Weltweit werden bei der Glasherstellung jedes Jahr mindestens 86 Millionen Tonnen Kohlendioxid erzeugt. Eine neue Art von Glas verspricht, diesen Kohlenstoff-Fußabdruck um die Hälfte zu reduzieren.
Die Erfindung mit dem Namen LionGlass, die von Forschern der Pennsylvania State University, entwickelt wurde, benötigt deutlich weniger Energie bei der Herstellung und ist wesentlich widerstandsfähiger als herkömmliches Kalk-Natrons- Silikatglas. Das Forschungsteam hat vor kurzem eine Patentanmeldung als ersten Schritt zur Markteinführung des Produkts eingereicht.
Nachhaltige Glasherstellung: Projekt LionGlass senkt Energieverbrauch und CO2-Emissionen
"Unser Ziel ist es, die Glasherstellung langfristig nachhaltig zu gestalten", sagte John Mauro, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Universität und leitender Forscher des Projekts "LionGlass macht die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Gemengematerialien überflüssig und senkt die Schmelztemperatur von Glas erheblich."
Kalk-Natron-Silikatglas, das übliche Glas, das in Alltagsgegenständen von Fenstern bis zu Glasgeschirr verwendet wird, wird durch das Schmelzen von drei Grundstoffen hergestellt: Quarzsand, Soda und Kalkstein. Bei Soda handelt es sich um Natriumkarbonat und bei Kalkstein um Kalziumkarbonat, die beide beim Schmelzen Kohlendioxid (CO2), ein wärmespeicherndes Treibhausgas, freisetzen.
"Während des Glasschmelzprozesses zersetzen sich die Karbonate in Oxide und erzeugen Kohlendioxid, das in die Atmosphäre gelangt", so Mauro.
Der Großteil der CO2-Emissionen stammt jedoch aus der Energie, die benötigt wird, um die Öfen auf die für das Schmelzen von Glas erforderlichen hohen Temperaturen zu erhitzen. Bei LionGlass werden die Schmelztemperaturen um etwa 300 bis 400 Grad Celsius gesenkt, erklärte Mauro, was zu einer Verringerung des Energieverbrauchs um etwa 30 % im Vergleich zu herkömmlichem Kalknatronglas führt.
Rissfestigkeit 10x Höher als bei herkömmlichem Glas
LionGlass ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch viel stabiler als herkömmliches Glas. Die Forscher sagten, sie seien überrascht gewesen, dass das neue Glas, das nach dem Maskottchen der Pennsylvania State University, dem Nittany Lion, benannt ist, im Vergleich zu herkömmlichem Glas eine deutlich höhere Rissfestigkeit aufweist.
Einige der Glaszusammensetzungen des Teams wiesen eine so hohe Rissfestigkeit auf, dass das Glas selbst bei einer Belastung von einem Kilogramm Kraft durch einen Vickers-Diamant-Eindringkörper nicht rissig wurde. LionGlass ist mindestens zehnmal so rissfest wie herkömmliches Kalknatronglas, das schon bei einer Belastung von etwa 0,1 Kilogramm Risse bildet. Die Forscher erklärten, dass die Grenzen von LionGlass noch nicht gefunden wurden, weil sie die maximale Last erreichten, die die Eindringvorrichtung zuließ.
"Wir haben das Gewicht von LionGlass so lange erhöht, bis wir die maximale Last erreicht hatten, die das Gerät zulässt", sagte Nick Clark, ein Postdoktorand in Mauros Labor. "Es wollte einfach nicht brechen."
Mauro erklärte, dass die Rissbeständigkeit eine der wichtigsten Eigenschaften ist, auf die man bei Glas testen muss, da sie die Ursache für das Versagen des Materials ist. Im Laufe der Zeit entstehen in Glas Mikrorisse entlang der Oberfläche, die zu Schwachstellen werden. Wenn ein Stück Glas bricht, ist dies auf Schwachstellen zurückzuführen, die durch bestehende Mikrorisse verursacht werden. Glas, das von vornherein resistent gegen die Bildung von Mikrorissen ist, ist besonders wertvoll, fügte er hinzu.
"Schadensresistenz ist eine besonders wichtige Eigenschaft für Glas", sagte Mauro. "Denken Sie nur an die vielen Bereiche, in denen wir auf die Festigkeit von Glas angewiesen sind, z. B. in der Automobilindustrie, in der Elektronikindustrie, in der Architektur und in der Kommunikationstechnologie wie Glasfaserkabel. Selbst im Gesundheitswesen werden Impfstoffe in starken, chemisch resistenten Glasverpackungen aufbewahrt.
Untersuchung der Eigenschaften und Potenziale von LionGlass
Mauro hofft, dass die verbesserte Festigkeit von LionGlass bedeutet, dass die daraus hergestellten Produkte leichter sein können. Da LionGlass zehnmal widerstandsfähiger ist als herkömmliches Glas, könnte es deutlich dünner sein.
Mauro merkt an, dass das Forschungsteam das Potenzial von LionGlass noch immer auswertet. Sie haben eine Patentanmeldung für die gesamte Glasfamilie eingereicht, was bedeutet, dass es viele Zusammensetzungen innerhalb der LionGlass-Familie gibt, jede mit ihren eigenen unterschiedlichen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen. Sie sind nun dabei, verschiedene Zusammensetzungen von LionGlass einer Reihe von chemischen Umgebungen auszusetzen, um zu untersuchen, wie es reagiert. Die Ergebnisse werden dem Team helfen, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie LionGlass auf der ganzen Welt verwendet werden kann.
