Metallschaum
In den Materialwissenschaften ist man immer auf der Suche nach neuen Werkstoffen und Materialien. Sehr vielversprechend sind dabei Metallsch\xe4ume, dessen W\xe4rmeleitungseigenschaften Anastasia August am Institut f\xfcr angewandte Materialien erforscht und \xfcber die sie uns im Gespr\xe4ch mit Sebastian Ritterbusch erz\xe4hlt. Zu den besonderen Eigenschaften von Metallsch\xe4umen geh\xf6ren unter anderem die gro\xdfe Oberfl\xe4che bzw. Grenzfl\xe4che im Verh\xe4ltnis zum Volumen wie bei Lungenbl\xe4schen und die hohe W\xe4rmeleitungsf\xe4higkeit im Verh\xe4ltnis zum Gewicht. Gleichzeitig k\xf6nnen Metallsch\xe4ume mit Luft oder anderen Materialien wie Paraffin gef\xfcllt werden, um besondere Eigenschaften zu erhalten. Neben Bierschaum ist auch der Badeschaum eine M\xf6glichkeit Sch\xe4ume mit ihrem au\xdfergew\xf6hnlichem Verhalten kennenzulernen. Das gesch\xe4umte Materialgemisch erh\xe4lt dabei aber typischerweise nicht durchschnittliche Materialeigenschaften, sondern es k\xf6nnen Eigenschaften der einzelnen Materialien teilweise kombiniert werden; z.B. erh\xe4lt ein Metall-Paraffinschaum eine recht hohe W\xe4rmeleitf\xe4higkeit vom Metall gepaart mit einer hohen W\xe4rmekapazit\xe4t und vor Allem mit einem g\xfcnstigen Schmelzpunkt (45-80\xb0C) vom Paraffin und ist damit ein sehr effizienter Latentw\xe4rmespeicher. In der Natur finden sich Schaumstrukturen zum Beispiel in Knochen, die bei hoher Stabilit\xe4t ein deutlich geringeres Gewicht als ein massives Material haben. Aber auch f\xfcr Knochenimplantate sind Metallsch\xe4ume aus Titan durch die hohe Stabilit\xe4t bei geringem Gewicht und guter Vertr\xe4glichkeit sehr interessant. Problematisch ist f\xfcr den Einsatz von Metallsch\xe4umen, dass noch viele quantitative Messgr\xf6\xdfen fehlen, die Herstellung noch recht teuer ist, und insbesondere nur in kleinen Gr\xf6\xdfen produziert werden kann. Als Unterscheidungsmerkmal hat sich neben der Unterscheidung in offen oder geschlossen porigen Schaum die ppi-Zahl als Ma\xdf f\xfcr die Porendichte etabliert, dabei z\xe4hlt man die Poren pro Inch (Zoll, entspricht 2,54 cm). Dazu erfasst man auch die mittlere Porengr\xf6\xdfe (Durchmesser), ihre Standardabweichung, die Porosit\xe4t, die mittlere Stegdicke und deren Form. Weiterhin k\xf6nnen sich Gr\xf6\xdfen in verschiedenen Richtungen im Material unterscheiden, und dadurch merklich deren Eigenschaften ver\xe4ndern. F\xfcr die Herstellung von Metallsch\xe4umen gibt es unterschiedliche Verfahren: Zwei typische Vertreter sind das Pressen mit dem anschlie\xdfenden Schmelzen von gemischtem Metall- und Metallhybridpulvern f\xfcr geschlossen porige feste Sch\xe4ume oder Gie\xdfverfahren, wo der Metallschaum f\xfcr offen porige Materialien durch keramische Negativabbildungen von Polyurethan-Sch\xe4umen nachempfunden wird. Schon fr\xfch waren Sch\xe4ume als m\xf6glichst dichte Packungen ein Forschungsfeld in der Mathematik. Im Jahr 1994 haben Weaire-Phelan eine noch optimalere regelm\xe4\xdfige Schaumstruktur ver\xf6ffentlicht, die in der Architektur des zu den olympischen Sommerspielen 2008 in Peking errichteten Nationalen Schwimmzentrums verewigt wurde. Das ebenfalls zu den Sommerspielen errichtete Vogelnest hat im Gegenteil eine zuf\xe4lligere Struktur. Lange hatte man keine verl\xe4sslichen Aussagen \xfcber die W\xe4rmeleitf\xe4higkeit von Metallsch\xe4umen. Bei einer Leitf\xe4higkeit von etwa 200 W/(mK) von Aluminium erreicht ein Metallschaum Leitf\xe4higkeiten zwischen 5-13 W/(mK) w\xe4hrend man bei Luft von einer Leitf\xe4higkeit von etwa 0.025 W/(mK) ausgehen kann. Au\xdferdem haben Metallsch\xe4ume einen hohen Oberfl\xe4chenanteil, dies bezeichnet die vorhandene Oberfl\xe4che im Verh\xe4ltnis zum Volumen. W\xe4hrend ein voller Metallw\xfcrfel ein Verh\xe4ltnis von etwa 6 m^2/m^3 hat, kann ein Schaum ein Verh\xe4ltnis von bis zu 500 m^2/m^3 erreichen. Eine interessante Fragestellung ist auch, ab welcher Porengr\xf6\xdfe die nat\xfcrliche Konvektion in mit Luft gef\xfcllten Metallsch\xe4umen eine Rolle gegen\xfcber der W\xe4rmeleitung spielt. Die relevante Gr\xf6\xdfe ist hier die Rayleigh-Zahl, die f\xfcr Metallsch\xe4ume typischer Porengr\xf6\xdfen ergibt, dass die nat\xfcrliche Konvektion zu vernachl\xe4ssigen ist. (...)