Memory-Löffel (Nitinol)

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Gebrauch

Tauchen Sie den Memory-Löffel in heißes Wasser, eine heiße Tasse Kaffee oder Tee, so krümmt sich der Löffel fast augenblicklich zusammen. Sensible Personen können sich ganz schön erschrecken! Er verbleibt auch in gebogenem Zustand, wenn Sie ihn wieder herausnehmen. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur können Sie ihn wieder gerade biegen und das Experiment wiederholen. Achten Sie jedoch immer darauf, ihn nur bei Raumtemperatur zu verbiegen, sonst könnte sich die eingeprägte Form in nicht gewollter Weise verändern.
Die Umwandlungstemperatur, bei der die Krümmung des Löffelstiels stattfindet, beträgt etwa 50°C.

Physikalisch-technische Anmerkungen

Ein Teil des Stiels des Memory-Löffels besteht aus der Memory- bzw. Gedächtnislegierung Nitinol. Der Memoryeffekt ist grundsätzlich schon seit den dreißiger Jahren dieses Jahrhunderts bekannt. Jedoch erst in den fünfziger Jahren wurde am Naval Ordnance Laboratory in Maryland in den USA das Nitinol entwickelt, das den Gedächtniseffekt besonders stark zeigt. Nitinol ist ein Kunstwort aus Nickel-Titan (den Bestandteilen) und Naval Ordnance Laboratory. Mittlerweile sind weitere Legierungen (CuAlZn, AuCd, FePt) bekannt, die diese Eigenschaften aufweisen.

Memorylegierungen lassen sich bei einer Temperatur von ca. 20 Grad unterhalb ihrer sogenannten Umwandlungstemperatur stark plastisch verformen. Bei Erwärmung auf die Umwandlungstemperatur nehmen sie wieder ihre vorherige geometrische Form an. Sie "erinnern" sich sozusagen an ihre alte Gestalt, sie haben ein Gedächtnis. Bei der Rückverformung können sehr große Kräfte auftreten. Es gibt jetzt schon viele Anwendungen. Technisch lassen sich Bauteile in Form von Druck-, Zug-, Biege- oder Torsionselementen herstellen, die eine der Problemstellung angepasste Kraftwirkung erzeugen, aufrechterhalten und wieder abgeben. Z. B. kann man Rohre mittels Muffen aus Memory-Legierungen fest verbinden. Das ist von großem Vorteil, wo schweißen nicht möglich ist. Ein weiteres Beispiel stellen Klammern dar, mit denen man gebrochene Knochen stabilisieren kann. Bei Körpertemperatur ziehen die Klammern entsprechende Teile zusammen und bleiben dann dauerhaft so.

Memory-Legierungen, deren Umwandlungstemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt, weisen als weitere Besonderheit die sogenannte Superelastizität auf. Bauteile daraus können ohne großen Kraftaufwand fast gummiartig gedehnt und verformt werden - und bilden sich dann wieder zurück. Ausgenutzt wird das z. B. für Brillenbügel, die sich enorm elastisch verformen und praktisch nicht verbiegen lassen und dennoch stabil genug sind. Auch bei der Zahnregulierung mittels Drähten und bei der Konstruktion von Büstenhaltern sind superelastische Gedächtnislegierungen schon vielfältig eingesetzt worden.

Eine besonders interessante Anwendung ist die sogenannte Wang-Maschine, benannt nach dem Erfinder Wang (USA). Es handelt sich um eine Wärmekraftmaschine (Thermobile), bei der ein Endlos-Memory-Draht um zwei Räder läuft, die eine unterschiedliche Temperatur aufweisen: ein Rad taucht z. B. in eine warme Flüssigkeit (Wasser) ein, das andere befindet sich in der Luft. Durch den Memoryeffekt kann eine ständige Bewegung erzielt werden.

Die Wang-Maschine setzt also thermische Energie in mechanische Energie um und das schon bei niedrigen Temperaturen. Wirtschaftlich arbeitende Generatoren sind jedoch noch nicht realisiert worden.

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Vom metallkundlichen Standpunkt aus lässt sich der Memory-Effekt als eine spannungsinduzierte, reversible Gefügeumwandlung erklären. Die Umwandlungen erfolgen in einem Temperaturbereich, der sehr stark von der Zusammensetzung der Legierung abhängig ist und dadurch systematisch beeinflusst werden kann. Physikalisch gesehen findet ein Übergang von einer orthorombisch-unsymmetrischen Legierungsphase (bei niedriger Temperatur) zu einer kubisch-symmetrischen Phase (bei höherer Temperatur) statt.

Vorsicht! Bimetalle sind deutlich von den Memory-Metallen zu unterscheiden. Bimetalle bestehen aus zwei verschiedenen Metallen mit stark unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ihre mechanische Verformung hängt monoton von der Temperatur ab, d. h. eine Verformung bildet sich wieder zurück, wenn die Temperatur wieder den ursprünglichen Wert erreicht hat.

Quellen:

  1. Quelle verschollen.