Keramik Kalziumkarbonat pressen statt brennen - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Keramik

Kalziumkarbonat pressen statt brennen

Eine Ein-Franken-Stück große Probe kalt gesintertes Kalziumkarbonat (Bild: ETH Zürich / Peter Rüegg)
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Bei einer neuen Keramik-Herstellungsmethode werden die Ausgangsstoffe bei Raumtemperatur bei hohem Druck zusammengepresst. Der Brennvorgang entfällt. Diese Methode ist deutlich energieeffizienter und könnte sogar CO2 binden.

Um Zement, Backsteine, Badezimmerfliesen und Porzellangeschirr herzustellen, bedarf es normalerweise großer Hitze: In einem Brennofen werden die keramischen Materialien bei Temperaturen deutlich über 1000 °C gebrannt. Materialwissenschaftler der ETH Zürich entwickelten nun eine auf den ersten Blick verblüffend einfache alternative Herstellungsmethode für Keramik. Sie funktioniert bei Raumtemperatur. Als Ausgangsstoff verwenden die Forscher ein Kalziumkarbonat-Nanopulver. Anstatt es zu brennen, versetzen sie es mit wenig Wasser und pressen es zusammen.

Gesteinsbildung in einer Stunde
„Der Herstellungsprozess lehnt sich an die geologische Gesteinsbildung an“, erklärt Florian Bouville, Postdoc in der Gruppe von André Studart, Professor für komplexe Materialien. Sedimentgestein entsteht, indem Sedimente durch den Druck darüberliegender Ablagerungen während Millionen von Jahren komprimiert werden. Kalziumkarbonat-Sedimente werden so zu Kalkstein. Weil die ETH-Forscher als Ausgangsstoff Kalziumkarbonat in extrem feiner Partikelgröße verwendeten (Nanopartikel), dauert bei ihnen das Verdichten bloß eine Stunde. „Unsere Arbeit ist der erste Nachweis für die Herstellung eines Keramikmaterials bei Raumtemperatur in so kurzer Zeit und bei relativ tiefem Druck“, sagt ETH-Professor Studart.
Stärker als Beton
Wie Tests ergaben, hält das neue Material rund zehnmal höhere Kräfte aus als Beton, bevor es bricht. Und es ist ähnlich steif wie Stein und Beton. Das heißt, es lässt sich gleich schlecht verformen.
Bisher haben die Wissenschaftler Materialproben von der Größe eines Ein-Franken-Stücks hergestellt. Dies gelang ihnen auf einer herkömmlichen hydraulischen Presse, wie sie standardmäßig auch in der Industrie verwendet wird. „Die Herausforderung ist, für den Verdichtungsprozess einen genügend hohen Druck zu erzielen. Um größere Werkstücke herzustellen, sind entsprechend größere Kräfte nötig“, sagt Bouville. Keramikstücke in der Größe von kleineren Badezimmerfliesen sollten laut den Wissenschaftlern jedoch im Bereich des theoretisch Machbaren liegen.
Energieeffizient und klimafreundlich
Die neue Raumtemperatur-Methode – Experten bezeichnen sie als „kaltes Sintern“ – ist durch den fehlenden Brennprozess viel energieeffizienter. Außerdem könnten damit Verbundwerkstoffe, die zum Beispiel Kunststoff enthalten, hergestellt werden.
Interessant ist die Technik schließlich im Hinblick auf eine künftige CO2-neutrale Gesellschaft. Es ist nämlich denkbar, für die Herstellung der Karbonat-Nanopartikel aus der Atmosphäre oder aus dem Abgas von Wärmekraftwerken abgeschiedenes CO2 zu nutzen. Man könnte das abgeschiedene CO2 mit Pulver eines geeigneten Gesteins reagieren lassen und auf diese Weise Karbonat herstellen, aus dem dann bei Raumtemperatur Keramik produziert wird. Das klimaschädliche CO2 würde damit langfristig in Keramikprodukten gespeichert. Diese stellten eine CO2-Senke dar und könnten mithelfen, Wärmekraftwerke klimaneutral zu betreiben.
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