Nanoblitzen auf der Spur

Dieses Szenario spielt sich nicht am Himmel ab, sondern in unserem Alltag. Nanoblitze – mikroskopisch klein – begegnen uns bei Schaltern aller Art. Man kennt sie als Licht- oder Geräteschalter, als Leitungsschutzschalter in Wohnungen und Gebäuden, als Relais zur gleichzeitigen Schaltung von mehreren Stromkreisen in Verkehrsmitteln und Maschinen sowie als Hochspannungsschutzschalter für höchste Beanspruchungen. Alle diese Bauteile haben eine gemeinsame Grundeinheit – den Schaltkontakt.

Bei jedem Schaltvorgang entsteht ein Lichtbogen zwischen den Kontakten, ein Blitz. Vergleicht man die Ströme mit einem Atmosphärenblitz (~ 20.000 A), so kann man erkennen, dass extreme Kräfte auf die Kontakte wirken. Je nach dem wie oft diese Blitze beim Ein- und Ausschalten erzeugt werden, kann das Material erheblichen Schaden nehmen. Elektroerosion nennt man diesen Prozess, mit dem sich Saarbrücker Werkstoffwissenschaftler zusammen mit Partnern aus der Industrie beschäftigen.

Doch nicht nur die Elektroerosion verursacht Materialschäden, auch mechanische Belastungen, wie zum Beispiel Erschütterungen oder Reibungen, denen Schalter unter Umständen ausgesetzt sind, schädigen das Material zusätzlich. Die Folge: Die Funktion der Schalter und Kontakte ist nicht mehr gewährleistet und damit auch nicht mehr die Zuverlässigkeit elektrischer Geräte.

Um die Schädigungen am Material zu verringern, bestehen heutige Kontaktwerkstoffe zu 80 Prozent aus Silber. Ziel ist es, optimierte Werkstoffe zu entwickeln, in dem man dem Silber andere Kontaktwerkstoffe beimischt, um so den Verbrauch von Edelmetallen zu verringern und gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit der Kontakte und Schalter zu steigern und die Lebensdauer zu erhöhen.

Hier setzen die Wissenschaftler am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes an, deren Aufgabe in der 3D-Werkstoffanalyse und der Charakterisierung der Kontaktwerkstoffe besteht sowie in der Untersuchung der vom Lichtbogen geschädigten Bereiche. Das dort verfügbare sogenannte Nanolab ermöglicht es, die Mikrostruktur der Werkstoffe bis in den Nanometerbereich in drei Dimensionen zu untersuchen und die in der Regel sehr kleinen Schädigungsbereiche zielgenau zu präparieren, zu analysieren und zu charakterisieren. Auf diese Weise erlangt man ein detailliertes Verständnis von Schädigungsmechanismen durch Lichtbögen und der Auswirkungen unterschiedlicher Stoffe, ihrer Größe und ihrer Verteilungen auf den Kontaktwerkstoff. Daraus lassen sich Modelle für die großtechnische Produktion ableiten und in die Wirtschaft überführen.

Kontakt:
Herr Dr. Flavio Soldera
Herr Dipl.-Ing. Christian Selzner
Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe
Universität des Saarlandes
Im Stadtwald
66123 Saarbrücken
Tel. (06 81) 3 02-34 38
E-Mail: f.soldera@matsci.uni-sb.de