Eine Probe von LionGlass, einem neuen Glastyp, der von Forschern der Penn State entwickelt wurde und dessen Herstellung viel weniger Energie erfordert und der widerstandsfähiger gegen Beschädigungen ist als herkömmliches Natron-Kalk-Silikatglas. Bildnachweis: Adrian Berard/Penn State
Weltweit produziert die Glasindustrie am wenigsten 86 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr. Eine neue Glasart namens LionGlass, die von Forschern der Penn State entwickelt wurde, bietet jedoch das Potenzial, diesen Kohlenstoffausstoß um 50 % zu reduzieren. Die Herstellung dieses innovativen Glases erfordert nicht nur viel weniger Energie, es ist auch widerstandsfähiger gegen Beschädigungen als herkömmliches Natron-Kalk-Silikatglas. Die Wissenschaftler, die hinter diesem Durchbruch standen, reichten kürzlich einen Patentantrag ein und markierten damit den ersten Schritt zur Markteinführung von LionGlass.
„Unser Ziel ist es, die Glasherstellung langfristig nachhaltig zu gestalten“, sagte John Mauro, Dorothy Butt Enright-Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Penn State und Hauptforscher des Projekts. „LionGlass macht den Einsatz kohlenstoffhaltiger Beimischungen überflüssig und senkt die Schmelztemperatur von Glas erheblich.“
Natron-Kalk-Silikatglas, das übliche Glas, das in Alltagsgegenständen von Fenstern bis hin zu Glasgeschirr verwendet wird, wird durch das Schmelzen von drei Grundmaterialien hergestellt: Quarzsand, Soda und Kalkstein. Soda ist Natriumcarbonat und Kalkstein ist Calciumcarbonat, und beide setzen beim Schmelzen Kohlendioxid (CO2) frei, ein Treibhausgas, das Wärme speichert.
„Während des Glasschmelzprozesses zerfallen die Karbonate in Oxide und erzeugen Kohlendioxid, das in die Atmosphäre freigesetzt wird“, sagte Mauro.
Doch der Großteil der Kohlendioxidemissionen entsteht durch die Energie, die benötigt wird, um die Öfen auf die hohen Temperaturen zu erhitzen, die zum Schmelzen von Glas erforderlich sind. Mit LionGlass sinken die Schmelztemperaturen um etwa 300 bis 400 Grad CelsiusMauro erklärte, dass dies zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um etwa 30 % im Vergleich zu einem herkömmlichen Kalknatronglas führt.
LionGlass ist nicht nur umweltfreundlicher, es ist auch stärker als herkömmliches Glas. Die Forscher zeigten sich überrascht, als sie feststellten, dass das neue Glas, benannt nach dem Maskottchen des Nittany Lion in Pennsylvania, eine höhere Rissfestigkeit aufwies als herkömmliches Glas.
Bestimmte Glasplattenbefestigungen weisen eine so hohe Rissfestigkeit auf, dass das Glas selbst bei einer Kraftbelastung von einem Kilogramm Vickers-Diamantrohr nicht reißt. LionGlass ist mindestens zehnmal rissbeständiger als herkömmliches Natronkalkglas, das bei einer Kraftbelastung von etwa 0,1 Kilogramm Risse bildet. Die Forscher erklärten, dass die Grenzen von LionGlass noch nicht erreicht seien, da es die maximale Belastung erreicht habe, die die Eindrückausrüstung zuließe.
„Wir haben das Gewicht von LionGlass weiter erhöht, bis wir die maximale Belastung erreicht hatten, die die Ausrüstung zuließ“, sagte Nick Clark, Postdoktorand in Mauros Labor. „Es geht einfach nicht kaputt.“
Mauro erklärte, dass die Rissfestigkeit eine der wichtigsten zu prüfenden Eigenschaften von Glas sei, da das Material dadurch letztendlich versagt. Im Laufe der Zeit bildet das Glas entlang der Oberfläche kleine Risse, die zu Schwachstellen werden. Wenn ein Glasstück zerbricht, liegt das an den Schwachstellen, die durch die vorhandenen Mikrorisse entstehen. Er fügte hinzu, dass Glas von besonderem Wert sei, das von vornherein resistent gegen die Bildung von Mikrorissen sei.
„Beschädigungsresistenz ist eine besonders wichtige Eigenschaft von Glas“, sagte Mauro. „Denken Sie an all die Art und Weise, wie wir auf die Festigkeit von Glas vertrauen, in der Automobil- und Elektronikindustrie, in der Architektur und in der Kommunikationstechnik wie Glasfaserkabeln. Selbst im Gesundheitswesen werden Impfstoffe in starken, chemisch beständigen Glasbehältern gelagert.“
Mauro hofft, dass die verbesserte Festigkeit von LionGlass dazu führt, dass daraus hergestellte Produkte noch leichter werden können. Da LionGlass zehnmal widerstandsfähiger gegen Beschädigungen ist als aktuelles Glas, kann es deutlich dünner sein.
„Wir müssen in der Lage sein, die Dicke zu reduzieren und gleichzeitig die gleiche Schadensresistenz zu erreichen“, sagte Mauro. „Wenn wir ein leichteres Produkt haben, ist es besser für die Umwelt, weil wir weniger Rohstoffe verbrauchen und weniger Energie für die Herstellung benötigen. Selbst nachgelagert, für den Transport, wird die Energie reduziert, die zum Bewegen des Glases benötigt wird, also ist es ein Gewinn. Gewinnsituation.“
Mauro weist darauf hin, dass das Forschungsteam immer noch das Potenzial von LionGlass bewertet. Sie haben eine Patentanmeldung für die gesamte Glasfamilie eingereicht, was bedeutet, dass es innerhalb der LionGlass-Familie viele Zusammensetzungen gibt, von denen jede ihre eigenen besonderen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen aufweist. Sie setzen nun verschiedene Formulierungen von LionGlass einer Reihe chemischer Umgebungen aus, um deren Wechselwirkung zu untersuchen. Die Ergebnisse werden dem Team helfen, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie LionGlass weltweit eingesetzt wird.
„Vor mehr als 5.000 Jahren lernten die Menschen, wie man Glas herstellt, und seitdem ist es unerlässlich, die moderne Zivilisation dorthin zu bringen, wo sie heute ist“, sagte Mauro. „Jetzt befinden wir uns in einer Zeit, in der wir die Zukunft mitgestalten müssen, da wir vor globalen Herausforderungen wie Umweltproblemen, erneuerbaren Energien, Energieeffizienz, Gesundheitswesen und Stadtentwicklung stehen. Glas kann bei der Lösung dieser Probleme eine entscheidende Rolle spielen.“ und wir sind bereit, einen Beitrag zu leisten.“