Materialingenieure in Australien und Frankreich haben ein Titanlegierungs-Gitter gebaut, das im Wasser schwimmt, obwohl es von offenen Poren durchzogen ist — eine Kombination, die laut den Forschern einen neuen Designraum für Meeresbauwerke, Fahrzeuge und Rettungsausrüstung eröffnet.
Offenzellige metallische Strukturen sind stark und leicht, weshalb Luft- und Raumfahrt sowie Biomedizintechnik sie nutzen. Im Wasser scheitern sie für gewöhnlich aus einem einfachen Grund: Die verbundenen Poren füllen sich, weshalb eine Struktur, deren Volumendichte weit unter der von Wasser liegt, dennoch sinkt. In einem Artikel in „Advanced Materials“ schlug die Gruppe um Ma Qian von der RMIT University in Melbourne gemeinsam mit Kollegen des Conservatoire National des Arts et Métiers in Frankreich einen anderen Maßstab vor: die „skeletale Dichte“, die nur die wasserabweisenden Teile einer Struktur zählt. Liegt dieser Wert unter der Dichte der umgebenden Flüssigkeit, schwimmt das Objekt, auch wenn Wasser hindurchfließt.
Mit diesem Maß entwarfen sie einen Hybrid um ein Hohlstreben-Gitter, ein Metamaterial, dessen Streben Kanäle im Milli- oder Submillimeterbereich enthalten und das stärker ist als Vollstreben-Gitter gleicher Dichte. Diese Kanäle lassen sich befüllen — bei herkömmlichen Vollstreben-Designs unmöglich —, weshalb das Team expandierbaren Polyurethanschaum mit einer Dichte von 0,08–0,11 g/cm3 in ein Ti-6Al-4V-Gitter injizierte. Der geschlossenzellige Schaum mit Poren von etwa 10 µm bis 200 µm blockiert Wasser in den inneren Kanälen, während die äußere Architektur durchlässig bleibt — Auftrieb ohne nennenswerten Dichtezuschlag. Mikroskopisch zeigte sich eine durchgehende, defektfreie Verbindung zwischen Schaum und Strebenwänden.
Ungefüllte Gitter sanken in Süßwasser unabhängig vom Strebendurchmesser. Gefüllte schwammen: Das Team hielt sie über zwei Monate in Süßwasser und anschließend zwei Wochen in natürlichem Meerwasser — gemessen 1,03 g/cm3 gegenüber 0,997 g/cm3 bei Süßwasser —, wo sie an der Oberfläche blieben und nur rund 0,15 Prozent ihrer Masse verloren, was die Forscher als Korrosionsbeständigkeit deuten. Zudem wiesen die schaumgefüllten Gitter eine höhere spezifische Festigkeit auf als Polyethylen hoher Dichte und Edelstahl 316L, zwei gängige Meereswerkstoffe.
„Die Innovation eröffnet einen neuen Designraum für Meeresstrukturen, Fahrzeuge und Rettungsausrüstung, wo wir Festigkeit, geringes Gewicht und Auftrieb gleichzeitig brauchen“, sagte Qian. Derselbe Kniff funktioniere auch mit anderen Füllstoffen: ein biologisch abbaubares Magnesiumgerüst mit einem Wachstumsfaktor-Hydrogel für die Knochenregeneration oder ein Titan-Hohlstreben-Gitter, verbunden mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff für leichte, steife Hybride in der Luftfahrt.
Das Team sucht nun kommerzielle Partner und will größere maritime Anwendungen testen, darunter autonome Unterwasserfahrzeuge und schwimmende Plattformen, sowie die Langzeitbeständigkeit unter realistischen Meeresbedingungen.
