Forschergruppe "Intelligente Werkstoffe"

Motivation

Eine leistungsfähige Verkehrsinfrastruktur bildet die Grundlage für Mobilität und den wirtschaftlichen Erfolg einer Gesellschaft. Die bisherigen Materialkonzepte für Verkehrsinfrastruktur auf Basis konventioneller Betone sind in vielen Fällen sehr traditionell geprägt. Schon heute schränkt dies die Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Verkehrsinfrastruktur ein. Für die Mobilität von morgen und für die Implementierung „neuer“ technologischer Konzepte, wie autonomes Fahren, alternative Antriebe und Smart City-Konzepte, ist es deshalb dringend erforderlich, neue Materialkombinationen zu erforschen, die den steigenden Anforderungen an die Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit gerecht werden.

Zielsetzung und Forschungsstrategien

Das Ziel dieser Forschungsgruppe ist es, einen so genannten „Beton 2.0“ als leistungsfähigen Werkstoff für die Verkehrsinfrastruktur des 21. Jahrhunderts zu entwickeln, der smart, adaptiv und multifunktional ist. Die Zielsetzung soll durch drei grundlegende Forschungsstrategien erreicht werden, die parallel erforscht werden:

  1. Um eigenständige Reaktionen einleiten zu können, muss ein adaptiver Beton zunächst um seinen Zustand wissen. Demzufolge wird zunächst intelligente, materialintegrierte Sensorik entwickelt und optimiert. Auf Basis dieser optimierten Sensorik werden integrierte Sensorik- und Aktorikkonzepte entwickelt, die sowohl autark als auch in Kombination mit der unter (2) erläuterten Verkapselungsstrategie „intelligente“ Aktionen des Betons hervorrufen.
  2. Die zweite Strategie beinhaltet die Verkapselung von Wirkstoffen und deren bedarfsgerechte Freisetzung und Verbreitung. Die Kapselöffnungen sollen dabei entweder über Signale der Aktoren (z.B. bestimmte Wellenformen) aus (1) oder durch Änderungen des Betons selbst (z.B. pH-Wert) initiiert werden. Die gezielte Freisetzung der Wirkstoffe wird den Beton dazu befähigen, sich selbst zu reparieren und wieder in einen unkritischen Ausgangszustand zurückzukehren.
  3. Durch die Funktionalisierung und Mikrostrukturierung von Gesteinskörnungen, die bislang nur als Stützgerüst im Beton dienen, sollen die Dämpfungseigenschaften signifikant verbessert werden. Dies führt im Beton zur Übernahme weiterer Funktionen, wie der Verhinderung von Mikrorissen und der Lärmreduktion.

Die drei Forschungsstrategien werden in der zweiten Projektphase in drei ausgewählten Anwendungen der Verkehrsinfrastruktur zum Einsatz kommen. Nach erfolgreichem Abschluss des Projektes wird ein adaptiver, „intelligenter Beton“ für die Verkehrsinfrastruktur zur Verfügung stehen, der sich zudem durch Multifunktionalität auszeichnet und Funktionen wie Lärmreduzierung und Luftreinhaltung unterstützen kann.

Sensorik- und Aktorikkonzepte

Innerhalb der Forschergruppe befasst sich die Professur Informatik im Bauwesen mit der Erforschung neuer Sensorik- und Aktorikkonzepte (Strategie 1), die als sensorische Materialien realisiert werden. Es werden zunächst neue Designkonzepte für sensorische Materialien und insbesondere materialintegrierte, intelligente Sensorik bereitgestellt. Die intelligente Sensorik wird daraufhin optimiert, sodass sie Sensordaten selbstständig analysieren und materialintegrierte Aktoren zuverlässig steuern kann. Die Sensorik-/Aktorikkombinationen sind in der Lage, Änderungen im Schädigungszustand des Betons mittels eingebetteter Algorithmen und geeigneter Kommunikationsmechanismen selbstständig zu erfassen. Insbesondere werden die materialintegrierten Aktoren befähigt, im Material eingebettete Wirkstoffkapseln über gezielte Wellen zu öffnen, um bei Bedarf zielgerichtet Selbstheilungsmechanismen des Betons zu initiieren (siehe Abbildung). Die Realisierung erfolgt im Sinne eines cyber-physischen Systems mit IoT-Anbindung. Hierfür werden die Kommunikationsfunktionalitäten der Sensorik-/Aktorikkombinationen derart erweitert, dass eine Internet-basierte Kommunikation möglich ist. Der intelligente Werkstoff ist somit in der Lage, mit weiteren Komponenten der virtuellen und der realen Welt zu kommunizieren (Industrie 4.0).

Projektinformationen

  • Mittelgeber und Programm: Carl-Zeiss-Stiftung (Forschergruppe in der Förderlinie "Durchbrüche")
  • Förderhöhe: 5.490.000,00 EUR (davon 4.500.000,00 EUR Carl-Zeiss-Stiftung)
  • Förderdauer: 2020-2025
  • Vollständiger Titel der Forschergruppe: "Intelligente Werkstoffe - Funktionalisierung smarter Werkstoffe unter Mehrfeldanforderungen für die Verkehrsinfrastruktur"

Projektbeteiligte

  • Professur Werkstoffe des Bauens (Koordination)
  • Professur Informatik im Bauwesen
  • Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe
  • Professur Baustatik und Bauteilfestigkeit
  • Professur Modellierung und Simulation – Mechanik
  • Professur Stochastik und Optimierung
  • K-UTEC AG Salt Technologies
  • BRACE GmbH

Projekt-bezogene Publikationen

  • Coming soon...

Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Kay Smarsly
Bauhaus-Universität Weimar
Informatik im Bauwesen
Coudraystraße 7, Raum 518
99423 Weimar
E-Mail: kay.smarsly[at]uni-weimar.de