Bayer startet industrielle Produktion von Nanoröhren
18.10.2011 -
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Prof. Dr. Leslaw Mleczko, Leiter des Kompetenzzentrums Reaction Engineering & Catalysis bei Bayer Technology Services
Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) erweisen sich seit ihrer Entdeckung als Multitalente auf ungezählten Einsatzgebieten: Sie machen Kunststoffe elektrisch leitfähig, Keramiken hitzebeständig und Werkstoffe stabiler. Bisher war ihre Herstellung allerdings sehr kostenintensiv. Jetzt wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich CNT kostengünstig in großen Mengen und bester Qualität produzieren lassen. Michael Reubold befragte Prof. Dr. Leslaw Mleczko, Leiter des Kompetenzzentrums Reaction Engineering & Catalysis bei Bayer Technology Services (BTS), zu den Perspektiven von CNT.
CHEManager: In die engere Wahl für den Deutschen Zukunftspreis zu kommen, ist an sich schon eine Errungenschaft, auch wenn Ihr Forschungsprojekt es nicht bis zur Nominierung schaffte. Was waren die größten Herausforderungen bei der Entwicklung des CNT-Produktionsverfahrens?
Prof. Leslaw Mleczko: Die größte Leistung war eine integrierte, nahezu simultane Verfahrens- und Produktentwicklung, die es erlaubte, in einer sehr kurzen Zeit ein neues Verfahren zu konzipieren und dieses vom Labormaßstab in die Produktion zu übertragen. Wichtig war hier der Erhalt der herausragenden Materialeigenschaften und -qualitäten über alle Maßstäbe der Entwicklung.
Andererseits war es die große Leistung der Kollegen von BMS, das Entwicklungsprodukt Kohlenstoffnanoröhrchen in das kommerziell verfügbare Produkt Baytubes zu überführen. Die größte Herausforderung bestand dabei darin, die Verfahrens- und die Produktentwicklung zusammenzubringen. Dieses gelang, weil ein interdisziplinäres Team mit den bei BTS und BMS vorhandenen breiten Kompetenzen im Bereich der Ingenieurswissenschaften, der Chemie, der Physik und der Materialwissenschaften sehr eng verzahnt zusammengearbeitet hat. Wir konnten so in entscheidender Weise von den Kompetenzen im Bereich der Verfahrensentwicklung und den Kompetenzen im Bereich der Produktentwicklung profitieren und haben den Gesamtentwicklungsprozess deutlich beschleunigt.
Kürzlich hat Bayer die Grundsteinlegung einer CNT-Produktionsanlage gefeiert, die auf dem von Ihnen entwickelten Verfahren Kohlenstoffnanoröhren produzieren soll. Wird dadurch der Siegeszug der Kohlenstoffnanoröhren unaufhaltsam?
Prof. Leslaw Mleczko: Carbon Nanotubes sind in den meisten Fällen kein Endprodukt, sondern ein Additiv zur Verbesserung bestehender oder Implementierung neuer Produkteigenschaften. Die Entwicklung neuer CNT-basierter Endprodukte dauert lange und ist kostenintensiv. Deshalb bildet die großtechnische Verfügbarkeit von CNTs mit konstanter, hoher Qualität zu kostengünstigen Konditionen überhaupt erst eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer Produkte. Durch unser Verfahren haben wir die Rahmenbedingungen für den Siegeszug der CNT geschaffen.
Aktuelle Produktentwicklungen unterstützen die Hoffnung, dass die mit CNT verbundenen großen Erwartungen auch umgesetzt werden können. Wir sehen, dass im Endanwenderbereich die CNTs schon den Markteintritt über die High-Tech-Varianten verschiedener Sportartikel wie Eishockeyschläger, Surfbretter und Skier gefunden haben. Aktuell erfolgt eine Markterweiterung auf Industrieprodukte, z. B. Industriefässer oder Rotorblätter.
Welche Mengen CNT können nach dem von Ihnen entwickelten Verfahren hergestellt werden?
Prof. Leslaw Mleczko: Die installierte Kapazität liegt inzwischen bei 60 t/a. Diese Kapazität soll weiter ausgebaut werden. Die Vision ist eine World-Scale-Anlage mit einer Kapazität von 3.000 t/a. Wir sehen für diese Größe und darüber hinaus keine Kapazitätsbeschränkung aus verfahrenstechnischer Sicht. Wir haben uns für die Synthese durch die katalytische Gasphasenzersetzung entschieden, nicht nur weil diese Syntheseroute das Produkt mit der notwendigen hohen Effizienz und hohen Qualität liefert, sondern auch weil bei der Maßstabsvergrößerung das Prinzip der „Economy of Scale“ genutzt werden kann. Dies war eine der Vorgaben für das Entwicklungsteam.
Wo erwarten Sie die entscheidenden Fortschritte durch den breiten Einsatz von CNT? Können Sie einige Beispiele nennen?
