Anlässlich des Internationalen Jahres des Periodensystems der chemischen Elemente werfen wir einen Blick darauf, wie Forscher einige der Elemente in ihrer Arbeit untersuchen.
Heute ist es Titan, ein Metall, das für seine Stärke und Leichtigkeit bekannt ist, so dass es ideal für die Herstellung von Ersatzhüften, Knien und anderen Teilen unseres Körpers ist, aber es wird auch in anderen Branchen verwendet.
Titan hat seinen Namen von den Titanen der altgriechischen Mythologie, aber dieser durch und durch moderne Werkstoff eignet sich für eine Vielzahl von High-Tech-Anwendungen.
Mit dem chemischen Symbol Ti und einer Ordnungszahl von 22 ist Titan ein silberfarbenes Metall, das für seine geringe Dichte, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt wird.
Ich habe Titan erstmals 1999 im Rahmen eines Masterstudiums am Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften untersucht. Eines meiner Projekte war es, die Bildung von Titanlegierungen für ihre hochfesten Eigenschaften zu untersuchen.
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Seitdem sind die Anwendungen für dieses Metall exponentiell gewachsen, von seiner Verwendung (als Titandioxid) in Farben, Papier, Zahnpasta, Sonnenschutzmitteln und Kosmetika bis hin zu seiner Verwendung als Legierung in biomedizinischen Implantaten und Innovationen in der Luft- und Raumfahrt.
Besonders aufregend ist die perfekte Verbindung zwischen Titan und 3D-Druck.
Maßgeschneidertes Design aus dem 3D-Druck
Titanwerkstoffe sind teuer und können problematisch sein, wenn es um traditionelle Verarbeitungstechnologien geht. Zum Beispiel ist sein hoher Schmelzpunkt (1.670℃, viel höher als bei Stahllegierungen) eine Herausforderung.
Die relativ kostengünstige Präzision des 3D-Drucks ist daher ein Game-Changer für Titan. Beim 3D-Druck wird ein Objekt Schicht für Schicht aufgebaut und Designer können erstaunliche Formen kreieren.
Dies ermöglicht die Herstellung komplexer Formen wie Ersatzteile eines Kieferknochens, einer Ferse, einer Hüfte, Zahnimplantate oder Kranioplastikplatten in der Chirurgie. Auch Golfschläger und Flugzeugteile können damit hergestellt werden.
Das CSIRO arbeitet mit der Industrie zusammen, um neue Technologien im 3D-Druck mit Titan zu entwickeln. (Es hat sogar einen Drachen aus Titan hergestellt.)
Fortschritte im 3D-Druck eröffnen neue Wege, um die Funktion von maßgeschneiderten Körperteil-Implantaten aus Titan weiter zu verbessern.
Solche Implantate können so gestaltet werden, dass sie porös sind, wodurch sie leichter werden, aber Blut, Nährstoffe und Nerven durchlassen und sogar das Einwachsen von Knochen fördern können.
Sicher im Körper
Titan gilt als das biokompatibelste Metall – nicht schädlich oder giftig für lebendes Gewebe – aufgrund seiner Beständigkeit gegen Korrosion durch Körperflüssigkeiten. Diese Fähigkeit, der rauen Körperumgebung zu widerstehen, ist ein Ergebnis der schützenden Oxidschicht, die sich in Gegenwart von Sauerstoff auf natürliche Weise bildet.
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Die Fähigkeit, sich physikalisch mit dem Knochen zu verbinden, verschafft Titan auch einen Vorteil gegenüber anderen Materialien, die einen Klebstoff benötigen, um befestigt zu bleiben. Titanimplantate halten länger, und es sind im Vergleich zu ihren Alternativen viel größere Kräfte erforderlich, um die Bindungen, die sie mit dem Körper verbinden, zu brechen.
Titanlegierungen, die üblicherweise für tragende Implantate verwendet werden, sind deutlich weniger steif – und in ihrer Leistung dem menschlichen Knochen näher – als Edelstahl oder kobaltbasierte Legierungen.
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
Titan wiegt etwa halb so viel wie Stahl, ist aber 30 % stärker, was es ideal für die Luft- und Raumfahrtindustrie macht, wo es auf jedes Gramm ankommt.
In den späten 1940er Jahren half die US-Regierung, die Produktion von Titan in Gang zu bringen, da sie sein Potenzial für „Flugzeuge, Raketen, Raumfahrzeuge und andere militärische Zwecke“ erkannte.
Titan wurde zunehmend zum Kaufmaterial für Flugzeugkonstrukteure, die schnellere, leichtere und effizientere Flugzeuge entwickeln wollten.
Der F22 Raptor der US Air Force, eines der modernsten Kampfflugzeuge der Welt, besteht zu etwa 39 % aus Titan.
Die zivile Luftfahrt geht in die gleiche Richtung mit dem neuen 787 Dreamliner von Boeing, der zu 15 % aus Titan besteht, deutlich mehr als die Vorgängermodelle.
Zwei Schlüsselbereiche, in denen Titan in Flugzeugen verwendet wird, sind das Fahrwerk und die Triebwerke. Das Fahrwerk muss den enormen Kräften standhalten, die bei jedem Aufprall eines Flugzeugs auf die Landebahn auf es einwirken.
Titan ist so zäh, dass es die enorme Energie absorbieren kann, die bei der Landung eines Flugzeugs freigesetzt wird, ohne jemals zu schwächeln.
Titan kann aufgrund seiner Hitzebeständigkeit in modernen Düsentriebwerken eingesetzt werden, wo Temperaturen von bis zu 800℃ herrschen. Stahl beginnt bei etwa 400 °C weich zu werden, aber Titan kann die intensive Hitze eines Düsentriebwerks aushalten, ohne seine Festigkeit zu verlieren.
Wo findet man Titan
In seinem natürlichen Zustand wird Titan immer in Verbindung mit anderen Elementen gefunden, normalerweise in Eruptivgestein und daraus abgeleiteten Sedimenten.
Die am häufigsten abgebauten titanhaltigen Materialien sind Ilmenit (ein Eisen-Titan-Oxid, FeTiO3) und Rutil (ein Titanoxid, TiO2).
Ilmenit ist am häufigsten in China zu finden, während Australien den weltweit höchsten Anteil an Rutil aufweist, laut Geoscience Australia etwa 40 %. Es wird hauptsächlich an der Ost-, West- und Südküste Australiens gefunden.
Beide Materialien werden in der Regel aus Sanden gewonnen, wonach das Titan von den anderen Mineralien getrennt wird.
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Australien ist einer der weltweit führenden Produzenten von Titan und produzierte im Jahr 2014 mehr als 1,5 Millionen Tonnen. Südafrika und China sind die beiden nächsten führenden Titanproduzenten mit einer Produktion von 1,16 bzw. 1 Mio. Tonnen.
Da Titan zu den zehn häufigsten Elementen in der Erdkruste gehört, sind die Titanressourcen derzeit nicht bedroht – eine gute Nachricht für die vielen Wissenschaftler und Innovatoren, die ständig nach neuen Wegen suchen, das Leben mit Titan zu verbessern.
Wenn Sie ein akademischer Forscher sind, der mit einem bestimmten Element aus dem Periodensystem arbeitet und eine interessante Geschichte zu erzählen hat, dann melden Sie sich doch bei uns.