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Eierschalen könnten Metalllegierungen deutlich stärker machen
Aus Küchenabfall könnte ein Rohstoff für leichtere Metallverbunde werden. Forscher haben gemahlene Eierschalen per Reibextrusion direkt in eine Magnesium-Zink-Matrix eingearbeitet. Dabei zerfallen Teile des Calciumcarbonats und reagieren an den Grenzflächen. In Tests zeigte der Verbund laut Studie höhere Härte und Druckfestigkeit als das Ausgangsmaterial.
Raleigh (U.S.A.). Magnesiumlegierungen verbinden geringes Gewicht mit guten mechanischen Eigenschaften und sind deshalb für Bauteile interessant, bei denen jedes eingesparte Gramm zählt. Um ihre Eigenschaften gezielt zu verändern, werden ihnen unter anderem calciumhaltige Stoffe zugesetzt. Deren Herstellung aus mineralischen Rohstoffen benötigt aber zusätzliche Verarbeitungsschritte und Energie.
Eierschalen bestehen zu rund 95 Prozent aus Calciumcarbonat. Sie könnten damit einen Teil dieses Rohstoffbedarfs aus biogenem Abfall decken. Offen war bisher vor allem, ob sich das Schalenmaterial direkt während einer Festkörperverarbeitung so in Magnesium einbauen lässt, dass ein stabiler Verbund mit verbesserten Eigenschaften entsteht.
Forscher der North Carolina State University (NC State) um Bharat Gwalani haben dafür eine Reibextrusion eingesetzt. In einen zylindrischen Magnesiumblock bohrten sie gleichmäßig verteilte Löcher und füllten diese mit fein gemahlenen Eierschalen. Anschließend presste ein Stahlstempel auf das Material und rotierte mit 300 Umdrehungen pro Minute, während der entstehende Verbund durch eine Öffnung zu einem Stab extrudiert wurde.
„Calcium wird Magnesium zugesetzt, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Wir wollten herausfinden, ob wir biogenen Abfall, also Eierschalen, nutzen können, um die benötigten Calciummaterialien während des Herstellungsprozesses zu erzeugen“, erklärt Bharat Gwalani.
Die Reibung erzeugt Wärme, ohne dass das gesamte Metall aufgeschmolzen werden muss. Zugleich wirken starke Scherkräfte auf das Pulver und die Metallmatrix. Dadurch verteilten sich die Schalenpartikel im Magnesium und das Gefüge rekristallisierte während der Verarbeitung, wobei sich neue, feinere Metallkörner bildeten.
Elektronenmikroskopische Analysen zeigten, dass die Calciumcarbonat-Partikel bis in den Nanometerbereich zerkleinert wurden. An den Grenzflächen entstanden Calciumoxid und Magnesiumoxid. Nach Angaben der Studie verbessern diese Reaktionen zusammen mit der verfeinerten Kornstruktur die Bindung zwischen den Partikeln und der Metallmatrix sowie die Stabilität des Gefüges.
Auch die mechanischen Tests sprechen für einen Verstärkungseffekt. Die Tests zeigen eine höhere Härte und Druckfestigkeit des Eierschalen-Verbunds gegenüber dem Ausgangsmaterial. Damit belegt die Arbeit zunächst im Labormaßstab, dass Schalenpulver nicht nur als Füllstoff im Magnesium verbleibt, sondern zur mechanischen Funktion des Verbunds beitragen kann.
„Das hat viele Vorteile. Es sind weniger Schritte nötig. Man hat eine verlässliche, nachhaltige Lieferkette. Eierschalen sind günstig. Und man benötigt deutlich weniger Energie, weil der Prozess zur Herstellung von Calciumprodukten aus Erzen entfällt“, sagt Bharat Gwalani.
Der mögliche Energie- und Umweltvorteil ist allerdings noch nicht quantitativ belegt. Die Studie bezeichnet den Ansatz als energieeffizient, liefert aber keinen vollständigen Vergleich des Energieverbrauchs, der Kosten oder der Emissionen mit konventionellen Herstellungswegen. Auch die mechanischen Ergebnisse stammen aus einem frühen Machbarkeitsnachweis und ersetzen noch keine Prüfung großer Bauteile unter realen Einsatzbedingungen.