Werkstoffkunde

Aus der modernen Technologie ist das Material Gummi nicht mehr wegzudenken. Zu Wasser, zu Lande und in der Luft wird die elastische Allzweckwaffe zum Schutz der Menschen eingesetzt.

Die Katastrophe ereignete sich vor den Augen von Millionen Fernsehzuschauern in aller Welt: 73 Sekunden nach dem Start von Cape Canaveral explodierte die Raumfähre »Challenger« am azurblauen Himmel über Florida. In einer gigantischen weißen Rauchwolke stürzten die brennenden Trümmer aus 16 Kilometer Höhe in den Atlantik. Alle sieben Astronauten an Bord kamen ums Leben.

Die Katastrophe vom 28. Januar 1986 brannte sich ein ins kollektive Gedächtnis der Menschheit – wie zuvor die Bilder von der Ermordung John F. Kennedys und danach die einstürzenden Twin Tower von Manhattan.

Weit unspektakulärer war das Experiment, mit dem der Physiker und Nobelpreisträger Richard P. Feynman (1918–1988) wenige Tage später im Auftrag der NASA die Welt wissen ließ, dass die Zigmillionen teure Weltraumexpedition an der falschen Handhabung eines Pfennigartikels gescheitert war: Vor laufenden Kameras warf er ein Stück eines Dichtungsrings aus Gummi in ein Glas mit Eiswasser. Nach kurzer Zeit fischte er es wieder heraus und schlug mit einem Hammer darauf. Der durch die Kälte spröde gewordene Dichtungsring zersprang in tausend Stücke.

Zum ersten Mal richteten sich damals die Augen der Weltöffentlichkeit auf ein Material, das aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken ist: Gummi, in seiner Rohform auch Kautschuk genannt. Vor allem bei der Vorbeugung und Bewältigung von Katastrophen kommt es mannigfaltig zum Einsatz – vom Gummischlauch der Feuerwehr bis zu Gummilagern, die dazu dienen, Bauwerke erdbebensicher zu machen. Und nun gab der weltberühmte Physiker dem Alleskönner Gummi die Schuld an der Tragödie von Cape Canaveral! Was war geschehen?

Beim Corpus Delicti handelte sich um den sogenannten O-Ring (Durchmesser 3,60 Meter), der normalerweise verhindert, dass Treibstoff aus den ineinandergesteckten Tanksegmenten austreten kann. Er wird zwischen die Metallwände gepresst und dichtet sie ab. Ein Verfahren, das sich vielfach bewährt hat. Dass die unentbehrlichen Ringe dieses eine Mal nicht funktioniert haben, geht auf menschliches Versagen zurück. Nie zuvor waren die Temperaturen in Florida so eisig gewesen wie in jenen Januartagen, als der 25. Shuttle-Flug ins All starten sollte. Viermal war die Mission aus Sicherheitsgründen bereits verschoben worden. Tagelang wartete die Raumfähre samt aufgepackten Tanks im Startgerüst. Alles wurde durchgecheckt, nur die Dichtungsringe nicht. Dabei weiß jede Hausfrau, dass zum Beispiel Einmachringe nach längerer Lagerung in der Kälte brüchig werden.

Gummi ist ein lebendiger Werkstoff, der mit bestimmten Zusatzstoffen oder in aggressiver Umgebung schneller altert. Die UV-Strahlung der Sonne bleicht ihn aus, der Reizsauerstoff Ozon macht ihn rissig – und starke Temperaturunterschiede verursachen Sprödigkeit. Lösungsmittel, Säuren oder Laugen können ihn zerstören. Doch bei richtiger Handhabung ist er ein Garant für die Sicherheit des Menschen. Beim Röntgen schützt die gummierte Bleischürze vor unerwünschter radioaktiver Strahlung. Das Kondom bewahrt vor Geschlechtskrankheiten und unerwünschten Schwangerschaften.

