Carbonfaser-verstärkter Beton gewinnt den Deutschen Zukunftspreis

Deutscher Zukunftspreis 2016: Die Erfindungen der Teams

Die begehrte Trophäe

Seit 1997 nominiert das Kuratorium des Deutschen Zukunftspreises jedes Jahr drei Teams für ihre großartigen Erfindungen. Aber nur ein Team hat am 30. November diese mit 250.000 Euro dotierte Trophäe entgegen genommen: Die Erfinder von Carbon-armiertem Beton.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Die Erfindungen der Teams

Team 1 gewinnt: Eine Hightech-Weberei

Und so geht's: Hier werden Fasern gewebt - aber ganz besondere Fasern. Die Carbonfasern sollen einmal als Armierung (Verstärkung) in Bauwerken dienen. Die Erfindung der TU-Dresden entstand nicht umsonst auch am Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstoffe.

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Unter Rotlicht gestählt

Das Carbongewebe ist flexibler als herkömmliche Stahlarmierungsmatten. Hier werden die Fasern unter Rotlicht getrocknet und verbacken. Dabei kommt ein hochfestes Armierungsgewebe heraus.

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Auf die Rolle

Das Gewebe enthält sehr unterschiedliche Fasertypen mit besonderen Eigenschaften. Je nachdem welchen Belastungen das Bauwerk einmal standhalten soll, können die Ingenieure genau das produzieren, was sie brauchen.

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In die Wand

Betonwände mit dem neuen Armierungsgewebe müssen nur wenige Zentimeter dick sein. So lassen sich extrem leichte und filigrane Architektenentwürfe realisieren. Selbst für Möbel, wie Tischplatten oder sogar Sitzbänke lässt sich Carbonbeton nutzen.

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Größenvergleich

Die Stahlbetonarmierung (links) und der Carbonbeton (rechts) erreichen etwa die gleiche Festigkeit. Carbonarmierungen haben aber noch einen sehr weiteren Vorteil: Dringt doch einmal Wasser in das Bauwerk ein, kann das Carbon nicht rosten, sondern behält seine Stabilität. Brücken oder andere Bauwerke dürften also damit länger halten.

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Schön ist es auch

Wer sagt, Beton sei hässlich? Mit dem neuen Carbonbeton könnte sich mancher Architekt sogar die Metallverblendungen sparen und zum reinen Stil des modernen Brutalismus zurückkehren. Der heißt so, weil dort roher Beton ("béton brut") als Gestaltungsprinzip sichtbar dominiert.

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Team 2: Aufbrenn-Düse für Nanopartikel

Mit dieser speziellen Aufbrenn-Düse für Nanopartikel beschichten die Erfinder des zweiten Teams bei Daimler Zylinderblocks für Motoren von innen mit einem dünnen Belag aus nanometerfeinen Poren. Diese stellen Ölreservoirs dar und ermöglichen einen Betrieb des Motors fast ohne Reibungsverluste.

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Verdampfung im Lichtbogen

Zwei Drähte aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung erzeugen einen Lichtbogen im Inneren des Motor-Zylinders. Darin verdampfen winzige Metalltröpfchen unter einem Strom von Stickstoffgas. Die dabei entstehenden Nanopartikel legen sich wie ein Film auf das Metall.

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Saubere Lösung

Hier erahnt man, wie glatt die Oberfläche des Zylinders ist. Die Reibungsverluste sind so gering, dass sich bei einem herkömmlichen Motor gut drei Prozent Treibstoff einsparen lassen. Auch die Bauweise des Motors kann leichter und kleiner sein, weil auf zusätzliche Elemente verzichtet werden kann.

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Team 2: Besseres Licht für die Dunkelheit

Forscher von BMW und Osram haben das Autolicht neu erfunden. Sie nutzen einen Laser als Lichtquelle. Das Problem: Der Laser strahlt blaues Licht aus. Damit man gut sehen kann, braucht man aber schönes weißes Licht

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Aus blau wird weiß

Spezialkeramiken wandeln einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht um. Dann vermischen sich Teile des blauen und gelben Lichts miteinander und liefern ein punktgenaues weißes Licht.

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Elektronik gegen das Blenden

Eine komplexe Elektronik macht es möglich, dass das Fernlicht entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge aus dem Lichtkegel ausblendet. So wird sichergestellt, dass keine anderen Fahrer geblendet werden. Fußgänger und Rehe allerdings schon.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Die Erfindungen der Teams

Weitsicht

600 Meter weit reicht der neue Scheinwerfer, der hier schon in einem Serienfahrzeug verbaut ist. Und mit so einem Auto sind die Erfinder dieser Sicherheitstechnik auch gut in Berlin zur Preisverleihung angekommen. Auch wenn sie den Preis nicht gewonnen haben - wir gratulieren allen drei Teams zu ihren tollen Erfindungen.

Drei Erfindungen waren im Rennen um den Zukunftspreis. Durchgesetzt hat sich ein starker Konkurrent für den Stahlbeton - eine Armierung aus Carbonfasern. Wir stellen auch die anderen Nominierten vor.

Drei Teams waren für den Deutschen Zukunftspreis 2016 nominiert. Das Kuratorium hatte die Kandidaten am schon am 21. September 2016 in München vorgestellt. Sie kommen aus Bayern, Baden-Würtemberg und Sachsen.

