Leichtbau für Frachtschiffe: So wichtig wie nie

Niedrige Pegelstände behindern die Binnenschifffahrt und belasten die Konjunktur. Da Fahrrinnenvertiefungen ökologisch umstritten und Straßenverlagerungen unpraktikabel sind, bietet ein Leichtbau für Frachtschiffe eine nachhaltige Lösung, um auch bei Flachwasser Güter zuverlässig zu transportieren.

Beispielsweise könnten Schiffswände und Decks in Sandwich-Bauweise deutliche Gewichtseinsparungen ermöglichen, die bei Niedrigwasser die Zuladungsfähigkeit gegenüber dem Nettoschiffsgewicht um bis zu 30 Prozent erhöhen – oder bei gleicher Zuladung niedrigere Pegelstände vertragen.

Sandwich-Bauweise mit leichtem Kern aus Aluminiumschaum

In einer solchen Sandwich-Bauweise wird Aluminiumschaum zwischen zwei dünne Stahl- oder Aluminiumplatten platziert. Aluminiumschaum ist ein ultraleichter metallischer Strukturwerkstoff mit einer Dichte von deutlich unter einem Gramm pro Kubikzentimeter. Das Grundprinzip der Herstellung von Aluminiumschaum ist ähnlich wie beim Aufschäumen eines Kuchenteigs: Einem Aluminiumpulver wird ein Treibmittelpulver (z. B. Titanhydrid) zugegeben, das bei Erwärmung Gas freisetzt, meist Wasserstoff. 

Die entstehenden Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und blähen es zu einer schaumartigen Struktur auf. Im Schäumprozess verbindet sich der Aluminiumschaum mit den metallischen Deckblechen im metallischen Stoffschluss. Für die Verbundfertigung wird kein Klebstoff benötigt – ein großer Vorteil bei der späteren Wiederverwertung. Anschließend wird der Schaum abgekühlt und erstarrt, sodass die poröse Struktur dauerhaft erhalten bleibt.

Das Ergebnis ist ein Werkstoff mit vielen eingeschlossenen Poren, der sehr leicht ist. Am Fraunhofer IWU werden Konstruktionen mit Aluminiumschaum beispielsweise für Werkzeugmaschinen oder Gehäuse von Traktionsbatterien in E-Autos entwickelt.

Frachtschiffe: weniger Gewicht bei gleicher Steifigkeit

Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU, unterstreicht, dass solche Sandwiches auch für Schiffsaußenhäute und Schiffsaufbauten bestens geeignet sind: "Bei etwa 30 Prozent Mindergewicht gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach."

Der leichte und schubsteife Aluminiumschaumkern hat die Aufgabe, die Bleche auf konstantem Abstand zu halten und damit die Biegesteifigkeit des Sandwiches zu erhalten. Die außen liegenden Bleche nehmen die angreifenden Lasten auf und leiten diese ab. Fertigungstechnisch sehen die Forschenden keine unlösbaren Hürden: Die gleichmäßige Verteilung der Porenstruktur im Schaumkern ist inzwischen auch bei großvolumigen Bauteilen gut beherrschbar, reproduzierbare Eigenschaften können sichergestellt werden. Die Sandwiches lassen sich in größeren Abmessungen (z. B. 2,0 m x 1,5 m) vorfertigen und mit gängigen Schweißverfahren (z. B. MAG) zu großen Baugruppen fügen.

Etwas höhere Material- und Prozesskosten bei der Herstellung der Sandwiches gegenüber konventionellen Stahlplatten dürften im Schiffbau gerade durch die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile mehr als ausgeglichen werden – denn Perioden mit wenig Niederschlag und niedrigen Pegelständen haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen.

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