Ein Leichtbaukonzept mit Aluminiumschaum-Sandwichplatten könnte das Eigengewicht von Binnenschiffen senken. Nach Angaben des Fraunhofer IWU ließe sich dadurch bei niedrigem Wasserstand mehr Ladung befördern oder ein geringerer Tiefgang erreichen. Bis zu einem Praxiseinsatz sind allerdings noch Fragen zur Wirtschaftlichkeit und Wiederverwertung zu klären.
Niedrigwasser begrenzt die Ladungsmenge von Binnenschiffen: Sinkt der Pegel, müssen die Schiffe einen Teil ihrer Transportkapazität ungenutzt lassen, damit ihr Tiefgang nicht zu groß wird. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU setzen deshalb beim Eigengewicht der Schiffe an. Für Wände und Decks schlagen sie Sandwichplatten vor, die aus dünnen metallischen Deckblechen und einem Kern aus Aluminiumschaum bestehen.
Nach Darstellung des Instituts könnten die Gewichtseinsparungen die Zuladungsfähigkeit bei Niedrigwasser – bezogen auf das Nettoschiffsgewicht – um bis zu 30 Prozent erhöhen. Alternativ könnte ein leichteres Schiff bei unveränderter Ladungsmenge auch bei niedrigeren Wasserständen fahren. Die Zahl beschreibt damit ein Potenzial des Konstruktionskonzepts und keine bereits im regulären Schiffsbetrieb nachgewiesene Steigerung.
Steifigkeit trotz geringerem Gewicht
Der Aufbau folgt einem bekannten Sandwichprinzip: Zwei dünne Deckbleche aus Stahl oder Aluminium umschließen einen leichten, schubsteifen Kern. Dieser hält die Bleche auf Abstand und trägt so zur Biegesteifigkeit der Platte bei. Die äußeren Bleche nehmen die auftretenden Lasten auf und leiten sie weiter.
Der Aluminiumschaum besitzt nach Angaben des Fraunhofer IWU eine Dichte von deutlich weniger als einem Gramm pro Kubikzentimeter. Für seine Herstellung wird Aluminiumpulver mit einem Treibmittel wie Titanhydrid versetzt. Beim Erwärmen wird Gas freigesetzt, das im flüssigen Aluminium Poren bildet. Während des Schäumens verbindet sich der Kern stoffschlüssig mit den metallischen Deckblechen.
„Bei etwa 30 Prozent Mindergewicht gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach“, erklärt Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU. Das Institut entwickelt Aluminiumschaum-Konstruktionen bereits für andere Anwendungen, darunter Werkzeugmaschinen und Gehäuse von Traktionsbatterien.
Großformatige Platten lassen sich verschweißen
Das Konzept wurde an einem Prototyp für einen Laderaumbereich eines Container-Binnenschiffs umgesetzt. Dabei kamen Sandwichplatten im Format von zwei mal einem Meter und mit Dicken zwischen 14 und 28 Millimetern zum Einsatz. Nach Einschätzung der Forschenden können auch größere Elemente gefertigt werden. Als Beispiel nennt das Institut Abmessungen von zwei mal 1,5 Metern.
Die vorgefertigten Platten sollen sich mit etablierten Schweißverfahren wie dem Metall-Aktivgasschweißen zu größeren Baugruppen verbinden lassen. Auch eine gleichmäßige Porenstruktur und reproduzierbare Bauteileigenschaften seien inzwischen bei großvolumigen Komponenten erreichbar. Angaben zu Zulassungsprüfungen, Langzeiterfahrungen oder zum Einsatz eines vollständigen Schiffskörpers enthält die Mitteilung jedoch nicht.
Kein Klebstoff im Verbund
Weil sich Schaumkern und Deckbleche beim Herstellungsprozess metallisch verbinden, ist kein Klebstoff erforderlich. Das Fraunhofer IWU sieht darin einen Vorteil für die spätere Wiederverwertung. Wie der Materialverbund am Ende seiner Nutzungsdauer konkret getrennt und aufbereitet werden soll, geht aus der Veröffentlichung allerdings nicht hervor. Das ist insbesondere dann relevant, wenn Stahlbleche mit einem Kern aus Aluminium kombiniert werden.
Auch die Material- und Prozesskosten liegen laut Institut über denen konventioneller Stahlplatten. Fraunhofer erwartet, dass die höhere Transportkapazität bei Niedrigwasser und die ökologischen Vorteile diese Mehrkosten ausgleichen können. Konkrete Kostenvergleiche oder eine Lebenszyklusanalyse werden in der Mitteilung nicht genannt.
Konzept entstand in Projekt
Entwickelt wurde das Leichtbaukonzept gemeinsam mit SMK Ingenieure, der SET Schiffbau- und Entwicklungsgesellschaft Tangermünde, KRAFOTEC, IFF Engineering & Consulting und dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Projekt über den Projektträger Jülich.
Der Ansatz zeigt, welches Potenzial die Reduzierung des Schiffsgewichts für die Anpassung der Binnenschifffahrt an Niedrigwasser haben kann. Ob sich die Aluminiumschaum-Sandwiches wirtschaftlich und regulatorisch im Schiffbau durchsetzen, muss sich jedoch erst in weiterführenden Prüfungen und unter realen Betriebsbedingungen erweisen.
Bild ganz oben: Halbzeug, welches für den Schiffbau geeignet wäre: mit leichtem und schubsteifem Aluminiumschaumkern. Foto: Fraunhofer IWU
