Zusammenfassung:
Während des Zweiten Weltkriegs schlugen die Alliierten eine skurrile Idee vor – ein Verbundmaterial namens Pykrete gemischt mit Eis und Zellstoff zu verwenden, um einen riesigen explosionssicheren Flugzeugträger aus Eis zu bauen. Inspiriert von dieser historischen Annahme ist es wissenschaftlichen Forschern nun gelungen, einen neuen technischen Baustoff namens „Super Ice“ zu entwickeln, der durch moderne Nanotechnologie und biobasierte Verbundstrukturen einen qualitativen Leistungssprung aufweist. Seine Druckfestigkeit ist etwa zehnmal höher als die von gewöhnlichem Eis und es hat die fatale Schwäche von herkömmlichem Eis, das leicht zerbricht, vollständig überwunden.
Eis ist eine äußerst reichlich vorhandene und kostengünstige natürliche Ressource in extrem kalten Gebieten und war aufgrund seiner hohen Sprödigkeit lange Zeit schwierig als zuverlässiges tragendes Strukturmaterial zu verwenden. Obwohl gewöhnliches reines Eis eine gewisse Härte aufweist, breiten sich bei einem Aufprall oder einer ungleichmäßigen Krafteinwirkung winzige innere Risse mit extrem hoher Geschwindigkeit aus, wodurch die gesamte Struktur in einem Augenblick und ohne Vorwarnung katastrophal zerbricht. Obwohl Parkerit im Zweiten Weltkrieg bewies, dass Fasern die Rissausbreitung verhindern können, waren seine mikroskopische Bindungsfestigkeit und seine physikalischen Eigenschaften aufgrund der damaligen technischen Bedingungen noch rau.
Um diesen Engpass in der Materialmechanik vollständig zu überwinden, ging das wissenschaftliche Forschungsteam von der molekularen und nanoskaligen Ebene aus und integrierte pflanzliche Zellulose (z. B. Nanozellulosekristalle) und spezielle Proteinmoleküle in präzisen Anteilen in Wasser, um sie einzufrieren und zu kristallisieren. Während des Gefrierprozesses von Wassermolekülen verteilen und verflechten sich diese hochdispersen biologischen Nanofasern zwischen den Eiskristallpartikeln und bilden so ein dichtes, dreidimensionales, verstärktes Netzwerk. Gleichzeitig sorgen die Proteinmoleküle für eine starke intermolekulare Adhäsion an der Grenzfläche und verhindern so wirksam das kontinuierliche Eindringen und die unkontrollierte Ausbreitung von Mikrorissen im Inneren der Eiskristalle.
Mechanische Testdaten zeigen, dass die Kompressionsgrenze dieser neuen Art von „Supereis“ etwa zehnmal so hoch ist wie die von gewöhnlichem Eis, was mit der mechanischen Tragfähigkeit einiger technischer Zementmörtel vergleichbar ist. Noch bahnbrechender ist seine Zähigkeit: Experimente haben bestätigt, dass das Material ganze 70-mal höhere mechanische Aufprallenergie absorbieren kann als gewöhnliches Eis, bevor es vollständig zerbricht und zerstört wird. Selbst wenn die Oberfläche durch einen starken Schlag beschädigt wird, „verankern“ die darin verflochtenen Nanofasern die Matrix und weisen progressive Verformungseigenschaften auf, die denen von zähen Verbundwerkstoffen ähneln, und verabschieden sich vollständig von den fragilen Eigenschaften des herkömmlichen Zerfalls und Zerkleinerns von Eis.
Zusätzlich zu seiner hervorragenden physikalischen und mechanischen Festigkeit verfügt das Material auch über umweltfreundliche Eigenschaften wie reine biologische Abbaubarkeit, keine Kohlenstoffemissionen und lokale Materialien. Die Forscher wiesen darauf hin, dass diese neue Art von starkem, verstärktem Eis ein attraktives und kostengünstiges Werkzeugkasten-Strukturmaterial für den Infrastrukturbau polarer wissenschaftlicher Forschungsstationen, den temporären Ingenieurbau in alpinen Permafrostzonen, den polaren Kühlketten- und Lager- und Transportschutz und sogar die technische In-situ-Nutzung polarer Wassereisressourcen auf dem Mond oder dem Mars in der Zukunft darstellt.
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