Leichtbau soll Frachtschiffe vor dem Niedrigwasser retten

Niedrige Pegelstände haben der Binnenschifffahrt in diesem Sommer schwer zugesetzt. Je länger solche Perioden anhalten, desto deutlicher können sich die Folgen auch auf die konjunkturelle Entwicklung auswirken. Besonders energieintensive Industrien wie die Chemie- und Stahlbranche sind auf zuverlässige Lieferketten über Wasserstraßen angewiesen, wenn große Mengen an Rohstoffen oder Bauteilen transportiert werden müssen.

Können Frachtschiffe wegen zu geringer Wassertiefe nicht auslaufen oder nur einen Teil ihrer üblichen Ladung aufnehmen, drohen Produktionsausfälle und höhere Transportkosten. Diese können sich letztlich auch auf die Verbraucherpreise auswirken.

Eine weitere Vertiefung von Fahrrinnen ist aufgrund möglicher ökologischer Auswirkungen umstritten. Gleichzeitig ist eine Rückverlagerung von Schwertransporten auf die Straße bei vielen Gütern nicht möglich und würde hochbelastete Brücken sowie sanierungsbedürftige Straßen zusätzlich beanspruchen.

Eine Alternative setzt deshalb bereits bei der Konstruktion der Schiffe an: Sinkt ihr Eigengewicht, reduziert sich der Tiefgang. Frachtschiffe könnten dadurch auch bei niedrigen Pegelständen noch Güter transportieren, während schwerere Schiffe bereits Gefahr laufen, auf Grund zu laufen.

Wie macht Aluminiumschaum Schiffe leichter?

Eine Möglichkeit bietet eine Sandwich-Bauweise, bei der Aluminiumschaum zwischen zwei dünnen Stahl- oder Aluminiumplatten angeordnet wird. Aluminiumschaum ist ein sehr leichter metallischer Strukturwerkstoff mit einer Dichte von deutlich weniger als einem Gramm pro Kubikzentimeter.

Das Herstellungsprinzip ähnelt dem Aufschäumen eines Teigs. Aluminiumpulver wird ein Treibmittelpulver wie Titanhydrid zugesetzt. Dieses setzt bei Erwärmung Gas frei, meist Wasserstoff. Die entstehenden Gasblasen verteilen sich im flüssigen Aluminium und erzeugen eine schaumartige Struktur.

Während des Schäumprozesses verbindet sich der Aluminiumschaum im metallischen Stoffschluss mit den Deckblechen.

Klebstoff wird für die Verbundfertigung nicht benötigt. Das bietet einen Vorteil bei der späteren Wiederverwertung. Anschließend kühlt der Schaum ab und erstarrt, wodurch die poröse Struktur dauerhaft erhalten bleibt.

Das Fraunhofer IWU entwickelt Konstruktionen mit Aluminiumschaum bereits für Anwendungen wie Werkzeugmaschinen oder Gehäuse von Traktionsbatterien in Elektroautos.

Aluminiumschaum bringt rund 30 % Gewichtsvorteil

Potenzial sieht das Fraunhofer IWU auch im Schiffbau. Dr. Jörg Hohlfeld, Leiter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU, hält Sandwichstrukturen sowohl für Schiffsaußenhäute als auch für Schiffsaufbauten für geeignet.

„Bei etwa 30 % Mindergewicht gegenüber herkömmlichem Schiffbaustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach.“

Der leichte und schubsteife Aluminiumschaumkern hält die beiden Bleche auf konstantem Abstand. Dadurch bleibt die Biegesteifigkeit der Sandwichstruktur erhalten. Die außen liegenden Bleche nehmen die auftretenden Lasten auf und leiten sie ab.

Wie lassen sich die Sandwichplatten fertigen?

Auch bei der Herstellung sieht das Fraunhofer IWU keine unlösbaren Hürden. Die gleichmäßige Verteilung der Porenstruktur im Schaumkern sei inzwischen auch bei großvolumigen Bauteilen gut beherrschbar. Dadurch könnten reproduzierbare Eigenschaften sichergestellt werden.

Die Sandwichplatten lassen sich in größeren Abmessungen vorfertigen. Als Beispiel nennt das Fraunhofer IWU Formate von 2,0 x 1,5 m. Anschließend können die einzelnen Elemente mit gängigen Schweißverfahren wie dem MAG-Schweißen zu größeren Baugruppen zusammengefügt werden.

Damit lässt sich die Sandwich-Bauweise grundsätzlich auch auf die für den Schiffbau erforderlichen größeren Strukturen übertragen.

Höhere Kosten treffen auf geringeren Tiefgang

Gegenüber konventionellen Stahlplatten entstehen bei den Sandwichstrukturen etwas höhere Material- und Prozesskosten. Diesen Mehrkosten stehen laut Ausgangstext wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber.

Der zentrale Effekt für die Binnenschifffahrt liegt im geringeren Gewicht. Werden Schiffsaußenhäute oder Aufbauten leichter ausgeführt, sinkt der Tiefgang des Frachtschiffs. Damit könnte ein Schiff auch bei niedrigen Wasserständen noch Ladung transportieren.

Das gewinnt vor dem Hintergrund häufiger Perioden mit wenig Niederschlag und niedrigen Pegelständen an Bedeutung. Der Aluminiumschaum adressiert das Niedrigwasserproblem damit konstruktiv: Statt ausschließlich die Wasserstraße an größere Schiffe anzupassen, soll der Leichtbau die Schiffe besser an die verfügbaren Wassertiefen anpassen.