Wissen & Umwelt | 02.12.2015

Bei der heutigen Verleihung hat sich ein Team durchgesetzt, das die Architektur filigraner und leichter macht. Bundespräsident Joachim Gauck überreichte den mit 250.000 Euro dotierten Preis.

Die Gewinner sind Team 1: Erfinder schöner und stabiler Bauwerke

Stahlbeton ist toll zum Bauen: Er gewährleistet Brandschutz, Belastbarkeit und Sicherheit. Aber er hat auch Schwächen: Das Eisengeflecht in seinem Inneren kann rosten. Viele Brücken aus den 1960er und 70er Jahren sind inzwischen in die Jahre gekommen und müssen erneuert werden. Wetter und immer schwererer Lastverkehr haben ihnen zugesetzt.

Peter Offermann, Manfred Curbach und Chokri Cherif haben den Beton neu erfunden - hier in Form einer eleganten Sitzbank

Drei Professoren von der Technischen Universität Dresden haben den Carbonbeton als Konkurrenz zum Stahlbeton erfunden. Der Beton enthält Carbonfasern statt Eisen im Inneren. Die Fasern sind nach Angaben der Forscher noch fester als Stahl und korrodieren nicht. Bauwerke ließen sich damit viel schlanker und eleganter bauen; die Bauwerke hielten auch viel länger.

Wissen & Umwelt | 02.12.2015
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Projekt Zukunft | 18.11.2016

Bauen mit Carbonbeton

Die Erfinder haben sich aus zwei recht verschiedenen Forschungsrichtungen zusammengetan: Manfred Curbach leitet das Institut für Massivbau, Chokri Cherif das für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik. Dessen Kollege Peter Offermann ist ungeachtet seines Ruhestands noch immer in Forschung und Lehre aktiv. 

Und hier sind die beiden unterlegenen Teams, auch mit tollen Erfindungen: 

Team 2: Zylinderkolben ohne Reibungsverluste

In jedem Verbrennungsmotor gibt es Reibungsverluste, und zwar immer da, wo Metall auf Metall reibt: an der Kurbelwelle und dort, wo der Zylinderkolben rauf- und runtergeht.

Die Reibungen versucht man bisher, durch Motorenöl möglichst gering zu halten. Das soll auch die Lebensdauer des Motors erhöhen. Neuere Methoden, den Widerstand zu senken, sind Aluminium-Silizium-Legierungen als Laufbahn für die Zylinder. Auch baut man eigene Kurbelgehäuse aus Aluminium ein, die mit einer schwere Buchse aus Grauguss versehen sind.

Manuel Michel, Patrick Izquierdo und Bernd Zapf machen Motoren leichtgängiger mit einer Nanobeschichtung

Aber es geht noch besser, sagen Ingenieure von Daimler in Ulm, Patrick Izquierdo und Manuel Michel, sowie Bernd Zapf von der Gebrüder Heller Maschinenfabrik in Nürtingen. Sie haben eine Beschichtung namens Nanoslide erfunden. Das ist eine zehntelmillimeterdünne spiegelglatte Gleitschicht, die an der Innenwand der Motorenzylinder angebracht wird und eine zusätzliche Buchse überflüssig macht.

Es gelang so, die Reibungsverluste auf die Hälfte zu reduzieren. Praktisch verringert sich der Sprit-Verbrauch eines Autos mit dieser Technik um etwa drei Prozent. Ein weiterer Vorteil: Die Motoren können kleiner und leichter werden - eine wichtige Voraussetzung für Automobil-Leichtbau, etwa in Hybridfahrzeugen.

Themenseiten

Team 3: Laserlicht im Auto - gebündelter Blick auf die Straße

Um Unfälle zu vermeiden, müssen Autofahrer nachts besonders gut sehen können, dachten sich die Erfinder Carsten Setzer vom Bereich Autolampen des Herstellers Osram und Christian Amann aus der Abteilung Lichtsysteme bei BMW in München.

Sie tüftelten an einem stark gebündelten Laserlicht, das den entscheidenden Bereich der Straße so hell ausleuchtet wie Tageslicht, aber auch niemanden blendet - scheinbar ein Widerspruch. Denn Laserlicht ist ein auf einen Punkt fokussiertes Licht in nur einer Wellenlänge. Tageslicht hingegen ist ein breit gestreutes Licht mit einem sehr breiten Wellenspektrum.

Carsten Setzer und Christian Amann sorgen dafür, dass wir nachts besser sehen können

Setzers und Amanns Lösung: Sie richteten eine Laserquelle mit blauem Licht auf eine Keramik aus, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Durch das Mischen des gelben und blauen Lichtanteils gelang es ihnen, einen weißen Lichtpunkt zu erzeugen, der fast genauso gut gebündelt war wie ein Laserstrahl.

Das Laser-Fernlicht, welches bereits heute in einigen Fahrzeugserien eingebaut wird, strahlt gut 600 Meter weit. Es ergänzt ein konventionelles LED-Abblendlicht mit einer Reichweite von 300 Metern. Ein speziell entwickelter Fernlichtassistent sorgt dafür, dass entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge aus dem Lichtkegel ausgeblendet und damit nicht geblendet werden.


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