Wissenschaftler der RMIT University in Australien und des französischen Conservatoire National des Arts et Métiers haben gemeinsam das weltweit erste Titan-Polymer-Hybridgitter mit offenen Zellen als Metamaterial entwickelt. Es kann nicht nur auf Wasser schwimmen, sondern ist auch widerstandsfähiger gegen Meerwasserkorrosion als Edelstahl oder Hochdichtekunststoffe, die derzeit für Docks, Bojen und schwimmende Sensoren verwendet werden. Diese neue Erfindung überwindet das grundlegende Problem, dass Metallgitterstrukturen nur schwer schwimmfähig sind. Die entsprechende Studie wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Die im Test verwendete 3D-gedruckte Boje. Bildquelle: RMIT University, Australien
Metallgitter-Metamaterialien haben bereits in Bereichen wie Biomedizin, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Thermotechnik ein transformatives Potenzial gezeigt, ihre Anwendung im Meeresbereich war jedoch lange Zeit eingeschränkt. Der Grund: Obwohl Metallgitter extrem leicht sein können – mit einer Dichte von weniger als einem Zehntel der Dichte von Wasser – dringt Wasser in ihre offenen, verbundenen Hohlräume ein, wodurch die Struktur im Wasser sinkt.
In der neuesten Studie füllte das Team die hohlen Titanstreben mit Polyurethanschaum und schuf so diese neuartige Struktur. Selbst bei starker Rissbildung oder Beschädigung, wenn Wasser durch sie hindurchfließt, bleibt sie an der Wasseroberfläche schwimmfähig. Die Probe schwamm über zwei Monate ununterbrochen in Süßwasser, was ihre dauerhafte Auftriebsfähigkeit bestätigte.
Das Team schlug eine neue Methode namens „Gerüstdichte“ vor, um zu bestimmen, ob eine offene Struktur schwimmen kann. Die herkömmliche Dichteberechnung bezieht alle offenen Hohlräume innerhalb der Gitterstruktur in das Volumen ein, aber sobald diese Hohlräume mit Wasser gefüllt sind, tragen sie nicht mehr zum Auftrieb bei. Die Gerüstdichte hingegen berücksichtigt nur den Teil der Struktur, in den kein Wasser eindringt, wie Titanwände und mit versiegeltem Schaum gefüllte Kanäle. Dies bietet Ingenieuren eine einfache Designrichtlinie: Solange die Gerüstdichte geringer ist als die Dichte der umgebenden Flüssigkeit, kann die Struktur schwimmen, selbst wenn Wasser durch alle äußeren Öffnungen strömt.
Tests zeigten, dass die neue Titanstruktur bei gleicher Gesamtdichte eine um 70 % höhere Festigkeit aufweist als Edelstahl oder hochdichtes Polyethylen, die in der Meeresumwelt weit verbreitet sind. Auch in Kurzzeit-Korrosionstests in Meerwasser schnitt sie gut ab – nach zwei Wochen Eintauchen verlor das Gitter nur 0,15 % seiner Masse, und die Festigkeit nahm um weniger als 1 % ab.
Noch wichtiger ist, dass das Hybridgitter selbst bei schweren Schäden wie Rissen, Versagen kritischer Verbindungspunkte oder sogar dem Bruch ganzer Gitterschichten seine Auftriebsfähigkeit behält. Erst wenn es stark zusammengedrückt und verdichtet wird, sinkt es. Dies unterstreicht sein Potenzial, selbst bei schweren strukturellen Schäden schwimmfähig zu bleiben.
Das Team nutzte die neue Struktur, um eine Meeresboje im 3D-Druckverfahren herzustellen. Selbst bei einer Neigung von bis zu 45 Grad in einem Tank mit turbulenter Strömung blieb die Boje stabil – ohne versiegelte Hüllrohre, Schutzbeschichtungen oder zusätzliche Auftriebskörper.