Das Metall, das Ihnen günstige Flüge bescherte

Es ermöglichte das Zeitalter günstiger Auslandsreisen und machte Margarine jahrelang streichfähig. Nickel ist vielleicht nicht das auffälligste Metall, aber ohne es wäre das moderne Leben ganz anders.

Tief im Inneren des University College London befindet sich eine Maschinenwerkstatt, in der Metalle geschnitten, gedreht und zu Instrumenten und Geräten für die verschiedenen wissenschaftlichen Abteilungen geformt werden.

Chemieprofessorin Andrea Sella steht vor mir und hält ein dickes, zwei Meter langes Rohr aus Monel, einer Nickel-Kupfer-Legierung. Dann lässt er es mit ohrenbetäubendem Klirren zu Boden fallen.

„Das spricht wirklich für die Härte und Steifheit dieses Metalls“, erklärt er und nimmt das unbeschädigte Rohr in die Hand.

Ein weiterer Grund, warum Monel eine „fantastische Legierung“ sei, sei seine Korrosionsbeständigkeit, sagt er. Chemiker benötigen Möglichkeiten für den Umgang mit hochreaktiven Materialien – vielleicht starke Säuren oder Gase wie Fluor und Chlor – und brauchen daher etwas, das selbst nicht mit ihnen reagiert.

Gold, Silber oder Platin könnten reichen, aber stellen Sie sich den Preis einer 2 m langen Pfeife aus Gold vor. Nickel hingegen ist billig und reichlich vorhanden und kommt daher überall dort vor, wo Korrosion ein Problem darstellt – vom Spatel der Apotheke bis zur Schutzbeschichtung von Fahrradkettenrädern.

Aber aus Nickel lassen sich andere Legierungen herstellen, die weitaus ausgefallener sind als Monel, erklärt Sella gern.

Nehmen wir Invar, eine Legierung aus Nickel und Eisen. Einzigartig ist, dass es sich bei Temperaturänderungen kaum ausdehnt oder zusammenzieht – eine Eigenschaft, die bei Präzisionsinstrumenten und Uhren sehr nützlich ist, deren Funktion durch die „Wärmeausdehnung“ anderer niedrigerer Metalle beeinträchtigt werden kann.

Dann gibt es noch Nitinol.

Sella stellt einen Draht in Form einer Büroklammer her – dieser lässt sich jedoch viel zu leicht aus der Form drehen, als dass er beim Zusammenhalten von Papierbögen nützlich wäre. Er zerfleischt es in seinen Fingern und taucht es dann in eine Tasse kochendes Wasser. Es windet sich sofort … und verwandelt sich wieder in eine perfekte Büroklammer.

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Nickelvorführung

Nitinol hat ein besonderes Gedächtnis für die Form, in der es zuerst gebildet wurde. Und seine Zusammensetzung kann so eingestellt werden, dass es bei einer bestimmten Temperatur immer wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. So kann beispielsweise ein aufgerollter Nitinol-Stent in ein Blutgefäß eingeführt werden. Wenn er sich auf Körpertemperatur erwärmt, öffnet sich der Stent und ermöglicht den Blutdurchfluss.

Aber alle diese Legierungen verlieren im Vergleich zu einer besonderen Klasse von Legierungen an Bedeutung – sie sind so besonders, dass sie „Superlegierungen“ genannt werden. Dies sind die Legierungen, die das Jet-Zeitalter ermöglichten.

Die ersten Strahltriebwerke wurden gleichzeitig in den 1930er und 40er Jahren von Frank Whittle im Vereinigten Königreich und von Hans von Ohain in Deutschland entwickelt, beide auf entgegengesetzten Seiten eines sich beschleunigenden Wettrüstens.

Diese aus Stahl gefertigten Motoren hatten schwerwiegende Mängel.

„Sie waren nicht in der Lage, Temperaturen über etwa 500 °C zu erreichen“, erklärt Mike Hicks, Materialleiter bei Rolls-Royce, dem größten britischen Hersteller von Flugzeugturbinen. „Seine Festigkeit lässt ziemlich schnell nach und seine Korrosionsbeständigkeit ist nicht gut.“

Als Reaktion darauf kehrte das Rolls-Royce-Team, das Whittles Arbeit in den 1940er Jahren aufnahm, zum Zeichenbrett zurück – eines mit dem darauf befestigten Periodensystem.

Wolfram war zu schwer. Kupfer schmolz bei zu niedriger Temperatur. Aber Nickel – mit etwas Chrom beigemischt – war das Goldlöckchen-Rezept. Es hielt hohen Temperaturen stand, war stabil, korrosionsbeständig, günstig und leicht.

Noch heute stellen die Nachkommen dieser frühen Superlegierungen den Großteil des hinteren Teils von Turbinen dar – sowohl für Turbinen, die in Düsenflugzeugen verwendet werden, als auch für Turbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden.

„Die Turbinenschaufeln müssen im heißesten Teil des Triebwerks arbeiten, und es dreht sich mit sehr hoher Geschwindigkeit“, sagt Hicks‘ Kollege Neil Glover, Leiter der Materialtechnologieforschung bei Rolls-Royce.

