08/05/2009

Neuen Materialien das "Fühlen" beibringen

Ohne neue Werkstoffe gibt es keine Innovationen. Neue Werkstoffe erfordern Ansätze, die über die klassische Materialwissenschaft hinausgehen. Das haben Wissenschaftler der Universität Bremen erkannt und die Bremer Politik unterstützt die Forscher. Insgesamt acht Institute der Fachbereiche Produktionstechnik, Physik/Elektrotechnik und Mathematik/Informatik der Universität Bremen haben sich zusammengetan, um technischen Komponenten das Fühlen beizubringen. Sie bilden den Kern der neu gegründeten Zentralen Wissenschaftlichen Einrichtung (ZWE) "Integrated Solutions in Sensorial Structure Engineering" (ISIS) der Universität.

Der Forschungsansatz der neuen Einrichtung ist der Natur abgeschaut. Diese betreibt etwa in Knochen Strukturoptimierung und erzielt damit hohe Widerstandsfähigkeit bei geringem Gewicht. Die biologische Lösung hat allerdings einen Haken: Sie kann nur andauernde Belastungen einbeziehen. Der menschliche Konstrukteur seinerseits kann bei der Bauteildimensionierung nur eine begrenzte Zahl von Belastungen vordefinieren. Die Folge ist klar: Außergewöhnliche Ereignisse - im technischen Sinne etwa Missbrauchsfälle oder nicht vorhergesehene Betriebszustände - werden nicht berücksichtigt. In der unbelebten Welt behilft man sich mit Sicherheitsfaktoren, im Betrieb mit regelmäßiger Wartung, die von Fall zu Fall Reparatur oder Austausch nach sich zieht. Sicherheitsfaktoren erhöhen aber das Bauteilgewicht, Wartung ist kostspielig.

Lässt sich das Prinzip der Nerven als "Alarmsensoren" auf die technische Welt übertragen?

Die Natur verfolgt dagegen eine Vermeidungsstrategie: Kritische Belastungen werden erkannt. Bewusste, vielfach aber gerade unbewusste, reflexartige Reaktionen steuern ihnen entgegen. Der Knochen verfügt eben nicht nur über eine optimierte Struktur. Er ist darüber hinaus mit einer Knochenhaut bedeckt, in der Nerven als Drucksensoren agieren. Die aufgenommenen Informationen werden ausgewertet, eine geeignete Reaktion eingeleitet. Der sprichwörtliche Tritt vor das Schienbein wird dadurch nicht angenehmer, aber ungefährlicher. Kommt es dennoch zu einer Verletzung, verfügt die natürliche Struktur über die Fähigkeit zur Heilung.

Übertragen auf die technische Welt kommt dieses Beispiel einer kontinuierlichen Strukturüberwachung gleich. Diese erfordert zuverlässige Sensoren in ausreichender Anzahl. Sie benötigt Werkstoffe, die die geforderten sensorischen Effekte zeigen, und Fertigungsverfahren, um sie herzustellen und in die zu überwachende Struktur zu integrieren. Diese Integration stellt bereits einen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar. Die Vision der ZWE ISIS geht weiter: Sensorische Materialien sollen den Unterschied zwischen Struktur- und Funktionswerkstoff verschwimmen lassen.

Für eine Technologie der Sinne

Das Anwendungspotenzial einer solchen Materialklasse ist immens. Die Knochenhaut kann gedanklich direkt auf das Gebiet der Robotik übertragen werden, wo sie zum Schutz des Geräts selbst, aber auch zur Sicherheit seiner Bediener beitragen kann. Strukturüberwachung ist ein zentrales Thema in der Luftfahrtbranche. Hier wie im Bereich Windenergie kann eine systematische Wartung massiv Kosten einsparen: Ein Flugzeug am Boden verdient keinen Cent. Für Implantate werden die Vorteile einer permanenten Kontrolle über Belastung und Bauteilzustand noch plastischer - hier sind Probleme gleichbedeutend mit einem chirurgischen Eingriff.

Um die an den Beispielen erläuterte Problematik zu lösen, bedarf es also einer Technologie, Sensoren herzustellen, sie mit Energie zu versorgen, die von ihnen bereitgestellten Informationen zu analysieren und zu bewerten und auf dieser Basis eine Entscheidung zu treffen. Diese Fähigkeiten müssen in Bauteile integriert werden, die sich zuverlässig und wirtschaftlich herstellen lassen. Dies erfordert Fortschritte auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, der Fertigungstechnologien, der Informationstechnologie und künstlichen Intelligenz, der Simulation intelligenter Strukturen und nicht zuletzt die Zusammenführung und Verknüpfung all dieser Kompetenzen - zur Entwicklung einer Technologie der Sinne beizutragen, hat sich die ZWE ISIS der Universität Bremen zur Aufgabe gestellt.