Prof. Leslaw Mleczko: Wenn man die Informationen aus der wissenschaftlichen Literatur oder aus Marktstudien betrachtet, ist es schwer, Bereiche zu identifizieren, in denen Kohlenstoffmaterialien wie die Baytubes nicht eingesetzt werden können. Als Einsatzbereiche mit hohem Potential für die unmittelbare Zukunft werden Luftfahrt- und Automobilindustrie, Energieindustrie, Chemie, aber auch die Medizin- und Elektronikindustrie genannt. Katalysatoren, Kunststoffe, metallische Werkstoffe sowie Beschichtungs- und Lacksysteme werden durch die CNTs modifiziert und in ihrem Eigenschaftsbild verbessert. Anwendungen in der Biosensorik oder als Wirkstoffträger in medizinischen Anwendungen, aber auch Massenanwendungen wie ultra-hochfester Beton sind nicht nur im Bereich des Möglichen, sondern sind zum Teil heute schon Realität.
Die kommende Zeit wird zeigen, in welcher dieser Anwendungen das größte Potential für eine kurzfristige Umsetzung steckt. Mit Sicherheit kann man aber sagen, dass die Anwendung der CNTs als Werkstoffadditiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder der mechanischen Stärke zumindest mittelfristig einen dominierenden Einsatzbereich darstellen wird. Bei den Werkstoffen werden Polymere dominieren.
So ist beispielsweise die Entwicklung von CNT-Polymerkompositen am weitesten vorangetrieben worden. Stellvertretend für viele neue Entwicklungen möchte ich den Einsatz von CNTs in den Polymerkompositen, die zur Herstellung von Rotorblättern in Windkraftanlagen genutzt werden, nennen. Durch die Steigerung der Rotorfestigkeit bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung kann die Blattspannbreite und in Folge die Effizienz wesentlich verbessert werden. Die Umsetzung dieses Konzepts ist schon erfolgt und das Produkt befindet sich auf dem Markt. Analog des Wirkungsprinzips bei den Windkraftanlagen werden die CNTs zukünftig auch die Leichtbauweise von Auto- und Flugzeugkarosserieteilen verbessern. Damit kann eine signifikante Senkung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden.
Das BMBF stellt Investitionsmittel für eine CNT-Innovationsallianz zur Verfügung, an der außer BTS und BMS noch 80 weitere Partner beteiligt sein werden. Werten Sie das Bekenntnis zu diesem Forschungsgebiet als Erfolg oder hätten Sie sich mehr Mittel für die intensivere Weiterentwicklung der CNT-Forschung gewünscht?
Prof. Leslaw Mleczko: Deutschland ist einer der führenden Anbieter für CNT. Um diese Führungsrolle zu sichern, auszubauen und in die Anwendung zu übertragen, ist die Innovationsallianz eine hervorragende Basis. Bei der Gestaltung einer solchen Forschungsallianz ist Deutschland an vorderster Front, obwohl mittlerweile auch in anderen Ländern ähnliche Initiativen angekündigt worden sind. Natürlich existieren weitere Ideen für ergänzende Aktivitäten im CNT-Bereich, jedoch sollten zunächst die Ergebnisse der Innovationsallianz abgewartet werden, um anschließend sinnvoll darauf aufzubauen.
Welche Ergebnisse erwarten Sie im ersten Schritt aus der CNTInnovationsallianz und welchen Beitrag wird BTS dabei leisten?
Prof. Leslaw Mleczko: Die CNT-Innovationsallianz hat sich die Aufgabe gesetzt, die vielfältigen Anwendungen für CNT zu erschließen und für Deutschland in dieser Schlüsseltechnologie eine internationale Spitzenposition zu erarbeiten. Um das Marktpotential für CNT schnell und gezielt zu heben, fokussiert sich die Allianz auf Bereiche mit weltweit hoher wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Relevanz. So erwarten wir von der Innovationsallianz CNT auch wesentliche Beiträge zur Lösung dringender Probleme der umwelt- und klimaverträglichen Mobilität und der Energieversorgung.
Bayer baut Produktionsanlage für Carbon Nanotubes
Bayer Materialscience hat im Chempark Leverkusen mit den Bauarbeiten für eine neue Produktionsanlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) begonnen. Die neue Anlage wird eine Kapazität von 200 Jahrestonnen haben und damit die größte ihrer Art weltweit sein. Das Unternehmen investiert rund 22 Mio. € in die Planung, Entwicklung und den Bau der Anlage, in der 20 neue Arbeitsplätze entstehen.
„Wir investieren in eine Schlüsseltechnologie der Zukunft, die uns eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Diese wollen wir konsequent nutzen. Gleichzeitig ist der Bau der neuen CNT-Anlage ein Bekenntnis zu Leverkusen und zum Industriestandort Nordrhein- Westfalen“, sagte Dr. Wolfgang Plischke, Mitglied des Vorstands von Bayer. Prognosen gehen von einem Marktwachstum für Kohlenstoff-Nanoröhrchen von 25 % pro Jahr aus. In etwa zehn Jahren soll der Weltmarkt für diese Produkte rund 2 Mrd. US-$ betragen.
