Forschung

Heiße Eisen

Mit ihren Prüfkörpern geht Magdalena Speicher nicht gerade zimperlich um. Sie setzt sie Temperaturen bis zu 1.100 Grad Celsius aus, dehnt und spannt sie fortwährend und schädigt sie manchmal schon vorher, indem sie Risse einbringt. Doch alles für einen guten Zweck: Je höher die Temperaturen, die Werkstoffe in Turbinen aushalten, desto effizienter können diese betrieben werden.

Werkstoffforschung für niedrigere CO2-Emissionen

Das zehnjährige Mädchen blickt gebannt auf ein riesiges Schiff, das auf dem Trockendock einer Werft im polnischen Stettin liegt. Ihr Vater, ein Schiffsbauingenieur, hat sie mitgenommen an seinen Arbeitsplatz. Seine Tochter Magdalena ist fasziniert von der Größe und dem metallischen Schimmern des Schiffskörpers. Er nimmt sie mit in den Maschinenraum. Sie betrachtet die vielen Bauteile und riecht die ölige Luft. »Wie baut man so ein Schiff wohl?«, fragt sie sich. Von da an besucht sie regelmäßig ihren Vater in der Werft. Er erzählt ihr von den Grundlagen der Prozesstechnik und der Verfahrenstechnik. Später wird sie an der Stettiner Werft zwei Praktika machen. Denn bereits mit 14 Jahren steht ihr Berufswunsch fest. »Mir wurde klar, dass ich Ingenieurin werden will«, sagt Magdalena Speicher heute. »Die Werft hat mich geprägt.« Das ist in Stettin nicht ungewöhnlich. Vielen ihrer Freundinnen und Freunde geht es ähnlich, und viele entscheiden sich später für technische Berufe.

Im Heizkraftwerk Altbach (Landkreis Esslingen) wird deutlich, warum Magdalena Speicher ihre Werkstoffe auf Herz und Nieren prüft.

Die meisten Schiffe sind aus Stahl. Dieser Werkstoff hat es Speicher besonders angetan. Deswegen besucht sie die Seminare und Vorlesungen zu Metallen, wo immer es nur geht. Obwohl es an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Stettin, an der sie ihr Diplomstudium in Werkstofftechnik absolviert, zu dieser Zeit nur den Schwerpunkt Kunststoffverarbeitung gibt. Erst nach ihrem Diplom kann sie sich an der Universität Kassel den Metallen zuwenden: als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Metallische Werkstoffe. »Da war ich wieder zu Hause, obwohl ich meine Heimatstadt ja gerade verlassen hatte«, sagt Speicher mit einem Schmunzeln.

Seitdem forscht Magdalena Speicher an Metallen. In ihrer Arbeit sieht sie vor allem eine Verpflichtung gegenüber Natur und Gesellschaft. »Mit Werkstoffen, die höhere Temperaturen aushalten, können wir zur höheren Effizienz von Kraftwerken und Triebwerken beitragen. So verringern wir die negativen Effekte durch CO2-Emissionen«, sagt Speicher. Seit zwölf Jahren forscht sie an der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart und leitet seit dem Jahre 2012 das Referat Stoffgesetze. Dabei hat sie vor allem mit »heißen Eisen« zu tun, denn ihr Spezialgebiet sind Hochtemperaturwerkstoffe für Kraftwerke oder Triebwerke und die Bruchmechanik dieser Materialien unter hoher Temperatur.

Dafür setzt sie metallische Prüfkörper für Dampfturbinen unter Temperaturen von 600 Grad Celsius. Noch heißer wird es, wenn sie Werkstoffe für die Gasturbinen in Strahltriebwerken von Flugzeugen untersucht. Dann ist das Material Temperaturen von bis zu 1.100 Grad Celsius ausgesetzt. In diesem Zustand setzt sie die Prüfkörper dann mechanischen Beanspruchungen aus und erzeugt Spannungen, die konstant oder zyklisch wiederkehrend auf das Material wirken. Die zyklische Spannung prägt sie auf die Proben, um zu sehen, wie das Material darauf reagiert und wie Risse entstehen und sich fortpflanzen. »Meistens prüfen wir dann so lange, bis die Probe bricht«, berichtet Speicher.

Der Materialermüdung auf die Schliche kommen

Materialforschung hat in Stuttgart Tradition. Die Materialprüfungsanstalt der Universität besteht seit dem Jahr 1884; heute forschen hier rund 330 Mitarbeiter in den Bereichen Maschinenbau und Bauwesen. »Schon seit Beginn meiner Tätigkeit arbeite ich mit der FVV zusammen«, berichtet Magdalena Speicher, die 2012 im Rahmen eines FVV-Projektes ihre Promotion erfolgreich abschließt. In den Projekten kooperieren die Stuttgarter häufig mit dem Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt und teilen sich Projektleitung und Bearbeitung. »Dabei geht es zunächst immer darum, die Prüfkörper herzustellen«, berichtet Speicher. Das sind kleine, zum Beispiel 92 Millimeter lange Proben aus dem im Forschungsantrag definierten Metallwerkstoff, meist mit acht Millimeter Durchmesser und mit Gewinden an den Enden zum Einspannen in die Prüfmaschine. »Wenn wir das Bruchverhalten untersuchen, bringen wir in die Proben bereits vorher Risse ein.« Danach legt Speicher mit ihrem Team die Prüfparameter fest, vor allem die Temperatur und die mechanische Beanspruchung. Der eigentliche Prüfvorgang kann dann wenige Tage, aber auch mehrere Jahre dauern. Alle sechs Monate trifft sich der Arbeitskreis, in dem Speicher ihre Auswertungen meist in Form von Diagrammen präsentiert. »Die Projektpartner aus Forschung und Industrie geben uns aufgrund ihrer Erfahrungswerte dabei Tipps, die für die weiteren Versuche sehr hilfreich sind«, sagt Speicher. Aktuellstes Projekt ist die bruchmechanische Untersuchung von Schweißverbindungen, wie sie in Dampfturbinen von Kraftwerken vorkommen. Dabei untersucht Speicher sowohl das Kriechverhalten bei Temperaturen von 600 Grad Celsius als auch die Ermüdung des Materials.

Nicht nur, weil sie sechs Sprachen spricht, ist Magdalena Speicher gerne auf Reisen. Doch auch dann hat sie hin und wieder mit hohen Temperaturen zu tun. Etwa im vulkanisch geprägten Japan, wo die Materialprüfungsanstalt seit Langem eine Forschungskooperation mit dem »National Institute for Materials Science« in Tsukuba betreibt, das 60 Kilometer nordöstlich von Tokio gelegen ist. Oder auf Privatreisen nach Island, wo sie besonders der Geysir »Strokkur« und die Solfatarenfelder faszinieren, aus denen 100 bis 250 Grad heiße, postvulkanische Gase ausströmen. Aus dem Blickwinkel ihrer Prüfkörper sind dies freilich ganz niedrige Temperaturen.

Bildquelle: FVV | Rui Camilo

Die Menschen hinter moderner Forschung

Dieser Artikel stammt aus dem Buch »MOTORENMENSCHEN«, das wir anlässlich des 60-jährigen Bestehens der FVV herausgegeben haben. Die Technikjournalisten Johannes Winterhagen und Laurin Paschek ermöglichen auf 200 Seiten technisch interessierten Laien einen Einblick in die Arbeit von Ingenieuren, die an sauberen Motoren und Turbomaschinen forschen. Das Buch kann in Deutsch und Englisch für 39,90 EUR über den VDMA-Verlag bezogen werden.

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Dr. Magdalena Speicher

Geboren und aufgewachsen ist Speicher in Stettin, der Werftstadt an der Odermündung. Nach ihrem Abitur begann sie 1993 ihr Werkstofftechnik-Studium an der Technischen Universität Stettin. Ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes führte sie 1997 an die Universität Kassel. Nach ihrem Diplom und vier Jahren Arbeit am Institut für Werkstofftechnik der TU Stettin kehrte sie nach Kassel zurück und forschte dort an metallischen Werkstoffen. Seit 2004 arbeitet Speicher an der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart, seit 2012 leitet sie das Referat Stoffgesetze. Im gleichen Jahr schloss sie ihre Promotion im Rahmen eines FVV-Projektes erfolgreich ab. Speicher spricht sechs Sprachen. In ihrer Freizeit reist sie gerne; zu ihren Favoriten zählen Portugal und Island.

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