Stealth Technology durch Bariumhexaferrit und ultrafeines Kupferpulver im Lack
Es wird bereits seit 2008 intensiv mit den verschiedensten Additiven in verschiedensten Kombinationen geforscht, um Lacke zu entwickeln, die ihren metallischen Träger ein radarabsorbierendes Tarnkleid verpassen. Im Jahr 2022 wurde ein sehr interessanter Test mit Bariumhexaferrit und ultrafeinem Kupferpulver in Kombination publiziert, der Radarstrahlen um ein Drittel absorbierte. Im Jahr 2023 wurde plötzlich viermal so viel ultrafeines Kupferpulver verkauft wie im Jahr zuvor.
Die Technik
Polymerverbundwerkstoffe haben aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer einfachen Verarbeitung sowie ihrer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften Einzug in alle Bereiche unseres Lebens gehalten. So sehr, dass diese Materialien in der Raumfahrt, der Luftfahrt und sogar in der Verteidigungsindustrie zu finden sind. In diesem Zusammenhang wurde der Einsatz von Polymerverbundwerkstoffen für Radarabsorptionsanwendungen diskutiert. Radar ist ein System zur Erkennung von Objekten, das elektromagnetische Wellen nutzt, um Informationen wie Entfernung, Höhe, Richtung oder Geschwindigkeit von Objekten zu ermitteln. Dieses System kann sowohl bewegliche Objekte wie Flugzeuge, Schiffe und Kraftfahrzeuge als auch stationäre Objekte wie Land erkennen. Auch Informationen über Wetterformationen können mit Hilfe von Radar gewonnen werden. Diese Technologie, die die Luft- und Seekriegsführung revolutioniert hat, ist eine der wichtigsten technologischen Entwicklungen aus dem Zweiten Weltkrieg. Tatsächlich wurde der Begriff RADAR 1940 von der US-Marine als Abkürzung für RAdio, Detection, And Ranging geprägt. Später gewann es nicht nur für militärische und polizeiliche Anwendungen an Bedeutung, sondern auch für Flugmanöver und -erfassung, meteorologische Datenerfassung.
Wenn man sich das Funktionsprinzip des Radars anschaut, scheint es recht einfach zu sein: Ein Signal wird ausgesendet, es prallt an einem Objekt ab, und dieses zurückgeworfene Signal wird dann von einer Art Empfänger aufgenommen. Dies beruht auf demselben Prinzip wie das Echo des Schalls an einer Wand. Allerdings wird im Radarsystem nicht der Schall als Signal verwendet, sondern Mikrowellen werden verwendet. Die Stärke der Reflexion und Brechung dieser Wellen hängt von den Eigenschaften und der Oberfläche des Materials ab, von dem das Signal gesendet wird. Trifft das Radarsignal auf eine vollkommen ebene Oberfläche, wird das Signal in eine Richtung reflektiert. Trifft es auf eine unebene Oberfläche, wird es in mehrere Richtungen reflektiert, wobei nur ein sehr kleiner Teil des ursprünglichen Signals zum Empfänger zurückgesendet wird. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des reflektierten Signals besteht darin, dass das Signal von dem Material, das es durchquert, absorbiert wird. Die radarabsorbierenden Materialien, die wir kennen, verfügen über einen Mechanismus, der die eintreffenden Radarsignale im Inneren einfängt und verhindert, dass sie reflektiert werden. Die ältesten Formen dieser Materialien wurden von den Deutschen während des Zweiten Weltkriegs verwendet.
Bariumhexaferrit- und ultrafeines Kupferpulver wurden für die Herstellung von radarabsorbierenden Verbundbeschichtungen verwendet. Bariumhexaferrit-Pulver wurden nach der Sol-Gel-Methode synthetisiert, und als Ausgangsstoff für den Syntheseprozess verwendet. Nach dem Syntheseprozess wurden Mischungen hergestellt, indem Bariumhexaferrit- und ultrafeines Kupferpulver in unterschiedlichen Mengen zu einem Polyurethanharz gegeben wurden (um die Konzentrationsabhängigkeit zu bestimmen). Durch Auftragen dieser Mischungen auf die Oberflächen von Glas- und Metallsubstraten wurden Beschichtungen mit einer Dicke von 3 mm erhalten. Anschließend wurden sie bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet.
Betrachtet man die Morphologie von Bariumhexaferrit, so sieht man, dass es glattkantige, plattierte Partikel hat und die durchschnittliche Partikelgröße etwa 5 μm beträgt. Bei Kupfer handelt es sich um relativ große, Partikel im Größenbereich von 7-10 μm.
