Graphen gilt seit seiner Entdeckung als einer der wichtigsten Durchbrüche in der Materialwissenschaft. Dieses „Wundermaterial“ wurde weithin überbewertet und hat sein Potenzial immer noch nicht ausgeschöpft. Wir können jetzt sehen, dass konkretere und realistischere Anwendungen auf den Markt kommen – nicht so außergewöhnliche Versprechungen wie der Weltraumaufzug. Was wäre, wenn wir die Kohlenstoffemissionen der Zementproduktion um 20 % senken und mithilfe von Graphen billigere und leistungsstärkere Elektrofahrzeugbatterien herstellen könnten? Beginnt Graphen endlich, sein Versprechen einzulösen?
Graphen ist ein sechseckiges Wabengitter, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Es handelt sich um eine physikalische Form von Kohlenstoff mit einer molekularen Bindungslänge von 0,142 Nanometern und jedes Atom ist durch sehr enge Bindungen mit drei weiteren Atomen in seiner Umgebung verbunden. Graphen hat im Wesentlichen nur zwei Dimensionen, und wenn wir mehrere Schichten davon übereinander stapeln, können wir es in Graphit umwandeln.
Das „Wundermaterial“, wie Graphen oft genannt wird, ist eines der dünnsten Materialien, die wir kennen, und die leichteste jemals entdeckte Verbindung (mit einem Gewicht von etwa 0,77 mg/m²). Graphen ist außerdem eine der stärksten Verbindungen (zwischen 100 und 300 Mal stärker als Stahl) sowie einer der besten Wärme- und Stromleiter bei Raumtemperatur (es hat eine um 70 % höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer). Sie können sehen, warum so viele Menschen es als die nächste technologische Revolution begrüßten.
Die Forschung zu Graphen begann 1947 durch den Physiker Philip R. Wallace, wurde jedoch erst 2004 von Forschern der Universität Manchester im Vereinigten Königreich von Geim und Novoselov entdeckt. Mit einem Klebeband lösten sie Flocken von einem Graphitklumpen und trennten die Schichten, bis sie nur noch ein Atom dick waren. Die Entdeckung war so revolutionär, dass ihnen 2010 der Nobelpreis verliehen wurde.
Obwohl es theoretisch alle Eigenschaften aufweist, um ein ausgezeichnetes Material zu sein, ist die Herstellung von fehlerfreiem Graphen oft zu teuer. Sein Preis kann je nach Herstellungsbedingungen stark variieren, und die Methoden zur Massenproduktion dieses Materials waren nicht kosteneffektiv. Dies passiert häufig bei Entdeckungen im Labor. Es auf den Markt zu bringen und in großem Maßstab kostengünstig zu produzieren, kann äußerst schwierig sein.
Auch wenn die besten physikalischen Eigenschaften von Graphen mit der von Geim und Novoselov vorgeschlagenen Schälmethode erreicht werden können, ist dies nicht die effektivste und praktikabelste Methode zur Herstellung von Tonnen Graphen. Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eines der Hauptverfahren zur Herstellung von Graphen. Bei diesem Verfahren wird Graphen auf einem Substrat, häufig Kupferfolie, synthetisiert. Es ist jedoch immer noch eine Herausforderung, lange Schichten dieses Materials in großem Maßstab herzustellen.
Ein Beispiel für eine Partnerschaft, die versucht, diese Grenze zu überschreiten, ist jedoch das Joint Venture zwischen dem chinesischen Unternehmen Hangzhou Cable Co und der University of New South Wales, das versucht, Graphen-Stromkabel herzustellen. Die Kabel könnten Stromlecks reduzieren, Stromkosten und CO2-Emissionen senken und gleichzeitig die Qualität der Netzübertragung verbessern. Die von der Universität entwickelte Technologie könnte theoretisch etwa 275 TWh einsparen. Das ist zwar sehr interessant, muss aber noch aus dem Labor kommen.
Da Graphen stark, leicht und ein hervorragender Wärmeleiter ist, kann es ein hervorragendes Material für die Herstellung von Kühlkörpern oder Wärmeableitungsfolien sein. Die neuesten Smartphones von Huawei verwenden beispielsweise Wärmefolien auf Graphenbasis, und das britische Unternehmen Graphene Lighting stellt LED-Leuchten her, bei denen Graphen als Wärmeableitungslösung zum Einsatz kommt.
Unterdessen hat das in Australien ansässige Unternehmen First Graphene die Zement- und Betonindustrie im Visier. Zement ist für 8-10 % der CO2-Emissionen verantwortlich, was erklärt, warum er auf der COP26 ein Ziel für die CO2-Reduktion war. Vierzig der weltweit größten Zement- und Betonunternehmen haben sich zusammengeschlossen, um den Übergang zu umweltfreundlicherem Beton zu beschleunigen, indem sie sich verpflichten, die CO2-Emissionen bis 2030 um 25 % zu reduzieren.
Als Bindemittel für Zement wird Klinker verwendet. Dabei werden für jede produzierte Tonne Klinker enorme Mengen Strom aufgewendet, etwa 800-900 kg CO2 pro Tonne. First Graphene befasst sich mit dem letzten Mahlschritt, bei dem Graphen die Effizienz des Zementmahlprozesses verbessern kann. Graphen reduziert die Oberflächenenergiekräfte, die zur Agglomeration oder Verklumpung der neu gebrochenen Zementpartikel führen.
Dazu stellen sie Graphen auf Basis einer elektrochemischen Exfoliation her, bei der durch Anlegen einer Spannung aus Graphit Graphen gewonnen wird. Anstatt Klebeband zu verwenden, um Graphenschichten abzureißen, verwenden Sie Elektrizität, um Graphenschichten abzulösen. Es wirft grundsätzlich eine Schicht Graphen nach der anderen ab. Sie können Graphenplättchen mit einer Größe zwischen 5 und 70 Mikrometern herstellen, die dann leicht in Materialien wie Beton dispergiert werden können.
Die Zugabe einer kleinen Menge ihres Graphenprodukts PureGRAPH® AQUA (nur 0,01 % der gesamten Betonmischung) zum Beton verbessert die Zug- und Druckfestigkeit. Außerdem wird das Gewicht reduziert und die Gefahr von Rissen verringert. In meinem Gespräch mit dem Unternehmen erklärten sie, wie diese Verbesserungen zustande kommen:
„…Graphen ist eine nanoskalige Verstärkung – wie ein Stahlverstärkungsstab, aber auf atomarer Ebene. Das Graphen kann das Zementgel durchdringen und die Entstehung von Rissen im Nanomaßstab verhindern…“ – First Graphene
Laut einer Fallstudie des Unternehmens erhöht PureGRAPH bei Tests nach internationalen Standardmethoden die Druckfestigkeit von Beton um 34 % und die Zugfestigkeit um 27 %. Darüber hinaus verlängert es die Lebensdauer von Stahlbetonkonstruktionen, da es Korrosion vermeidet und zudem die Klinkerbildung um 20 % reduziert. Hier kommt die CO2-Reduzierung ins Spiel, da sie beim Klinker hilft. Der CO2-Ausstoß kann um 18–20 % reduziert werden. Wenn die kommerziellen Anwendungen dieses mechanischen Wunderwerks mit der Zeit reifen, werden wir hoffentlich eine große Veränderung zum Besseren erleben.
Graphene - where is our promised wonder material?
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