Hitzeschutz für Turbinen – Neuer Werkstoff erfüllt höchste Ansprüche

Gasturbinen würden Strom effektiver und umweltschonender erzeugen, wenn das Erdgas in ihrem Inneren bei höheren Temperaturen verbrannt würde als es heute üblich ist. Doch die Materialien in der Brennkammer und auf den Turbinenschaufeln halten eine Hitze von über 1250 °C dauerhaft nicht aus. Abhilfe verspricht eine Wärmedämmung, die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich entwickelt haben.

Der neue Hitzeschutz setzt sich aus zwei verschiedenen Schichten – Zirkonoxid und Lanthanzirkonat – zusammen, die jeweils rund 150 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dick sind. Proben mit einer solchen Doppelschicht überstehen über 1000 mal einen Zyklus, bei dem sie zunächst auf 1350 °C erhitzt und anschließend rasch abgekühlt werden. Zum Vergleich: Wärmedämmschichten, wie sie derzeit in Gasturbinen eingesetzt werden, platzen spätestens nach 600 Zyklen ab.
Wegen der kurzen Lebensdauer des herkömmlichen Hitzeschutzes bei Temperaturen über 1250 °C werden Gasturbinen heute nicht bei höheren Temperaturen betrieben. Wie Ingenieure weltweit aus Computersimulationen und Modellrechnungen wissen, wäre das aber wünschenswert: „Die Turbinen hätten dann einen höheren Wirkungsgrad“, sagt Prof. Detlev Stöver, Leiter des Instituts für Werkstoffe und Energietechnik 1 (IWV-1) im Forschungszentrum Jülich. Weniger wissenschaftlich ausgedrückt: Es könnte mehr Strom aus dem Erdgas herausgeholt werden. Oder im Falle von Flugzeugturbinen: Die Flugzeuge würden weniger Kerosin verbrauchen. Die Jülicher Wärmedämmschichten ermöglichen somit, Kosten zu sparen, aber auch die Umwelt zu schonen. Denn geringerer Brennstoffverbrauch geht mit einem geringeren Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid einher.
„Wir stellen die wärmedämmende Doppelschicht mit Hilfe des Plasmaspritzens her – ein Verfahren, das auch industriell intensiv zur Herstellung von Wärmedämmschichten genutzt wird“, sagt Dr. Robert Vaßen, Arbeitsgruppenleiter am IWV-1. Dazu lassen die Wissenschaftler zunächst pulverförmiges Zirkonoxid in die sehr heiße Fackel eines Plasmabrenners rieseln, wo es schmilzt und beschleunigt wird. Ein Roboter fährt mit dem Brenner wie mit einem Pinsel die Oberfläche des Bauteils ab und trägt so die Zirkonoxidschicht auf. Anschließend wiederholen die Forscher den Vorgang mit Lanthanzirkonat.
Lanthanzirkonat dehnt sich bei steigenden Temperaturen weit weniger stark aus als die Bauteile, die es schützen soll. Eine Wärmedämmschicht, die allein aus diesem Material besteht, springt deshalb bei starken Temperaturwechseln relativ leicht ab. Nur in der Kombination mit Zirkonoxid, das herkömmlich als Hitzeschutz in Turbinen eingesetzt wird, zeigt sich die hohe Leistungsfähigkeit des Lanthanzirkonats: Es behält seine Struktur – also seine atomare Architektur – bis zu seinem Schmelzpunkt (2300 °C) und leitet Wärme um 20 Prozent schlechter als Zirkonoxid, schützt also darunter liegende Materialien besser vor den hohen Temperaturen.
Die Wissenschaftler des IWV-1 untersuchen derzeit noch andere Substanzen, die wie Lanthanzirkonat eine so genannte Pyrochlor-Struktur aufweisen. Sie hoffen, auf noch bessere Materialien für die Wärmedämmung zu stoßen. Mehrere Industrieunternehmen wollen die Jülicher Werkstoffe in gemeinsamen Projekten bis zur Anwendungsreife bringen.