Der Radarabsorptionswert der Probe, die 5 % Bariumhexaferrit und 10% Kupferpulver enthält, absorbierte maximal 11,38 %, während der Absorptionswert der Probe mit mehr Kupfer anstieg und 12 % überstieg. Ein maximaler Wert kann theoretisch bei über 80% Absorption liegen.
Was den Mechanismus von Kupfer angeht, so absorbiert Kupfer keine elektromagnetischen Wellen. Der Mechanismus der Radarabsorption in Kupfer unterscheidet sich geringfügig von dem in Bariumhexaferrit. Wenn die elektromagnetische Welle auf die Kupferoberfläche trifft, treibt das elektrische Feld die Ladungsträger (Elektronen) zur Erzeugung eines Wechselstroms an. Wenn die elektromagnetischen Wellen auf die Kupferoberfläche treffen, schwingen die freien Elektronen mit dem sich ändernden elektrischen und magnetischen Feld und erzeugen so einen elektrischen Strom. Der erzeugte Wechselstrom erzeugt in und um den Leiter ein magnetisches Wechselfeld. In diesem Fall entsteht eine elektromagnetische Gegenkraft, die die Ladungsträger dazu zwingt, auf der Leiteroberfläche zu bleiben. Das bedeutet, dass ihre elektromagnetischen Wellen von den Elektronen im Metall absorbiert werden oder sich in dieselbe Richtung zurück ausbreiten. Gleichzeitig geht ein Teil der elektromagnetischen Energie als Wärme verloren.
Die Untersuchung dieser Ergebnisse zeigt, dass die mit Bariumferrit- und Kupferpulver verstärkten Beschichtungen höhere magnetische Sättigungswerte aufweisen als die Einzelschichten. Mit zunehmender Menge an Bariumhexaferrit und Kupfer nimmt der Radarabsorptionswert zu. Die Hinzufügung von Bariumhexaferrit und Kupfer führte also zu einer guten Synergie in Bezug auf die Erhöhung der Absorptionsleistung. Diese Synergie ist darauf zurückzuführen, dass die Zusatzstoffe mit ihren magnetischen und elektrischen Eigenschaften separat zum Verbundstoff beitragen. So wurde der Mechanismus jedes Zusatzstoffes aktiviert und die Radarabsorptionsleistung auf unterschiedliche Weise erhöht.
Der Markt von Kupferpulvern
Kupferpulver wird vermehrt in Russland, Kanada und in Chile hergestellt. In Kanada und Chile wird meist biologisches nahezu rundes Pulver hergestellt, welches auch in Pharmalogischen Anwendungen zu Hause ist. In Russland wird fast ausschliesslich Kupferpulver für technologische Anwendungen gefertigt.
Mit dem (warmen) Krieg, den Russland 2022 gegen die Ukraine angefangen hat, hat sich der Markt in vielen Bereichen des globalen Handels verändert. Westliche Banken nehmen nur sehr vereinzelnd Überweisungen an, die aus dem Verkauf von russischen Waren stammen. So haben sich tausende von russischen Firmen neu strukturiert und ihre Firma in Russland abgebaut und in Nachbarländern wieder aufgebaut, sind einfach mit ihren Maschinen umgezogen oder haben gar einen Neuanfang im Ausland gestartet. Im Resultat sehen wir heute Kupferpulverproduzenten entlang der russischen Grenze von Estland bis Kasachstan.
Da die meisten Produzenten von ultrafeinen metallischen Pulvern Kunden von uns sind, sind wir recht gut in der Lage den Markt für ultrafeines Kupferpulver zu beobachten. Wir haben vermehrt grosse Mengen im Verkauf gesehen. So haben wir im Jahr 2018 den globalen Handel noch mit rund 20 Tonnen eingeschätzt. Im Jahr 2023 haben allein wir über 60 Tonnen den Besitzer wechseln sehen. So dass von einem derzeitigen jährlichen Handelsvolumen von rund 100 Tonnen ausgegangen werden darf.
Da der Bedarf in den anderen Anwendungsbereichen von Kupferpulver nicht derart in den letzten fünf Jahren gestiegen ist, gehen wir von einem neuen Player aus, – dem Militär. Die bekannten Anwendungsgebiete von Kupferpulver sind: Elektronik, Halbleiter, Antibakterielle Beschichtungen, 3D-Druck, Pharmalogie, Lackhersteller. Für das Militär wären die Anwendungsmöglichkeiten schier grenzenlos. Vom Satelliten bis zum Truppentransporter könnte alles für moderne Radargeräte unsichtbar sein. Dieser taktische Vorteil könnte dem Militärs dieser Welt mehrere Milliarden USD wert sein. Wir werden den Markt weiterhin beobachten und wieder berichten.
ISE AG – April 2024
