Erfinder des Jahres 2018

Herausragende Erfindung

Wenn die Tests positiv ausfallen, haben wir zum ersten Mal seit 25 Jahren eine neue Beschichtungsmischung auf Basis von theoretischen Berechnungen gefunden.

Werner Stamm und Arturo Flores Renteria, Power and Gas

Die Effizienz einer Gasturbine lässt sich steigern, indem man die Verbrennungstemperatur erhöht. Um diesen hohen Temperaturen standzuhalten, verfügen die Schaufeln über eine keramische Dämmschicht. Werner Stamm von Power and Gas in Mülheim und Arturo Flores Renteria in Berlin forschen mit einer völlig neuen Methode an einer Wärmedämmbeschichtung, die noch höhere Einsatztemperaturen der Schaufeln zulässt.

 

„Viele Forscher suchen bereits seit Jahren nach einer neuen Zusammensetzung für die Wärmedämmbeschichtung von Turbinenschaufeln, die einer Hitze im Bereich der Verbrennungstemperatur widersteht“, sagt Stamm. Warum das so schwierig ist, ergibt sich aus den spezifischen Anforderungen an die Schicht: Die Gitterstruktur der Keramik muss, kristallografisch gesprochen, tetragonal sein, damit sie nicht zu weich oder zu spröde ist. Die Grundmischung besteht heute im Wesentlichen aus Zirkonoxid und Yttriumoxid. Diese Verbindung hält Temperaturen bis etwa 1.200 Grad Celsius aus, ohne dass kritische Phasenumwandlungen stattfinden. Siemens will die Effizienz weiter erhöhen, aber die Kosten für neue Entwicklungen auf ein erträgliches Maß begrenzen. Die beiden Forscher hatten die Idee, neue Mischungen zunächst mithilfe einer speziellen Computersimulation zu testen, bevor es in die aufwendigen Laborexperimente geht.

 

Diese Vorgehensweise ist für dieses Problem völlig neu, und dies aus gutem Grund: Die Wechselwirkung zwischen einer Vielzahl von Atomen quantenmechanisch zu berechnen ist so komplex, dass es die Kapazität heutiger Computer weit übersteigt. Professor Jochen Schneider am Lehrstuhl für Werkstoffchemie an der RWTH Aachen hat ein Modell auf Basis der Dichtefunktionaltheorie entwickelt, das das Verhalten eines Vielteilchensystems auf die Berechnung des Grundzustandes einer Teilchendichte zurückführt. Nach Vorgesprächen mit Prof. Schneider entschieden die drei Forscher, die Simulation am Computer erstmals für diese Anwendung auszuprobieren.

 

Auf Grundlage der bereits bekannten Formel tasteten sich Stamm und Flores Renteria Stück für Stück voran. „Mal ersetzten wir ein Element durch ein anderes, mal veränderten wir die Relation der Mengen“, erklärt Flores Renteria. So kamen sie zügig zu einer Formel, die in der Simulation den Anforderungen entsprach und die sie patentieren ließen. Jetzt folgen die Experimente im Labor, wo sich zeigen wird, ob die chemische Zusammensetzung in der Praxis hält, was sie auf dem Papier verspricht.