TORONTO / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Ein Forschungsteam der University of Toronto hat einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft erzielt, der die Luftfahrtindustrie nachhaltig verändern könnte.
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Ein Forscherteam der University of Toronto hat durch die Kombination von maschinellem Lernen und Nano-3D-Druck ultraleichte Materialien entwickelt, die die Festigkeit von Karbonstahl erreichen. Diese neuartigen Materialien könnten insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie für mehr Effizienz und geringere Emissionen sorgen. Die Entwicklung dieser Materialien basiert auf sogenannten Nanolattice-Strukturen, die ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen.
Die Nanolattice-Strukturen bestehen aus winzigen Kohlenstoffbausteinen, die nur wenige hundert Nanometer groß sind. Diese Struktur ermöglicht es, die Festigkeit von Karbonstahl mit der Leichtigkeit von Styropor zu kombinieren. Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung dieser Materialien war der Einsatz eines Bayes’schen Optimierungsalgorithmus, der optimale Geometrien zur Verbesserung der Stressverteilung und des Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses berechnete.
Die Forscher kooperierten mit dem Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST), um die Materialgeometrien weiter zu optimieren. Mit einem Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker wurden die optimierten Designs schließlich realisiert und experimentell validiert. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Die neuen Designs verdoppelten die Festigkeit gegenüber bisherigen Konstruktionen und hielten einer Belastung von 2,03 Megapascal pro Kubikmeter pro Kilogramm Dichte stand.
In der Luftfahrtindustrie sehen die Forscher großes Potenzial für ihre Entwicklung. Professor Tobin Filleter, Leiter des Projekts, erklärt, dass durch den Ersatz von Titan-Komponenten in Flugzeugen jährlich bis zu 80 Liter Kraftstoff pro ersetztem Kilogramm Material eingespart werden könnten. Dies würde nicht nur die Betriebskosten senken, sondern auch die CO₂-Emissionen erheblich reduzieren.
Die Forscher planen nun, die Skalierbarkeit der Materialproduktion zu verbessern, um eine kostengünstige Herstellung auf makroskopischer Ebene zu ermöglichen. Diese Weiterentwicklung könnte die Tür zu zahlreichen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Industrien öffnen, die von leichten und gleichzeitig hochfesten Materialien profitieren könnten.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht und bieten einen vielversprechenden Ausblick auf die Zukunft der Materialwissenschaft. Die Kombination aus maschinellem Lernen und fortschrittlichem 3D-Druck zeigt, wie technologische Innovationen neue Möglichkeiten für nachhaltige und effiziente Lösungen schaffen können.
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