weiter an der Prozessoptimierung. Ein nächster Schritt wäre der Bau eines einsatzfähigen Ofens, der die neue Plasmatechnik nutzt, damit die industrielle Pilotphase starten kann.

Zwei Milliarden unsichtbare Schwingungen pro Sekunde
Um die Wirkung von Plasma im Stabilisierungsprozess der Kohlenstofffaser-Herstellung besser zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge. Grob gesagt handelt es sich bei Plasma um einen vierten Aggregatzustand. So wie Eis bei Energiezugabe schmilzt und schließlich von Wasser zu Gas wird, entsteht Plasma, sobald einem Gas noch mehr Energie zugeführt wird. Plasma spielt im Alltag eine wichtige, aber oft unbemerkte Rolle. Unsere Sonne sowie Blitze sind Plasma in seiner natürlichen Form. Verfahren zur Oberflächenbehandlung, Neonröhren oder Schweißverfahren nutzen kontrolliertes Plasma. „Noch hat Plasma in der Forschung ein Nischendasein, obwohl es mit seiner hohen Energiedichte ein großes Potenzial für industrielle Nutzung mitbringt“, sagt Prof. Heuermann. Die beiden Forscher des Fachbereichs Elektrotechnik und Informationstechnik haben für ihre neue Entwicklung ein Mikrowellenplasma genutzt. Hierbei handelt es sich um Plasma, das durch elektromagnetische Wellen im Gigahertzbereich aufrechterhalten wird – das sind rund zwei Milliarden unsichtbare Schwingungen pro Sekunde.

Projektpartner
Das Forschungsprojekt wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Ulm, der DIENES Apparatebau GmbH sowie Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH durchgeführt. Gefördert wurde das Projekt durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU).