Aluminium-Lithium-Legierungen

Aluminium ist ein leichtes, silbriges Metall. In reiner Form ist es für die meisten technischen Zwecke zu weich. Deshalb mischt man es mit kleinen Mengen anderer Metalle. Eine solche Mischung heißt Legierung. Bei Aluminium-Lithium-Legierungen ist der zugemischte Stoff Lithium, das leichteste aller Metalle. Schon wenige Prozent davon machen das Material deutlich leichter und gleichzeitig steifer, also widerstandsfähiger gegen Verbiegen.

Warum jedes Kilogramm im Flugzeugbau zählt

Ein Flugzeug muss sein eigenes Gewicht in die Luft heben. Jedes eingesparte Kilogramm bedeutet weniger Treibstoff über die gesamte Lebensdauer der Maschine. Bei einem Verkehrsflugzeug summiert sich das über zwanzig oder dreißig Betriebsjahre zu enormen Beträgen. Weniger Treibstoff heißt außerdem weniger Kohlendioxid-Ausstoß. Genau deshalb interessieren sich Hersteller so stark für leichtere Werkstoffe.

Jedes Prozent Lithium in der Mischung senkt die Dichte des Materials um rund drei Prozent. Gleichzeitig steigt die Steifigkeit um etwa sechs Prozent. Gegenüber klassischen Aluminiumlegierungen spart ein Bauteil so grob zehn Prozent Gewicht. Das klingt wenig, ist bei einem kompletten Rumpf aber eine Größenordnung, um die Ingenieure jahrzehntelang ringen.

Der Wettbewerber heißt kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK. Dieses Material ist noch leichter, aber teuer und schwer zu reparieren. Metall lässt sich dagegen mit bekannten Verfahren bearbeiten, prüfen und flicken. Aluminium-Lithium ist deshalb der Versuch, das Gewicht von Kunststoff mit der Handhabbarkeit von Metall zu verbinden.

Was Lithium im Metallgefüge anrichtet

Ein Metall besteht aus winzigen Kristallen, in denen die Atome geordnet sitzen. Lithiumatome sind sehr leicht und nehmen im Gitter den Platz von Aluminiumatomen ein. Dadurch sinkt das Gewicht des gesamten Blocks, ohne dass er kleiner wird. Zusätzlich bilden sich beim Abkühlen winzige Teilchen aus Aluminium und Lithium im Inneren. Diese Teilchen blockieren, dass die Kristallschichten aneinander abgleiten. Das Material wird dadurch fester.

Damit diese Teilchen entstehen, wird das Metall gezielt wärmebehandelt. Man erhitzt es, schreckt es ab und lagert es dann bei mittlerer Temperatur. Dieser Vorgang heißt Aushärten und dauert Stunden bis Tage. Ohne ihn wäre die Legierung nicht besser als gewöhnliches Aluminium.

Die Herstellung ist allerdings heikel. Lithium reagiert heftig mit Luft und Feuchtigkeit, deshalb muss das flüssige Metall unter Schutzgas gegossen werden. Frühe Al-Li-Legierungen aus den 1980er Jahren hatten außerdem einen Nachteil: Sie waren in eine Richtung deutlich schwächer als in eine andere und rissen leicht. Erst die dritte Generation, die zusätzlich Kupfer, Silber und Zirkonium enthält, gilt als zuverlässig genug für tragende Bauteile.

Von der Raketenstufe bis zur Rumpfhaut

Am bekanntesten ist der Einsatz in der Raumfahrt. Der große orangefarbene Außentank des Space Shuttle bestand aus einer Aluminium-Lithium-Legierung und wurde dadurch mehrere Tonnen leichter. Auch die Tanks heutiger Trägerraketen nutzen ähnliche Werkstoffe. Bei einer Rakete zählt Gewicht noch stärker als beim Flugzeug, weil jedes Kilogramm Struktur ein Kilogramm weniger Nutzlast bedeutet.

In der Luftfahrt findet man Al-Li in Rumpfhäuten, Spanten und Flügelrippen. Der Airbus A350 und die Bombardier-C-Serie, heute Airbus A220, setzen es an mehreren Stellen ein. Auch militärische Flugzeuge und Hubschrauber verwenden das Material.

In Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff meist im Zusammenhang mit Lithium auf. Dieses Metall wird vor allem für Akkus gebraucht, und sein Preis schwankt stark. Der Anteil der Luftfahrt am weltweiten Lithiumverbrauch ist klein, aber die Legierungen gelten als strategisch wichtig. Ein häufiger Irrtum ist übrigens, sie hätten etwas mit Batterien zu tun. Hier speichert das Lithium keine Energie, es sitzt fest im Metallgitter und trägt Last.