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  • 21.12.2011
  • von Richard Rabensaat

Betonmuskel

von Richard Rabensaat

Exakt. Die künstliche Haut ermöglicht sehr genaue Messungen. Foto: Andreas Klaer

Ein neues Messinstrument für Gebäudeschäden entwickelt eine Projektgruppe an der Universität Potsdam

Der künstliche Muskel entwickelt sich nicht so schnell, wie die Physiker Matthias Kollosche und Guggi Kofod gedacht hatten. Aber er entwickelt sich. Am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam arbeiten die beiden Forscher an einem raffinierten Konzept für sensible Materialien. Die machen im Idealfall aus einer simplen Betonbrücke ein Gebilde, das seine jeweilige Befindlichkeit direkt an Techniker übermittelt, die mit dem Bauwerk über eine Datenleitung verbunden sind. Das Projekt wurde am Dienstag an der Uni Potsdam offiziell vorgestellt.

Eingeklemmt zwischen den zwei Backen eines Schraubstockes hängt in dem von fahlem gelben Licht erleuchteten Labor ein flexibler, weißer Polymerstreifen. Auf diesem sind Stücke einer silbernen Folie appliziert. Klammern an den Rändern des Streifens sind mit einem Messinstrument verbunden. Kollosche zieht an dem Streifen. „Wenn die Schicht gedehnt wird, verändert sich der Zustand des Sensors, wie stark , können wir auf dem Messgerät ablesen“, erklärt der Physiker.

Was die beiden Wissenschaftler im Kleinversuch im Labor in Potsdam demonstrieren, ist in den USA bereits in einer anderen Dimension angekommen. Dort musste die „sensible Haut“ schon für einen Versuch an einem zwei Meter großen und 100 Kilogramm schweren Betonblock herhalten. Auf die Kräfte, mit denen die Wissenschaftler dem Klotz dann zugesetzt haben, reagierte das aufgeklebte Material jeweils empfindlich.

„Das ist viel genauer als eine Messung mit dem bloßen Auge“, stellt Kollosche fest. Brücken und Rohrleitungen, Pfeiler und Staudämme, eigentlich ließe sich so ziemlich jedes Material mit der künstlichen Haut beschichten, vermuten die Physiker. Die silberne Haut funktioniert wie ein Kondensator. Die elektrischen Ladungen an den Elektroden verändern sich, wenn das Material gedehnt wird. Ein Riss im Betonguss, eine leichte Verformung am Metallflügel eines Flugzeugs oder eine Bruchstelle an einer Gasleitung: Unterschiedlichste Erscheinungen von Materialermüdung könnten mit dem neuen Material beobachtet werden, wenn dieses konsequent weiterentwickelt wird, behauptet das Forscherteam. Hierzu müssten die jeweiligen Objekte nicht ganzflächig mit der silbernen Haut eingekleidet werden. Es würde ausreichen, das Material an den vermuteten Bruchstellen aufzubringen. Mit Hilfe von Elektronik könnten dann die Zustände kontinuierlich an eine Schaltzentrale übermittelt werden. Ein derart genaues Messinstrument für den baulichen Zustand von wichtigen Infrastrukturelementen gebe es bisher noch nicht.

Das ist natürlich alles noch Zukunftsmusik. So weit ist die Forschung weder in Potsdam noch in den Vereinigten Staaten. Mit dem dünnen Plastikstreifen, am dem Kollosche zieht, ist allerdings ein vielversprechender Anfang gemacht. Das schätzen nicht nur die Forscher aus Europa so ein, sondern auch ihre amerikanischen Kollegen Simon Laflamme und Hristiyan Stoyanov. Sie unternehmen derzeit den Versuch, privatwirtschaftliche Firmen in den USA für die weitere Forschung an dem Projekt zu interessieren. Dort gibt es bereits einen Fachterminus für den Anwendungsbereich des neuen Materials: „structural health monitoring“, was sich ungefähr mit „Gesundheitsmonitoring für Gebäude“ übersetzen ließe. Gegenüber bisherigen Verfahren habe die „Haut“ den Vorteil, dass sie sich leichter aufbringen lässt und potenziell genauere Messdaten liefert. Zudem sei das Material und die Montage der Silberfolie ungleich billiger als alle bisher bekannten Messverfahren.

Andere Messmethoden, wie beispielsweise Glasfaserkabel, die Informationen über den Zustand von Beton, Stein oder Metall liefern könnten, lassen sich zudem nur schwer nachträglich in Bauwerke einfügen. In Deutschland ist die Forschung noch bis zum Jahresende durch das Bundesforschungsministerium garantiert.

Mit 1,3 Millionen Euro hat das Ministerium in den vergangenen fünf Jahren ein Forschungsprojekt unterstützt, dessen Forscher zunächst einmal gar nicht an den nun anvisierten Anwendungsbereich dachten. Eigentlich ging es um die Entwicklung eines „artificial muscle“, also eines „künstlichen Muskels“. Der aber sollte zunächst einmal nicht in Prothesen oder gar an menschlichen Gelenken zum Einsatz kommen, sondern bei iPads und Handys. Hersteller und Forscher planen künftig, die Elektronik der Geräte in einer Schale zu lagern, deren Außenflächen über den „künstlichen Muskel“ mit dem Innenleben verbunden sind. Auf elektronische Veränderungen auf dem Bildschirm des Gerätes reagiert auch der „Muskel“ entsprechend. „Wenn auf dem Bildschirm Würfel geworfen werden, verändert sich die elektrische Spannung. Es erscheint so, als würden die Würfel an den Rand des Gerätes prallen“, beschreibt Kofod das „haptische Feedback“, das die neuartigen Geräte liefern sollen. Richard Rabensaat

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