„Jede dieser Schaufeln entnimmt die gleiche Leistung wie ein Formel-1-Rennwagenmotor, und im Kern des modernen Gasturbinentriebwerks befinden sich 68 davon.“

Der Gasstrom, in dem diese kurzen Schaufeln sitzen, hat eine Temperatur von 1700 °C – etwa 200 °C über der Schmelztemperatur der Schaufel selbst.

Dieses Kunststück wird dank einer hitzebeständigen Keramikbeschichtung sowie „kühlender“ Luft – selbst etwa 650 °C – erreicht, die von weiter oben am Motor in die hohle Schaufel gesaugt und dann über winzige Löcher über die Oberfläche der Schaufel ausgeblasen wird .

Die Fähigkeit von Superlegierungen, bei solch extremen Temperaturen zu funktionieren, macht Ihren Urlaub an der Algarve oder in Florida erschwinglich.

„Je heißer die Turbine arbeiten kann, desto effizienter ist der Motor insgesamt und desto weniger Kraftstoff verbraucht er“, erklärt Neil.

Doch die Rotorblätter müssen mehr als nur extremen Temperaturen standhalten. Sie rotieren so schnell, dass die Zentrifugalbelastung auf sie mehreren Tonnen entspricht.

In Kombination mit regelmäßiger Erwärmung und Abkühlung kann dies zu einem Problem führen, das als „Kriechen“ bekannt ist – die Schaufel verlängert sich langsam, bis sie beginnt, sich in das Turbinengehäuse einzuschneiden.

Die meisten Metalle bestehen aus unzähligen winzigen Kristallen, sogenannten Körnern, die miteinander verschmolzen sind. Doch die Korngrenzen stellen eine Schwachstelle dar, die ein Verrutschen der Kristalle und eine Verformung des Materials ermöglicht.

Deshalb geht Rolls-Royce dieses Problem an, indem es die Klinge als Einkristall herstellt und sie aus einer Schmelze durch gerichtete Erstarrung züchtet, ähnlich den Kupfersulfatkristallen, die Sie als Kind in einem Chemieexperiment in der Schule gezüchtet haben könnten.

Tatsächlich ähnelt die Klinge einem Edelstein, der durchgehend von einem einzigen Atomgitter durchzogen ist.

Die Legierungen wurden auch durch die Hinzufügung weiterer Elemente – insgesamt 10 oder mehr – verbessert, sodass der Turbinenkonstrukteur die Materialeigenschaften jeder Triebwerkskomponente anpassen kann.

Und aufgrund dieser zusätzlichen Legierungsbestandteile entpuppt sich die Geschichte des Düsentriebwerks auch als die Geschichte eines anderen chemischen Elements – eines weitaus rätselhafteren als Nickel.

Dieses Element ist Rhenium. Durch die Zugabe zur Superlegierung wird die Kriechfestigkeit erhöht.

Aber Rhenium ist auch einer der seltensten Stoffe auf der Erde. Es bildet nur einen Teil pro Milliarde der Erdkruste. Die gesamte jährliche weltweite Produktion von Rhenium beträgt lediglich 40 Tonnen, mehr als drei Viertel davon fließen in Superlegierungen.

Wenn Sie also das nächste Mal über eine Landebahn rollen, können Sie sich bei Nickel bedanken – aber denken Sie auch an seinen obskuren Cousin Rhenium.

Aber am Anfang habe ich Margarine erwähnt, und an dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht, was sie mit Superlegierungen und Düsentriebwerken gemeinsam hat.

Die Antwort ist: nicht viel. Margarinen werden hauptsächlich aus pflanzlichen Ölen und Fetten hergestellt. Die Sache ist, dass die meisten davon zu flüssig sind, um sie auf Toast zu verteilen – und wenn ja, kann Nickel verwendet werden, um sie zähflüssiger und „butteriger“ zu machen.

Dies geschieht durch eine chemische Reaktion namens Hydrierung, bei der Wasserstoff zusammen mit einer winzigen Spur Nickel, die als Katalysator fungiert, in die Öle gepumpt wird. Das Nickel reagiert nicht mit den Ölen, sondern fungiert als molekulare Maschine, die es den Ölen ermöglicht, mit dem Wasserstoff zu reagieren. Die resultierenden wasserstoffreicheren Fette sind dicker – und streichfähiger.

Sollten wir Nickel also auch für Margarine danken? Vielleicht, vielleicht auch nicht.

Durch den Hydrierungsprozess können zwei Arten von Fettmolekülen entstehen – die geknickten Cis-Fette und die weniger willkommenen und reineren Transfette. Diese Transfette kommen in der Natur nicht häufig vor und werden mit hohen Cholesterinwerten und damit verbundenen Herzerkrankungen und Schlaganfällen in Verbindung gebracht. Dies hat dazu geführt, dass stattdessen Palmöle verwendet werden, die von Natur aus dicker und streichfähiger sind, insbesondere in Kombination mit Emulgatoren. Doch dies hat ein völlig neues Problem aufgeworfen: die Zerstörung von Regenwäldern, um Platz für Palmölplantagen zu schaffen.

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