Forschung am Fortschrittskolleg "Leicht-Effizient-Mobil: Energie und kosteneffizienter Extremleichtbau mit Hybridwerkstoffen"

Leichtbau nützt Mensch und Umwelt

Nils Wingenbach im Gespräch.
Nils Wingenbach forscht an hybriden Leichtbau-Konstruktionen. (Bild: Ministerium für Kultur und Wissenschaft / Jan Olaf Scholz)

"Was hilft einem älteren Menschen eine Gehhilfe, die 50 Kilo wiegt?", fragt Nils Wingenbach. Der 27-jährige Maschinenbauingenieur promoviert im Rahmen des NRW-Fortschrittskollegs "Leicht – Effizient – Mobil" der Universität Paderborn. An den Forschungsergebnissen des Kollegs sind vor allem auch Wohlfahrtsverbände wie die AWO oder die Caritas interessiert. Denn leichtere Hilfsmittel nützen sowohl den Patienten als auch dem Pflegepersonal. Schwere, unhandliche Komponenten sollen durch Leichtbaulösungen ersetzt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Materialsubstitution erfolgen, indem schwere Materialien wie Stahl durch leichtere Werkstoffe ausgetauscht werden. Doch Alternativen wie Aluminium oder faserverstärkte Kunststoffe sind teuer und unterscheiden sich in ihren Eigenschaften teilweise signifikant vom Stahl. 

Die Lösung könnten laut Nils Wingenbach Hybridsysteme sein. Ein Verfahren, bei dem unterschiedliche Materialien wie Stahl, Leichtmetalle und Kunststoffe so miteinander kombiniert werden, dass daraus extrem leichte, aber trotzdem bezahlbare Bauteile entstehen. Dort, wo die Eigenschaften des Stahls benötigt werden, kommt er weiterhin zum Einsatz. Dort, wo andere Materialien die gleichen Funktionen erfüllen, wird er ersetzt. 13 Doktorandinnen und Doktoranden aus den Fachbereichen Maschinenbau, Chemie, Physik und Soziologie forschen hierzu am Fortschrittskolleg. 

Auch Energiebilanz spielt eine Rolle

Nils Wingenbach will im Rahmen seiner Doktorarbeit ein Simulationswerkzeug entwickeln. Es soll später den Ingenieuren und Konstrukteuren aufzeigen, welche Bauteile beispielsweise an einem elektrischen Rollstuhl durch hybride Leichtbau-Konstruktionen ersetzt werden könnten. Hierbei spielt für den Maschinenbauingenieur der Klimaschutz eine wichtige Rolle. Er betrachtet die gesamte Energiebilanz eines Bauteils, von der Materialgewinnung über die Herstellung, die Nutzung bis hin zum Recycling. 

Wenn es darum geht, die Eigenschaften der Hybridmaterialien zu bestimmen, also herauszufinden, wie sie sich in einer bestimmten Situation etwa bei Regenwetter oder einem Urlaub an der See verhalten, ist der 27-Jährige auf die Unterstützung der Physikerinnen und Physiker sowie der Chemikerinnen und Chemiker im Kolleg angewiesen. „Ich bin kein gelernter Grenzflächen-Chemiker“, sagt er. „Zum Glück gibt es hierfür einen Experten im Team.“

Die Kollegiatinnen und Kollegiaten arbeiten eng mit Akteuren aus der Praxis zusammen. Nils Wingenbach hat beispielsweise in einem Altenzentrum der Caritas hospitiert. Während der Doktorand bei seiner Forschung bis dato vor allem Hilfsmittel wie Rollatoren oder Rollstühle im Blick hatte, machten ihn die Pflegekräfte auf eine andere Herausforderung aufmerksam. Die Türen im Altenzentrum sind schmal, eine Verbreiterung, sodass ein Bett hindurchgeschoben werden könnte, würde die Arbeit des Pflegepersonals erleichtern. Gleichzeitig sind die Türen schon heute so schwer, dass sie von einigen Bewohnerinnen und Bewohnern nur mit Mühe geöffnet werden können. Größere Türen würden noch mehr wiegen. Auch hier könnten Leichtbau-Konstruktionen also eine Lösung sein.   

Nils Wingenbach hat an der Universität Paderborn studiert; ein duales Studium in Kooperation mit einem seiner jetzigen Praxispartner, einem Zulieferer für die Automobilindustrie. Ein Wechsel in die Privatwirtschaft wäre nach dem Abschluss leicht gewesen, doch der Doktorand entschied sich für die Wissenschaft. „Ich habe mich schon immer für die Forschung interessiert. Ich kann mir gut vorstellen, an der Uni zu bleiben“, sagt er. 

Was ihn an der Forschung mit Hybridsystemen fasziniert, beschreibt der Kollegiat so: „Dass an jeder Stelle eines Autos, Flugzeugs oder Rollstuhls genau das richtige Material verwendet wird ist eine enorm komplexe Fragestellung, zu deren Lösung ich gerne einen kleinen Beitrag leisten möchte.“ Den Vorteil von Leichtbau-Konstruktionen zu erkennen, fällt auch dem Laien nicht schwer. Leichtere und einfacher händelbare Rollstühle und Gehhilfen verschaffen älteren Menschen oder Menschen mit einer Gehbehinderung mehr Mobilität. Und das ist nur eines von vielen Beispielen.