Leichtbau für Frachtschiffe: Nie wäre er so wertvoll wie heute

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Niedrige Pegelstände an Rhein, Donau und Elbe setzen der Binnenschifffahrt
schwer zu und haben umso deutlichere Auswirkungen auf die konjunkturelle
Entwicklung, je länger sie anhalten. Weiter vertiefte Fahrrinnen sind
wegen ihrer ökologischen Auswirkungen umstritten, eine Rückverlagerung von
Schwertransporten auf die Straße ist bei vielen Gütern nicht möglich und
würde insbesondere hochbelasteten Brücken und sanierungsbedürftigen
Straßenabschnitten weiter zusetzen.

Nachhaltiger ist es, bei der
Konstruktion von Schiffen anzusetzen: Reduziertes Gewicht bedeutet weniger
Tiefgang und damit die Option, auch dann noch Güter zu transportieren,
wenn andere Schiffe auf Grund zu laufen drohen.

Beispielsweise könnten Schiffswände und Decks in Sandwich-Bauweise
deutliche Gewichtseinsparungen ermöglichen, die bei Niedrigwasser die
Zuladungsfähigkeit gegenüber dem Nettoschiffsgewicht um bis zu 30 Prozent
erhöhen – oder bei gleicher Zuladung niedrigere Pegelstände vertragen.

Sandwich-Bauweise mit leichtem Kern aus Aluminiumschaum

In einer solchen Sandwich-Bauweise wird Aluminiumschaum zwischen zwei
dünne Stahl- oder Aluminiumplatten platziert. Aluminiumschaum ist ein
ultraleichter metallischer Strukturwerkstoff mit einer Dichte von deutlich
unter einem Gramm pro Kubikzentimeter. Das Grundprinzip der Herstellung
von Aluminiumschaum ist ähnlich wie beim Aufschäumen eines Kuchenteigs:
Einem Aluminiumpulver wird ein Treibmittelpulver (z. B. Titanhydrid)
zugegeben, das bei Erwärmung Gas freisetzt, meist Wasserstoff. Die
entstehenden Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und blähen es
zu einer schaumartigen Struktur auf. Im Schäumprozess verbindet sich der
Aluminiumschaum mit den metallischen Deckblechen im metallischen
Stoffschluss. Für die Verbundfertigung wird kein Klebstoff benötigt – ein
großer Vorteil bei der späteren Wiederverwertung. Anschließend wird der
Schaum abgekühlt und erstarrt, sodass die poröse Struktur dauerhaft
erhalten bleibt.

Das Ergebnis ist ein Werkstoff mit vielen eingeschlossenen Poren, der sehr
leicht ist. Am Fraunhofer IWU werden Konstruktionen mit Aluminiumschaum
beispielsweise für Werkzeugmaschinen oder Gehäuse von Traktionsbatterien
in E-Autos entwickelt.
Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU,
unterstreicht, dass solche Sandwiches auch für Schiffsaußenhäute und
Schiffsaufbauten bestens geeignet sind: »Bei etwa 30 Prozent Mindergewicht
gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten
an Steifigkeit keineswegs nach.«

Der leichte und schubsteife Aluminiumschaumkern hat die Aufgabe, die
Bleche auf konstantem Abstand zu halten und damit die Biegesteifigkeit des
Sandwiches zu erhalten. Die außen liegenden Bleche nehmen die angreifenden
Lasten auf und leiten diese ab. Fertigungstechnisch sehen die Forschenden
keine unlösbaren Hürden: Die gleichmäßige Verteilung der Porenstruktur im
Schaumkern ist inzwischen auch bei großvolumigen Bauteilen gut
beherrschbar, reproduzierbare Eigenschaften können sichergestellt werden.
Die Sandwiches lassen sich in größeren Abmessungen (z. B. 2,0 m x 1,5 m)
vorfertigen und mit gängigen Schweißverfahren (z. B. MAG) zu großen
Baugruppen fügen.

Etwas höhere Material- und Prozesskosten bei der Herstellung der
Sandwiches gegenüber konventionellen Stahlplatten dürften im Schiffbau
gerade durch die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile mehr als
ausgeglichen werden – denn Perioden mit wenig Niederschlag und niedrigen
Pegelständen haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen.

Das Leichtbaukonzept für Binnencontainerschiffe mit Aluminiumschaum-
Sandwiches entstand im Rahmen eines Projekts mit den Partnern SMK
Ingenieure GmbH & Co. KG (Chemnitz) I SET Schiffbau- und
Entwicklungsgesellschaft Tangermünde mbH (Genthin) I KRAFOTEC GmbH
(Wittenberg) I IFF Engineering & Consulting GmbH (Leipzig) I Fraunhofer
IFF (Magdeburg) und wurde gefördert vom BMWE (Projektträger Jülich)