Materialien der Zukunft: Graphen und Beton

Die Bauindustrie wächst aufgrund des Bevölkerungswachstums und der raschen Urbanisierung. Es steht jedoch auch vor erheblichen Hürden bei der Reduzierung seines CO2-Fußabdrucks, insbesondere des Fußabdrucks im Zusammenhang mit zementbasierten Produkten. Bei der Herstellung von Zement, der zum Binden von herkömmlichem Beton und Mörtel verwendet wird, werden Kalkstein und andere Materialien auf rund 1.480 Grad Celsius erhitzt. Dieser Prozess führt zur Freisetzung großer Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre. Wenn die Bauindustrie ein Land wäre, würde sie nach den USA und China bei den Emissionen an dritter Stelle stehen.

Durch die Integration von Graphen in Beton können Ingenieure und Architekten Strukturen schaffen, die weniger Material erfordern und dennoch die gleiche strukturelle Leistung wie herkömmlicher Beton erzielen. Mit Graphen angereicherter Beton ist 2,5-mal stärker und 4-mal weniger wasserdurchlässig als Standardbeton. Es wird viel weniger Zement benötigt, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen. Dadurch wird eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 30 % erwartet.

Im März 2022 stellte der Graphene Flagship-Partner Versarien die weltweit erste 3D-gedruckte Konstruktion mit einer graphenverstärkten Beimischung vor, die als Cementene™ geschützt ist. Im September 2022 präsentierte das Unternehmen dann ein kohlenstoffarmes Kunstwerk, Island Steps, das in Zusammenarbeit mit dem Designer Steuart Padwick entstand und auf der Design London präsentiert wurde.

Die Island Steps wurden ohne Verwendung von Zement gebaut. Stattdessen wurde Cementene™ verwendet, um die Festigkeit und Haltbarkeit des im Bauwesen verwendeten Mörtels zu verbessern. Das Ergebnis ist eine robuste und hohle Struktur, die bequem vor Ort oder außerhalb gebaut und dann an den vorgesehenen Standort transportiert werden kann.

Über die Festigkeit hinaus versuchen Forscher, die Leitfähigkeit von Graphen zu nutzen, um kabellos beheizte Wände, Tapeten und Böden herzustellen. Im Jahr 2019 stellte der Zementhersteller Italcementi auf dem Mobile World Congress 2019 in Barcelona, ​​Spanien, ein mehrschichtiges Bodenmodell vor. Es umfasste eine Schicht aus Graphen-Zement-Verbundwerkstoff sowie einen Unterboden, eine Polystyrol-Isolierung, eine Betonplatte, Bettungsmörtel und Keramikfliesen.

Intelligenter Beton könnte eine neue Generation intelligenter Gebäude einläuten. Dank der Leitfähigkeit und den thermischen Eigenschaften von Graphen ist es möglich, intelligente Sensoren auf gesamten Oberflächen einzusetzen, um Spannungen, Verformungen, Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der zivilen Infrastruktur in Echtzeit zu überwachen und Warnsignale zu geben, wenn die strukturelle Integrität kurz vor dem Versagen steht.

Die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit von Graphenbeton inspiriert zu weiteren möglichen Anwendungen. Es kann dazu beitragen, Start- und Landebahnen, Dächer und Straßen von Flughäfen zu enteisen, zu einem kostengünstigeren kabellosen Laden von Elektrofahrzeugen, antistatischen Bodenbelägen und einer Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) zu führen.

Graphenadditive sind wichtige Füllstoffe, die die Verschleißfestigkeit, die thermische Qualität, die Rissbeständigkeit und die Leitfähigkeit von Keramikmatrizen erhöhen.

Das Graphen-Flaggschiff-Partnerprojekt CERANEA, finanziert durch den gemeinsamen transnationalen Aufruf 2017 von FLAG-ERA, untersuchte die Eigenschaften von Materialien aus Stapeln, die Graphen, hexagonales Bornitrid (hBN) oder andere Schichtmaterialien enthalten, sowie von Keramiken wie Siliziumnitrid und Silizium Hartmetall und Zirkonoxid. Diese Materialien sind widerstandsfähiger gegen Schäden durch Lichtbögen als herkömmliche Keramiken und können daher als langlebige Beschichtungen für Kontakte und Schalter verwendet werden.

Darüber hinaus werden Verbundwerkstoffe mit Graphen, Siliziumnitrid oder Siliziumnitrid-Zirkonoxid als neuartige biomedizinische Implantate in der Orthopädie untersucht. Unterschiedliche Mengen an Graphen im Keramik-Graphen-Verbundwerkstoff führen zu unterschiedlichen Porositäten, die die natürliche Morphologie von natürlichem Knochen nachahmen.

Verweise:

Roller Disco vs. Klimawandel: Wie Graphen die Bauindustrie verändert https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the- Baugewerbe/

Versarien-Whitepaper „Graphen für den Bausektor“ 2021 https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

Detail einer 3D-gedruckten Inseltreppe, gebaut mit dem Markenprodukt Cementene von Versarien.

Das mehrschichtige Bodenmodell des Mobile World Congress von Italcementi zeigt sein elektrisch leitfähiges Graphen.

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.

Detail einer 3D-gedruckten Inseltreppe, gebaut mit dem Markenprodukt Cementene von Versarien.

Das mehrschichtige Bodenmodell des Mobile World Congress von Italcementi zeigt sein elektrisch leitfähiges Graphen.

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.