In einem Bleistiftfleck entdeckt, könnte Graphen das neue Supermaterial sein, das die Fahrradindustrie verändert?
Auf den ersten Blick ist Graphen ein einfaches Material. Es ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von 0,3 Nanometern – eine Million Mal dünner als das Papier dieses Magazins. Dabei ist es 150 Mal stärker als Stahl und 20 % elastischer. Mit einer Geschwindigkeit von einer Million Metern pro Sekunde leitet es Strom besser als Kupfer oder Gold. Es gibt schnell Wärme ab. Es ist transparent sowie absolut undurchlässig und sollte im 21. Jahrhundert die gleiche Wirkung haben wie Kohlefaser im 20. und Stahl im 19. Jahrhundert. Kein Wunder, dass die beiden Materialwissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov von der Universität Manchester, die es 2003 entdeckten, im Eilverfahren zum Nobelpreis und zum Ritter geschlagen wurden. Aber was hat das mit Fahrrädern zu tun?
Die ersten Anwender von Graphen
Die ersten Fahrradprodukte mit Graphen kommen auf den Markt. Vittoria verwendet Graphen in seinen neuesten Karbon-Qurano-Felgen (siehe Seite 20) und auch Catlike verwendet es in seinem Top-Helm Mixino. Custom-Carbon-Rahmenbauer Richard Craddock von Craddock Cycles sagt: „Im Moment gibt es viel Aufregung um Graphen, aber das sind nur die ersten Streifzüge. Wie bei jedem neuen Material ist sein volles Potenzial noch nicht bekannt, aber es ist höchstwahrscheinlich, dass der maximale Nutzen nicht als Ersatz für Kohlenstoff, sondern als Verbesserung besteht. Ich würde es verwenden, wenn es sich bewährt hat.’
Paul Wiper, wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Graphene Institute an der Universität Manchester, sagt: „Graphen kann die mechanischen Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs verbessern, da es die Spannung teilen kann, wenn es der Epoxidharzmatrix hinzugefügt wird, und es steifer macht. Sie müssen jedoch die richtige Balance finden. Viel Graphen, sagen wir 10 oder 20 % der Matrix, würde es sehr steif machen, aber es wäre auch spröde.’
Seine Kollegen perfektionieren derzeit die Verwendung von Graphen in Verbundrahmen für die Luft- und Raumfahrt, und der spanische Autohersteller Spania baut es bereits in sein GTA-Supercar-Chassis ein. Könnten also Fahrradrahmen die nächsten sein? „Es gibt überhaupt keinen Grund, warum es nicht in Fahrradrahmen verwendet werden könnte, und ich bin sicher, dass jemand bereits daran arbeitet“, prognostiziert Wiper. Vittoria hat ein solches Vertrauen in Graphen, dass es sein Geld dort anlegt, wo sein Mund ist. „Ich habe vor fünf Jahren zufällig mit dem Gründer von Directa Plus, einer der ersten Graphenfabriken in Europa, zu Abend gegessen, und ich hatte die Idee, Graphen in unseren Produkten zu verwenden“, sagt Vittoria-Präsident Rudie Campagne. „Dann haben wir uns entschieden, in sie zu investieren, um auf dem neuesten Stand zu sein.“
Vittoria behauptet, dass es durch die Verwendung von Graphen in den neuen Qurano-Carbonlaufrädern die Speichenlochfestigkeit und Seitensteifigkeit der Felge um bis zu 30 % erhöht hat. Vor allem aber schwärmt Campagne: „Die verbesserte Wärmeableitung von Graphen reduziert die akkumulierte Temperatur der Felge [beim Bremsen] und hält sie deutlich unter der Schwelle, ab der Kohlefasern zu zerfallen beginnen würden.’
Das Hinzufügen von Graphen zu Kohlenstoff ist jedoch nicht ganz so einfach wie das Hinzufügen von Zucker zu Ihrem Kaffee. Directa Plus liefert Graphen an Vittoria als „Nanoplättchen“, die nur drei bis sieben Atome dick sind. „Die große Herausforderung bestand darin, eine nahezu perfekte Dispersion von Graphen im Epoxidharz-Masterbatch für die Prepreg-Kohlenstoffplatten zu erreichen“, sagt Campagne.
