Immer in Form

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Manche Werkstoffe können ihre Gestalt wechseln. Mit solchen Formgedächtnismaterialien lassen sich künftig vielleicht Autos oder Flugzeuge bauen, die ihre Konturen an Wind und Wetter anpassen.

Kaum ist die Sonne aufgegangen, verdunkelt die Jalousie wie von Geisterhand das Zimmer. Ganz ohne Strom und Knopfdruck. Am Abend, wenn die Luft abkühlt, öffnet sich der Rollladen wieder. Formgedächtnismaterialien machen solch futuristische Anwendungen möglich. Sie können zwischen zwei Gestalten hin- und herschalten, beliebig oft. Einer ihrer Erforscher, Andreas Lendlein vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht in Teltow, veröffentlichte kürzlich die Idee für die stromlose Jalousie.

Materialien mit Formgedächtnis krempeln aber nicht nur die Haushaltswelt um. Mit den Werkstoffen lassen sich völlig neue Fahr- und Flugzeuge bauen, die ihre Konturen von einer Sekunde auf die andere verändern. Der italienische Autobauer Alfa Romeo hat beispielsweise einen futuristischen Sportwagen entworfen, der sein Profil so dem Wind anpasst, dass sich der Widerstand minimiert. Noch gibt es den Wagen nur in Modellbaugröße und nicht als Prototyp. Aber schon jetzt ist absehbar, dass Formgedächtnismaterialien Produkten künftig eine fluide Gestalt verleihen. Das verändert das Produktdesign grundlegend – Funktion und Form verschmelzen.

Verborgen hinter Gehäusen breiten sich die schlauen Werkstoffe schon heute unaufhaltsam aus. Sie verdrängen Elektromotoren und bilden künstliche Muskeln mit Gefühl in Prothesen. Nur ein Handicap störte die Industrie bislang: Die Verwandlungskünstler mit Formgedächtnis konnten nur von einer Gestalt in die zweite wechseln und mussten dann mechanisch wieder in die Ursprungsform gebracht werden, der sogenannte Ein-Weg-Effekt. Kürzlich ist es Forschern jedoch gelungen, Materialien zu entwickeln, die zwischen zwei Formen hin- und herschalten können, ohne dass es einer separaten Kraft bedarf. Sobald diese Zwei-Wege-Materialien marktreif sind, steht einer breiten Anwendung nichts mehr im Weg, glauben die Erfinder.

In welche Bereiche sie dann vordringen können, zeigen die Einsatzmöglichkeiten bei Ein-Weg-Materialien. "Die Autoindustrie hält sich zwar sehr bedeckt. Aber im Oberklassesegment werden immer mehr Formgedächtnismaterialien verbaut. Sie verdrängen dort nach und nach die Elektromotoren", berichtet Kenny Pagel, Adaptroniker vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz. Versteckt im Wagen surrten bisher Dutzende Elektromotoren, um die Tankklappe zu öffnen, die Spiegel zu verstellen und Frischluft ins Auto zu lassen. Ihr Nachteil: Sie verbrauchen Strom und lassen sich nicht beliebig klein bauen.

An ihre Stelle treten nun Metalle mit Gedächtnis, die stufenlos verformt werden können. Sobald ein schwacher Strom hindurchfließt, erwärmen sie sich und dehnen sich auf definierte Größe aus. Der Stromverbrauch liegt nur bei einem Bruchteil verglichen mit einem Elektromotor. So können sie Lüftungsschächte, Tankklappen, Handschuhfächer und Türschlösser aufdrücken. Mit einem Formgedächtnisdraht statt Elektromotor wird das gesamte System einfacher, leichter, kleiner. Der Preis sinkt auf die Hälfte, rechnete das IWU am Beispiel einer Lüftungsklappe aus.

Meist bestehen Formgedächtniswerkstoffe aus metallischen Legierungen und ändern ihre Form mit der Temperatur. Besonders verbreitet sind Nickel-Titan-Legierungen. Aber auch Kunststoffe und Verbundwerkstoffe können sich eines anderen Zustands entsinnen und so zwischen zwei Gestalten hin- und hergeschaltet werden. Das zweite Aussehen ist in der Molekülstruktur gespeichert. Bei der Umwandlungstemperatur wechselt die Anordnung der Atome im Metall. Wie der Formgedächtniseffekt im Detail funktioniert, sei "noch nicht vollständig verstanden", sagt Materialwissenschaftlerin Mareike Frensemeier vom Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken (INM). Die Erfahrung lehrt allerdings: Bis zu 100.000 Mal kann ein Formgedächtnismaterial umschalten. "Es zeigt keine Ermüdung. Und die Formänderung ist stets sehr klein und exakt. Das sind die großen Vorteile."

Da die Nickel-Titan-Drähte sich sogar mikrometergenau ausdehnen, können sie Elektromotoren auch dort ersetzen, wo es um höchste Präzision geht: Die Firma Actuator Solutions im fränkischen Gunzenhausen arbeitet etwa daran, die Linse in Handykameras mithilfe eines Nickel-Titan-Drahtes zu justieren. Der schlaue Draht stellt auf Knopfdruck das Bild scharf: Ein Strom fließt hindurch und erwärmt das Bauteil, sodass es sich ausdehnt und die Linse in die gewünschte Position des optischen Systems rückt. Weil der Formgedächtnis-Aktor weniger Platz benötigt als der kleinste Elektromotor, kann der Fotoapparat in immer flachere Geräte integriert werden. Laut Actuator Solutions sollen Handys mit der neuen Technik in ein bis zwei Jahren in die Läden kommen.