Keramik ohne Brennofen

Um Zement, Backsteine, Badezimmerfliesen und Porzellangeschirr herzustellen, bedarf es normalerweise grosser Hitze: In einem Brennofen werden die keramischen Materialien bei Temperaturen deutlich ¨¹ber 1000 Grad Celsius gebrannt. Materialwissenschaftler der ETH Z¨¹rich entwickelten nun eine auf den ersten Blick verbl¨¹ffend einfache alternative Herstellungsmethode f¨¹r Keramik. Sie funktioniert bei Raumtemperatur. Als Ausgangsstoff verwenden die Forscher ein Kalziumkarbonat-Nanopulver. Anstatt es zu brennen, versetzen sie es mit wenig Wasser und pressen es zusammen.

?Der Herstellungsprozess lehnt sich an die geologische Gesteinsbildung an?, erkl?rt Florian Bouville, Postdoc in der Gruppe von Andr¨¦ Studart, Professor f¨¹r komplexe Materialien. Sedimentgestein entsteht, indem Sedimente durch den Druck dar¨¹berliegender Ablagerungen w?hrend Millionen von Jahren komprimiert werden. Kalziumkarbonat-Sedimente werden so zu Kalkstein. Weil die ETH-Forscher als Ausgangsstoff Kalziumkarbonat in extrem feiner Partikelgr?sse verwendeten (Nanopartikel), dauert bei ihnen das Verdichten bloss eine Stunde. ?Unsere Arbeit ist der erste Nachweis f¨¹r die Herstellung eines Keramikmaterials bei Raumtemperatur in so kurzer Zeit und bei relativ tiefem Druck?, sagt ETH-Professor Studart.

St?rker als Beton

Wie Tests ergaben, h?lt das neue Material rund zehnmal h?here Kr?fte aus als Beton, bevor es bricht. Und es ist ?hnlich steif wie Stein und Beton. Das heisst, es l?sst sich gleich schlecht verformen.

Bisher haben die Wissenschaftler Materialproben von der Gr?sse eines Ein-Franken-St¨¹cks hergestellt. Dies gelang ihnen auf einer herk?mmlichen hydraulischen Presse, wie sie standardm?ssig auch in der Industrie verwendet wird. ?Die Herausforderung ist, f¨¹r den Verdichtungsprozess einen gen¨¹gend hohen Druck zu erzielen. Um gr?ssere Werkst¨¹cke herzustellen, sind entsprechend gr?ssere Kr?fte n?tig?, sagt Bouville. Keramikst¨¹cke in der Gr?sse von kleineren Badezimmerfliesen sollten laut den Wissenschaftlern jedoch im Bereich des theoretisch Machbaren liegen.

Energieeffizient und klimafreundlich

?Schon seit l?ngerer Zeit werden in der Materialwissenschaft Wege gesucht, um keramische Materialien bei milden Bedingungen herzustellen. Denn der Brennprozess ben?tigt viel Energie?, sagt ETH-Professor Studart. Die neue Raumtemperatur-Methode ¨C Experten bezeichnen sie als ?kaltes Sintern? ¨C ist denn auch viel energieeffizienter. Ausserdem k?nnten damit Verbundwerkstoffe, die zum Beispiel Plastik enthalten, hergestellt werden.

Interessant ist die Technik schliesslich im Hinblick auf eine k¨¹nftige CO₂-neutrale Gesellschaft. Es ist n?mlich denkbar, f¨¹r die Herstellung der Karbonat-Nanopartikel aus der Atmosph?re oder aus dem Abgas von W?rmekraftwerken abgeschiedenes CO₂ zu nutzen. Man k?nnte das abgeschiedene CO₂ mit Pulver eines geeigneten Gesteins reagieren lassen und auf diese Weise Karbonat herstellen, aus dem dann bei Raumtemperatur Keramik produziert wird. Das klimasch?dliche CO₂ w¨¹rde damit langfristig in Keramikprodukten gespeichert. Diese stellten eine CO₂-Senke dar und k?nnten mithelfen, W?rmekraftwerke klimaneutral zu betreiben.

In dem neuen Ansatz des ?kalten Sinterns? sehen die Wissenschaftler sogar das Potenzial, l?ngerfristig umweltfreundlichere Ersatzmaterialien f¨¹r Zement-Baustoffe zu finden. Dazu sind allerdings noch grosse Forschungsanstrengungen n?tig.  Die Zementherstellung ben?tigt nicht nur viel Energie, es entstehen dabei auch grosse Mengen CO₂ ¨C nicht so bei kalt gesinterten Ersatzmaterialien.