Inspirationsstück
„Die Leute hatten jahrzehntelang spekuliert, dass Graphen in Allotropen von Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, Kohle und Diamant existiert, aber niemand wusste, wie man es als einzelne zweidimensionale Schicht herstellt“, sagt Wiper. In einem inspirierten Moment hatten Geim und Novoselov mit einem Fleck aus kristallinem Graphit – praktisch einer Bleistiftmarkierung – begonnen, der aus mehreren, übereinander gestapelten Graphenschichten besteht, und mit Klebeband entfernten sie einen Teil des Graphits. Aus Neugier taten sie es immer wieder, bis sie schließlich eine einzelne Schicht – reines Graphen – isolierten. Dann haben sie es getestet.
„Normalerweise verschlechtern sich die Eigenschaften, wenn man Materialien immer dünner macht“, sagt Geim selbst. „Aber mit Graphen haben wir festgestellt, dass die Dinge nur noch besser wurden.“
Labore auf der ganzen Welt stellen Graphen jetzt auf vielfältige Weise her, mit unterschiedlichen Reinheiten, unterschiedlichen Probengrößen und Chargenmengen. Zum Beispiel sagt Catlike, dass es Nanofasern verwendet, um die Stärke seiner Mixino-Helme aufrechtzuerh alten, die jetzt 10 g leichter sind als frühere Modelle. Andere verwenden es in Form von Nanobändern, und Samsung und Sony behaupten, Wege zur Herstellung von Endlosblättern erfunden zu haben. Was vielleicht überrascht, ist, dass es nicht übermäßig teuer ist. Sie können ein Kilo Nanoplättchen für weniger als 150 £ kaufen. Da immer mehr Versionen des Materials erstellt werden, ist es sicher, dass die Verwendung des Wortes „Graphen“in Marketingmaterial bei den Verbrauchern Verwirrung stiften wird. Es wird schwierig sein festzustellen, ob ein Produkt, das behauptet, „graphenverstärkt“zu sein, wirklich das submikroskopische Material enthält oder ob es etwas Gutes tut. Es ist eine Lücke, die Skrupel ausnutzen könnten.
„Ein Labor könnte das Material testen, um zu sehen, ob es wie behauptet funktioniert, aber Sie müssten einen chemischen Test durchführen, um sicherzustellen, dass Graphen vorhanden ist“, sagt Wiper. Und da Graphen in den meisten Formen von Kohlenstoff, sogar in Kohlenstaub, vorkommt, könnte es die Hölle sein. Aber in den richtigen Händen ist sein Versprechen für die Fahrradindustrie enorm. Potenzielle Anwendungen für Graphen umfassen die Verhinderung von Korrosion an exponierten Teilen wie Felgen, Kettenblättern und Speichen, oder, wenn sie in Kohlenstoffkomponenten eingebettet sind, könnten Graphen-Nanofasern Strom leiten oder sogar Daten übertragen. Das würde die Verkabelung für elektronische Sch altung und Fahrradcomputer reduzieren. Alternativ könnte es Dehnungsmessstreifen in Carbonnaben, Kurbeln, Pedalen, Kettenblättern oder Schuhsohlen bilden, wo seine Nanofasern die Komplexität reduzieren und möglicherweise den Preis von Leistungsmessern senken würden.
Nano-Diamanten wurden bereits mit Graphen beschichtet, um Super-Schmiermittel zu erzeugen, die fast die gesamte Reibung von Lagern eliminieren könnten, und superhelle, graphenverstärkte LEDs werden bereits im nächsten Jahr versprochen. Ein Graphen-Superkondensator kann potenziell mehr Energie speichern als alle vorhandenen Batterien, sodass auch wesentlich leichtere elektronische Sch altkomponenten möglich wären. Darüber hinaus sind auch Versuche zur Einbettung von Graphen-Elektroden in Polypropylenfasern im Gange, sodass sogar ein gewisses Potenzial für eine zukünftige Aufnahme in Kleidungsstücke besteht. Es ist zu diesem Zeitpunkt noch hypothetisch, aber es könnte einen Zeitpunkt geben, an dem Ihr Trikot und Ihre Shorts intelligent werden und Ihre Herzfrequenz, Ihren Blutdruck, Ihre Temperatur, Ihre Schweißrate und sogar die Aktivität einzelner Muskeln erfassen. Es scheint wirklich so, als ob seine Verwendung und Vorteile nur wenige Grenzen haben.
„Graphen ist offensichtlich so neu, dass seine Anwendungen gerade erst untersucht werden“, sagt Campagne. „Es wird viele Jahre grundlegender und angewandter Studien erfordern, um großartige neue Verbesserungen bestehender Produkte oder neue Anwendungen und Verfeinerungen zu entwickeln. Die Reise hat gerade erst begonnen.“
