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Polymere Materialien - Prof. Manfred Wilhelm

Polymere Materialien - Prof. Manfred Wilhelm
   

Von der Gemüsetüte über Dichtungsprofile für Fenster bis zur Faser, die so zugfest ist wie Stahl, - Gegenstände und Werkstoffe aus polymeren Materialien gehören zum Alltag. Der Inhaber der Professur „Polymere Materialien“ am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie erforscht unter anderem den Zusammenhang zwischen molekularer Struktur und mechanischen Eigenschaften der natürlichen und synthetischen Stoffe aus Makromolekülen. (Foto: Nico Dingenouts, KIT)

Polymere Materialien

Prof. Manfred Wilhelm (Foto: Nico Dingenouts, KIT)
Prof. Manfred Wilhelm, ITCP

Das produzierte Volumen an Polymeren, die die Hauptkomponente von Kunststoffen sind, übertreffe seit vielen Jahren das Volumen der Stahlproduktion, so der Direktor des kollegial geleiteten Instituts für Technische Chemie und Polymerchemie am KIT. „Der Erfolg der Polymere im Verdrängungswettbewerb der Materialien beruht auf ihrer sehr guten Formbarkeit, auf ihrer Leichtigkeit und Festigkeit“, sagt Wilhelm. „Den Eiffelturm könnte man heute mit neuen Stählen auch mit der Hälfte seines Gewichts herstellen, da gibt es auch permanent Verbesserungen“, so der Chemiker. Da sie je nach Anordnung ihrer Molekülgruppen und der Art der Verknüpfung und Vernetzung verschiedene Eigenschaften aufweisen, sind synthetische Polymere vielfältig als Werkstoff einsetzbar. Im Zuge der Charakterisierung von polymeren Materialien misst, analysiert und quantifiziert der Chemiker die Stoffgruppe, um die mechanischen Eigenschaften der Polymere auf molekularer Ebene zu verstehen. Mit seiner Arbeitsgruppe entwickelt er immer wieder Ideen für weitere Anwendungsmöglichkeiten. So ist mit Hilfe von Hydrogelen eine neue Methode der Meerwasserentsalzung denkbar. Das hochabsorbierende Material, das unter anderem für Babywindeln genutzt wird, bildet ein dreidimensionales Netzwerk, das ähnlich wie ein Schwamm, aber effizienter Wasser aufnehmen kann. Da dieses Netzwerk bereits ionische Gruppen enthält, die auf den Polymersträngen sitzen, nimmt das Hydrogel Wasser auf, das weniger Salz enthält, als die umgebende Lösung. Das anschließend durch eine Hydraulikpresse aus dem Gel herausgedrückte Wasser enthält deutlich weniger Salz, und durch Wiederholung des Vorgangs lässt sich im besten Falle Süßwasser gewinnen. „Obwohl noch weit von der kommerziellen Umsetzung entfernt, ist dies ein Konzept, dessen Potenzial wir weiter untersuchen“, so Wilhelm. Da polymere Hydrogele in Verbindung mit Süßwasser bis zum tausendfachen ihres Volumens aufquellen, mit Salzwasser aber wieder entquellen und sich verflüssigen, sei zudem denkbar, sie für eine mechanische Kolbenbewegung zu nutzen, sagt der Chemiker. An einer Flussmündung mit Zugang zu Süß- und Salzwasser ließe sich mit Hilfe dieses Effekts mechanische Energie gewinnen, so der Forscher. Dass solch ein Osmosemotor prinzipiell funktioniert, hat sich im Labor bereits gezeigt. Eine andere erfolgreich erprobte Idee ist der Bau eines Entropierades, dessen gespannte Speichen aus Elastomer-Kunstoffen bestehen, die sich bei Erwärmung zusammenziehen und bei Abkühlung ausdehnen. Durch das Eintauchen der unteren Speichen in ein Becken mit warmem Wasser ziehen sich diese zusammen und verlagern den Schwerpunkt des Rades, so dass eine Drehbewegung entsteht. Im Test ließ sich auf diese Weise genügend Energie gewinnen, um ein Auto mehrere Meter zu ziehen. Genutzt werden könnte ein marktreifes Entropierad, um aus Abwärme, etwa von Kraftwerken oder Industrieanlagen Strom zu gewinnen, so der Experte.

afr

 

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Foto Entropierad: Nico Dingenouts, KIT
Foto Prof. Manfred Wilhelm: Nico Dingenouts, KIT