Wolfraam is bijzonder geschikt als materiaal voor sterk belaste delen van het vat die een heet smeltplasma omsluiten, omdat dit het metaal is met het hoogste smeltpunt. Een nadeel is echter de broosheid ervan, waardoor het onder stress kwetsbaar en vatbaar voor schade wordt. Een nieuw, veerkrachtiger samengesteld materiaal is nu ontwikkeld door het Max Planck Instituut voor Plasmafysica (IPP) in Garching. Het bestaat uit homogeen wolfraam met daarin gecoate wolfraamdraden. Een haalbaarheidsstudie heeft zojuist de basisgeschiktheid van het nieuwe complex aangetoond.

Het doel van het onderzoek bij IPP is het ontwikkelen van een energiecentrale die, net als de zon, energie haalt uit de fusie van atoomkernen. De gebruikte brandstof is waterstofplasma met lage dichtheid. Om het fusievuur te ontsteken moet het plasma in magnetische velden worden opgesloten en tot een hoge temperatuur worden verwarmd. In de kern wordt 100 miljoen graden bereikt. Wolfraam is een veelbelovend metaal als materiaal voor componenten die in direct contact komen met het hete plasma. Dit is gebleken uit uitgebreid onderzoek bij IPP. Een tot nu toe onopgelost probleem is echter de broosheid van het materiaal: wolfraam verliest zijn taaiheid onder de omstandigheden van een elektriciteitscentrale. Plaatselijke spanningen – spanning, uitrekking of druk – kunnen niet worden ondervangen doordat het materiaal enigszins meegeeft. In plaats daarvan vormen zich scheuren: componenten reageren daarom zeer gevoelig op plaatselijke overbelasting.

Daarom zocht IPP naar structuren die de lokale spanningen konden verdelen. Vezelversterkte keramiek diende als model: bros siliciumcarbide wordt bijvoorbeeld vijf keer zo taai gemaakt als het wordt versterkt met siliciumcarbidevezels. Na een paar voorstudies moest IPP-wetenschapper Johann Riesch onderzoeken of een soortgelijke behandeling kan werken met wolfraammetaal.

De eerste stap was het produceren van het nieuwe materiaal. Een wolfraammatrix moest worden versterkt met gecoate lange vezels bestaande uit geëxtrudeerde wolfraamdraad dun als haar. De draden, oorspronkelijk bedoeld als lichtgevende gloeidraden voor gloeilampen, werden geleverd door Osram GmbH. Bij IPP zijn verschillende materialen onderzocht om ze te coaten, waaronder erbiumoxide. De volledig beklede wolfraamvezels werden vervolgens samengebundeld, parallel of gevlochten. Om de gaten tussen de draden op te vullen met wolfraam ontwikkelden Johann Riesch en zijn collega's vervolgens een nieuw proces in samenwerking met de Engelse industriële partner Archer Technicoat Ltd. Terwijl werkstukken van wolfraam gewoonlijk bij hoge temperatuur en druk uit metaalpoeder worden samengeperst, wordt een meer Er werd een zachte methode gevonden om de verbinding te produceren: het wolfraam wordt uit een gasmengsel op de draden afgezet door een chemisch proces bij gematigde temperaturen toe te passen. Dit was de eerste keer dat wolfraamvezelversterkt wolfraam met succes werd geproduceerd, met het gewenste resultaat: de breuktaaiheid van de nieuwe compound was na de eerste tests al verdrievoudigd ten opzichte van vezelloos wolfraam.

De tweede stap was om te onderzoeken hoe dit werkt: Doorslaggevend bleek te zijn dat de vezels scheuren in de matrix overbruggen en de lokaal werkende energie in het materiaal kunnen verdelen. Hier moeten de grensvlakken tussen vezels en de wolfraammatrix enerzijds zwak genoeg zijn om te bezwijken wanneer er scheuren ontstaan, en anderzijds sterk genoeg om de kracht tussen de vezels en de matrix over te brengen. Bij buigproeven kon dit direct worden waargenomen door middel van röntgenmicrotomografie. Dit demonstreerde de basiswerking van het materiaal.

Doorslaggevend voor de bruikbaarheid van het materiaal is echter dat de verhoogde taaiheid bij toepassing behouden blijft. Johann Riesch controleerde dit door monsters te onderzoeken die door voorafgaande thermische behandeling bros waren geworden. Toen de monsters werden onderworpen aan synchrotronstraling of onder de elektronenmicroscoop werden gelegd, bevestigde het strekken en buigen ervan ook in dit geval de verbeterde materiaaleigenschappen: als de matrix onder spanning bezwijkt, zijn de vezels in staat de optredende scheuren te overbruggen en deze te stoppen.

Zo zijn de principes voor het begrijpen en produceren van het nieuwe materiaal vastgelegd. Monsters moeten nu onder verbeterde procesomstandigheden en met geoptimaliseerde interfaces worden geproduceerd, wat de voorwaarde is voor productie op grote schaal. Het nieuwe materiaal zou ook buiten het kernfusieonderzoek van belang kunnen zijn.