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Experimentalphysiker der Universität Essen haben mit einem Lichtbogen-gestützten Verfahren eine Kunststoffflasche mit einer hauchdünnen Schicht aus Siliziumdioxid überzogen. Sie verbindet die Vorteile und Kunststoff und Glas: Leicht, unzerbrechlich, recyclebar und viel weniger gasdurchlässig als die bekannten PET-Flaschen. Im Sommer kommt sie bei Coca Cola in großem Maßstab zum Einsatz.
128/2000
18. Mai 2000
Es passiert nicht alle Tage, dass man ein Ergebnis wissenschaftlicher Forschung buchstäblich in der Hand halten kann. Genau das wird jetzt aber geschehen - und zwar weltweit: Dr. Horst Ehrich, in der Experimentalphysik der Universität Essen auf die Dünnschichttechnologie spezialisiert, hat für Coca Cola eine neue Flasche entwickelt. Gestern (Donnerstag, 18. Mai) wurde sie an der Universität vorgestellt; demnächst kommt sie zum Einsatz.
Schon seit Jahren möchte die Getränkeindustrie sich von den zerbrechlichen und schwer zu transportierenden Glasflaschen verabschieden. Die Alternative dazu kennt der Verbraucher seit Jahren: die PET-Flasche. Leicht, stabil und - wie die Werbung anpreist - "unkaputtbar" ist sie im Handel.
Der Kunststoff PET, die Abkürzung für Polyethylenterephthalat, hat gegenüber Glas jedoch nicht nur Vorteile. Kohlensäure dringt leicht durch das Material. Gerade bei den kleinen Halb-Liter-Flaschen, bei denen relativ wenig Inhalt von relativ viel Verpackung umgeben ist, dauert es nur fünf bis zwölf Wochen, bis die Kohlensäure durch die Oberfläche diffundiert. Das Ergebnis: Statt eines erfrischenden Getränks hat der durstige Konsument eine schale Limonade. Ein Ausweg aus dem Dilemma wurde vergeblich gesucht.
Vor dieser Ausgangslage entstand 1992 der Kontakt zwischen George Plester, Leiter der damaligen Abteilung "Future Technologies" in der Brüsseler Europa-Zentrale von Coca Cola, und Horst Ehrich, der seit Mitte der achtziger Jahre als Vertreter der Experimentellen Physik an der Uni Essen neue Methoden zur Herstellung von dünnen Schichten auf Oberflächen erforscht. In der Oberflächentechnologie sollte also die Lösung gefunden werden.
Die Uni erhielt den Auftrag, mit Hilfe der Dünnschichttechnologie die Gasdurchlässigkeit der PET-Flaschen so zu verringern, dass ein Getränk mindestens 20 Wochen lagerbar ist. Doch das waren nicht alle Vorgaben. Die dünne Schicht musste recycelbar, durchsichtig und glasartig sein - schließlich durfte das Aussehen der Flaschen, Markenzeichen von Coca Cola, nicht verändert werden. "Gerade dass die Schicht glasartig sein sollte, stellte eine hohe Herausforderung dar", erzählt der Physiker Ehrich. "Schließlich ist eine dünne Glasschicht extrem brüchig und damit unbrauchbar."
Doch das an der Uni Essen entwickelte "Lichtbogen gestützte Verfahren im Vakuum" führte zum Erfolg. Dabei wird in einer Aufdampfanlage ein Material, beispielsweise ein Metall, das als dünne Schicht auf eine Oberfläche aufgetragen werden soll, so hoch erhitzt, dass es einen gasförmigen Zustand annimmt. Dieser Dampf setzt sich auf kälteren Oberflächen ab - so wie auch in der Küche Wasserdampf auf Fliesen und Fensterscheiben kondensiert und einen Wasserfilm bildet. Ein Lichtbogen, der als Energiequelle dient, heizt das Gas weiter auf, so dass sich die Geschwindigkeit der Dampfteilchen erhöht. Dadurch verbinden sie sich fester mit der Oberfläche und bilden eine dichte Schicht.
"Dieser Vorgang muss im Vakuum stattfinden", erklärt Ehrich, "denn erstens darf das Gas nicht chemisch mit anderen Stoffen reagieren, und zweitens stört Luft die Ausdehnung des Dampfes, der so die zu beschichtende Oberfläche nur langsam erreichen würde."
Als Beschichtung für die Cola-Flasche dient aber, da es glänzt und nicht transparent ist, kein Metall, sondern Siliziumdioxid, besser bekannt als Quarz. Nun kann man diese chemische Verbindung nur schlecht verdampfen. Der Trick: Ehrich hat reines Silizium verdampft und mit dem Lichtbogen nachgeheizt und dabei das Vakuum absichtlich mit etwas Sauerstoff versehen. Das Verhältnis von Silizium und Sauerstoff ist so bemessen, dass es zu einer Reaktion der beiden Stoffe auf der PET-Oberfläche kommt und sich dort eine sehr kompakte und haftfeste Quarzschicht bildet. Sie misst nur fünfzig Nanometer - und ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter.
Durch diese extreme Dünne ist die Schicht nicht mehr brüchig, sondern flexibel - sie macht die Bewegungen des Kunststoffes PET mit. "Wir haben hier eine Glasschicht mit neuen Eigenschaften", freut sich Horst Ehrich und erklärt, dass die Dünnschichttechnologie in der Lage ist, Werkstoffe mit neuen Eigenschaften herzustellen, je nachdem unter welchen Bedingungen die Schicht aufwächst. "Der Erfolg liegt hier im Verfahren", so der Physiker. "Erst das Nachheizen durch den Lichtbogen ermöglicht diese Eigenschaften".
Die industrielle Erprobungsphase der neuen B.E.S.T.-PET-Flasche (Barrier Enhanced Silica Treatment) ist erfolgreich abgeschlossen; im Sommer dieses Jahres nimmt Coca Cola die Produktion in Dorsten auf. Dann werden erstmalig PET-Flaschen produziert, beschichtet, abgefüllt und verpackt. Für die Uni Essen ist damit die Arbeit aber noch nicht beendet: Sie begleitet die industrielle Produktion zunächst wissenschaftlich weiter.
Redaktion: Karin Kirch
Weitere Informationen: Dr. Horst Ehrich, Telefon (02 01 1 83-31 33
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Mathematik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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