Eine „fühlende Haut“ für die Infrastruktur

Mögliche Schädigungsmechanismen zu erkennen sowie entstehende Schäden frühzeitig zu identifizieren und zu beseitigen, erfordert großen technischen, organisatorischen und finanziellen Aufwand. Um ihn zu verringern, arbeiten Physiker und Ingenieure aus Potsdam und Boston gemeinsam an der Entwicklung eines Sensorkonzeptes für Infrastruktur-Bauwerke.

Brücken, Autobahnen, Staudämme und Versorgungseinrichtungen gehören zu den teuersten Infrastruktureinrichtungen der modernen Gesellschaft. Sie sind permanenter Beanspruchung durch Verkehr und Umwelt, aber auch Gefahren, wie Erdbeben und Unfällen, ausgesetzt.

Die Folgen der kontinuierlichen und kurzzeitigen Beanspruchungen sind wachsende Schädigungen. Bei Brücken beispielsweise kann dies zur Verringerung der Traglast und der sicheren zulässigen Passiergeschwindigkeit führen. Folgen der Schäden sind unter anderem Sperrungen und aufwendige Sanierungen, wovon Verkehrsteilnehmer und Steuerzahler betroffen sind.

Schäden und Wartungsstau im deutschen Autobahnnetz haben zum Beispiel dazu geführt, dass 2,3 Prozent der Autobahnbrücken so weit geschädigt sind, dass ihr Zustand zu Verkehrsbeeinträchtigungen führt. Die regelmäßige Wartung erfordert einen großen technischen, organisatorischen und finanziellen Aufwand.

An dieser Stelle setzt ein Forschungsprojekt an, in dem Physiker der Universität Potsdam und Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) zusammen arbeiten. Die Potsdamer Forscher Matthias Kollosche und Dr. Guggi Kofod aus dem Lehrstuhl Angewandete Physik kondensierter Materie von Prof. Dr. Reimund Gerhard sowie die Ingenieure Simon Laflamme und Prof. Dr. Jerome Connor vom Department of Civil and Environmental Engineering des MIT arbeiten an der Entwicklung eines Sensorkonzeptes für Infrastruktur-Bauwerke.

Die neuen Sensorsysteme, die auf dem Zusammenspiel vieler, mechanisch sehr flexibler und günstig zu produzierender Polymerkondensatoren beruhen, können flächendeckend auf Brücken und Staudämmen befestigt werden. Durch die unterschiedliche mechanische Deformation der Sensoren werden Schäden und Veränderungen direkt messbar. Das zum Patent angemeldete Polymersensorkonzept für Infrastrukturanwendungen ermöglicht es erstmals, kontinuierlich die Alterung zu erfassen und auftretende Veränderungen, wie Risse, schnell zu lokalisieren. Dieses Sensorkonzept agiert wie eine „fühlende Haut“, die über die kritischen Strukturen gespannt werden kann.

Die Doktoranden Kollosche und Laflamme haben das Konzept im Potsdamer Labor und am MIT mit kommerziell erhältlichen Materialien praktisch erprobt. Sie konnten mit den am Institut für Physik und Astronomie der Universität Posdam erforschten Methoden zur Einstellung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Polymeren ein maßgeschneidertes Material entwerfen und herstellen, welches sich bei der praktischen Umsetzung des Konzepts bewährt hat. Die Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden bereits auf einer Konferenz in Tokio vorgetragen und in zwei Veröffentlichungen publiziert. Die Forscher beabsichtigen in einem weiteren Schritt die praktische und großflächige Erprobung des Konzepts außerhalb des Labors.

Hinweis an die Redaktionen:

Kontakt: Matthias Kollosche, Telefon: 0331/977-5001,
E-Mail: matthias.kollosche@uni-potsdam.de