Als technischer Werkstoff wird Gummi von Wissenschaftlern geschätzt, weil er ein »Material mit Gedächtnis« ist. Ulrich Giese vom Deutschen Institut für Kautschuktechnologie (DIK) in Hannover legt ein Gummiband unter ein Rasterelektronenmikroskop und erkennt darin »Moleküle, die sich zusammenknäulen«. Wenn er an dem Band zieht, »entflechten sich die Knäuel. Es bilden sich wie Fäden aneinandergereihte Molekülketten«. Mit anderen Worten: Egal, wie man auch zerrt, knickt oder quetscht – Gummi bleibt elastisch und findet immer in seine Ausgangsposition zurück. Eine Qualität, die beim einfachen Hosengummi ebenso greift wie in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Wer beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von 900 km/h und Außentemperaturen von minus 60 Grad Celsius in 12 500 Meter Höhe im Flugzeug sitzt und nicht den leisesten Hauch eines Luftzugs spürt, verdankt das der Isolierkraft des Gummis. In diesem Fall besteht er aus synthetisch hergestelltem Silikonkautschuk, der nicht temperaturempfindlich ist. In ihn sind die Bullaugenfenster der Maschine eingebettet. Der Hightech-Fensterkitt funktioniert auch während einer Zwischenlandung in der Wüste bei 60 Grad Hitze.

Beim Bau von Straßen, Brücken und Hochhäusern setzen Ingenieure auf die Elastizität des Materials. Die Konstruktionen sollen nicht starr wie eine mittelalterliche Burg verharren, sondern flexibel auf mechanische Einflüsse von außen reagieren. So stehen in Japan Atomkraftwerke auf Gummilagern, die Erdstöße besser abfangen können, weil sie Untergrund und Baukonstruktion entkoppeln. Wie Stoßdämpfer liegen sie zwischen Keller und Erdgeschoss. Nach dem Erdbeben, das 1995 die Stadt Kobe zerstört hat, nahm man sich dort die Bauweise der Atommeiler beim Wiederaufbau zum Vorbild.

Auch große Brücken aus Stahlbeton müssen beweglich bleiben. In mittäglicher Sommerhitze heizt sich der Asphalt auf ihrer Fahrbahn um ein Vielfaches der Lufttemperatur auf, nachts kühlt er extrem ab. Die Konstruktion muss mit Temperaturunterschieden bis zu 70 Grad Celsius fertig werden. Bei Hitze dehnt sich das Material bis zu zehn Zentimeter aus. Wenn es sich nachts wieder zusammenzieht, bleiben dank Gummibeimischung nur schmale Dehnungsfugen, die den Verkehr nicht behindern. Würde die Brücke nicht elegant auf Gummilagern schwingen, könnte sie von Schwerlastern oder Zügen zum Einsturz gebracht werden. Das Gewicht der Fahrzeuge presst die Brücke nach unten. Wenn ICE-Züge mit bis zu 300 km/h darüberrasen, werden zusätzlich horizontale Kräfte frei. Beim Vorwärtsfahren wird das Bauwerk nach hinten verschoben, beim Bremsen wieder nach vorn. Die Gummilager federn alles ab.

Aufgabe kreativer Chemiker ist es, maßgerechte »Gummierungen« aus Synthetik-Kautschuk oder Mischungen von Natur- und Kunstgummi zu designen. Mit unterschiedlichen Zusatzstoffen mixen sie ständig neue Cocktails, um die ehrgeizigen Wünsche ihrer Auftraggeber nach revolutionären Bauteilen und Beschichtungen zu erfüllen. Französische Forscher haben jetzt sogar ein »sich selbst heilendes« Material erfunden. Einen Gummi, der Löcher selbsttätig schließt – bisher nur für Fahrradschläuche. Man könnte sich aber auch einen prall gefüllten Luftballon vorstellen, dessen Haut sich beim Piken mit der Nadel zusammenzieht wie eine erschrockene Muschel.