CNT: Nanoröhrchen haben zu viele Fehler für den Weltraumaufzug

Kohlenstoff-Nanoröhren gelten als Wundermaterial mit einer sehr hohen Zugfestigkeit. In der Praxis wird die aber nicht erreicht. Wissenschaftler haben untersucht, woran das liegt. Das Ergebnis wird Fans des Weltraumaufzugs nicht gefallen.

Artikel veröffentlicht am 15. Juni 2016, 10:59 Uhr, Werner Pluta

Weltraumaufzug (Symbolbild): Eine fehlerhafte Atombindung lässt das Seil reißen. (Bild: Nasa)

Ein einziges Atom kann den Weltraumfahrstuhl unmöglich machen: Wissenschaftler aus Hongkong haben untersucht, ob Nanoröhrchen aus Kohlenstoff dazu geeignet sind, ein Seil herzustellen, das lang genug ist für einen Aufzug ins Weltall.

Theoretisch sind diese Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) stabil genug. Es sind Röhren, deren Wände eine wabenartige Struktur aus Sechsecken haben. Die entsteht, weil jedes Kohlenstoffatom drei Bindungen eingeht. Ein solches Gebilde hat Berechnungen zufolge eine Zugfestigkeit von 100 Gigapascal (GPa).

CNTs werden zu Fasern versponnen

Die CNTs werden zu großen Fasern versponnen, aus denen Seile hergestellt werden. Bisher ist jedoch nur gelungen, Seile mit einer Zugfestigkeit von 1 GPa herzustellen. Das Team der Polytechnischen Universität von Hongkong hat die Gründe dafür untersucht.

Die Wissenschaftler um Feng Ding simulierten ein CNT mit einem deplatzierten Atom: So wurden aus den regelmäßigen Sechsecken an einer Stelle ein Fünfeck und ein Siebeneck. Dieser Fehler reduziert die theoretisch mögliche Zugkraft um mehr als die Hälfte, auf 40 GPa.

Der Bruch löst eine Kettenreaktion aus

Diese Stelle ist dann der Schwachpunkt in dem CNT: Bricht eine der Kohlenstoffbindungen an dieser Stelle, können auch die Bindungen der benachbarten Sechsecke brechen, wodurch schließlich das Röhrchen bricht. Ist das CNT Teil einer Faser, wirkt sich der Bruch des einen auf die übrigen CNTs aus: Die Belastung auf diese wird größer, und sie reißen ebenfalls.

Selbst ein annähernd perfektes CNT sei nicht für die Herstellung eines außergewöhnlich starken Materials geeignet, resümieren die Forscher in der Fachzeitschrift ACS Nano. "Deshalb ist die Herstellung fehlerloser CNTs entscheidend, um die ideale Stärke der CNTs auszunutzen."

Viele CNTs haben Fehler

Das Problem aber sei, dass die CNTs aus der Massenfertigung in hohem Maße fehlerhaft seien, sagte Ding dem britischen Wissenschaftsmagazin New Scientist. Hochwertige CNTs in großer Menge zu produzieren, sei hingegen schwierig.

Ein Seil für einen Weltraumfahrstuhl müsste eine Zugfestigkeit von etwa 50 GPa haben. Prinzipiell wären CNTs dafür gut geeignet. Allerdings nicht unter heutigen Bedingungen: Solange es keinen Durchbruch beim Herstellungsverfahren der CNTs gebe, sei der Bau eines Weltraumfahrstuhls praktisch unmöglich, sagte Ding.

Der Fahrstuhl braucht ein langes Seil

Das Seil für einen solchen Fahrstuhl müsste etwa 100.000 Kilometer lang sein. Dafür braucht es ein Material, das nicht unter seinem eigenen Gewicht reißt, das zudem noch stabil genug ist, um die Gondel, Climber genannt, zu tragen und zudem den äußeren Belastungen standzuhalten.

Manche Experten halten CNTs ohnehin nicht für das geeignete Material: Sie seien nicht stabil genug für ein solches Seil, sagte Volker Schmid vor einiger Zeit im Gespräch mit Golem.de. Schmid ist Leiter der Fachgruppe Internationale Raumstation (International Space Station, ISS) beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Seiner Ansicht nach sind Einkristallfasern aus Diamant das Material der Wahl. Diese können aber noch nicht in ausreichender Länge gezogen werden.

Egal ob CNT oder Diamant-Einkristall-Fasern: Der Weltraumfahrstuhl wird so schnell keine Realität.