Stephanie Kwolek

Stephanie Louise Kwolek (1923–2014) war eine US-amerikanische Chemikerin polnischer Herkunft. Sie arbeitete von 1946 bis 1986 in der Pioneering Research Laboratory der DuPont Company in Wilmington, Delaware. 1965 entdeckte sie dort die Para-Aramidfaser, aus der wenige Jahre später Kevlar entstand. Das Material zieht bei gleichem Gewicht fünfmal stärker als Stahl.

Insgesamt hielt Kwolek 17 Patente und reichte 28 Patentanmeldungen ein. 1995 wurde sie zudem als vierte Frau überhaupt in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Ihre Erfindung steckt heute in ballistischen Westen, Feuerwehrstiefeln, Astronauten-Anzügen und Tennisschlägern. Sie selbst verzichtete vertraglich auf Tantiemen und verteidigte zeitlebens das Ideal der Grundlagenforschung. Außerdem engagierte sie sich jahrzehntelang dafür, Mädchen für Chemie zu begeistern.

Stephanie Louise Kwolek kam am 31. Juli 1923 in New Kensington nördlich von Pittsburgh zur Welt. Ihre Eltern John und Nellie Kwolek waren zuvor als Teenager aus Polen in die USA eingewandert.¹ Tagsüber arbeitete John in einer Gießerei. Abends sammelte er Pflanzen, Insekten und Blätter. Außerdem zog er mit seiner kleinen Tochter regelmäßig durch die Wälder am Allegheny River. Zu Hause katalogisierten beide anschließend Samen, Blüten und Rinden.¹

Als Stephanie zehn Jahre alt war, starb ihr Vater. Fortan zog Nellie Kwolek die Tochter und den jüngeren Bruder allein groß. Tagsüber arbeitete sie bei der Aluminum Company of America, um die Familie durch die Große Depression zu bringen.² Stephanie hingegen verbrachte ihre freien Stunden mit dem Entwerfen und Nähen von Kleidern für ihre Puppen. Naturkunde und Stoff – das waren also die beiden Welten, in denen sie aufwuchs.

1942 schrieb sich Kwolek am Carnegie Institute of Technology in Pittsburgh ein. Frauen standen damals jedoch nur zwei Wege offen: das Fine Arts College oder das Margaret Morrison Carnegie College for Women. Das College of Engineering nahm grundsätzlich keine Frauen auf.³ Kwolek wählte daher Margaret Morrison, belegte Chemie und schloss 1946 mit einem Bachelor of Science ab.

Eigentlich wollte sie Ärztin werden. Da sie das Studium jedoch nicht ohne Weiteres bezahlen konnte, suchte sie zunächst einen Übergangsjob, der ihr ein finanzielles Polster bringen sollte.⁴ Kwolek bewarb sich daraufhin bei der DuPont Company in Buffalo, im Labor für Textilfasern. Der Forschungsleiter William Hale Charch lud sie zum Gespräch. Als er sagte, er melde sich „in zwei Wochen“, bat sie um sofortige Entscheidung. Sie habe schließlich ein anderes Angebot. Charch sagte daraufhin noch im Gespräch zu.⁴

Aus dem Übergangsjob wurden schließlich vierzig Jahre. Kwolek begann 1946 in Buffalo, folgte dem Labor 1950 nach Wilmington in Delaware und blieb bis 1986 in der Pioneering Research Laboratory der Textile Fibers Department.⁵ Sie arbeitete dort an Polykondensationen. Das ist die chemische Verknüpfung kleiner Bausteine zu langen Molekülketten.

Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen entwickelte sie zudem ein Verfahren, das diese Reaktion bei Raumtemperatur ablaufen ließ statt bei mehreren hundert Grad.⁵ Die niedrige Temperatur öffnete daraufhin eine Tür für eine ganze Generation neuer Kunstfasern: Lycra-Elasthan, Nomex-Schutzfaser, Kapton-Folie – und später Kevlar.⁵ Vom Medizinstudium war jetzt keine Rede mehr. Kwolek hatte ihre Forschungsfrage gefunden.

Anfang der sechziger Jahre suchte DuPont eine leichte, hitzebeständige Faser für Autoreifen. Die Energiekrise warf bereits ihre Schatten voraus, leichtere Reifen sollten daher Benzin sparen.⁶ Kwolek experimentierte daraufhin mit Para-Aramiden. Diese Polymerklasse aus aromatischen Ringen war jedoch in Lösung schwer zu handhaben. 1964 löste sie schließlich ein bestimmtes Polyamid in einem ungewöhnlichen Lösungsmittel und stutzte. Die Flüssigkeit war nämlich dünn und trübe statt klar und sirupös.⁶

Im Lehrbuch hätte sie die Probe nun verworfen. Trübe Lösungen galten damals als verunreinigt. Kwolek filterte sie stattdessen, fand keine Schwebstoffe und brachte sie anschließend zum Spinngerät der Abteilung. Charles Smullen, der Techniker am Spinnkopf, sträubte sich zunächst. Die dünnflüssige Lösung werde die Düse verstopfen, befürchtete er. Kwolek überzeugte ihn dennoch.⁷

Was aus der Düse trat, war eine Faser, die sich nicht zerreißen ließ. Sie war außerdem steifer als alles, was DuPont bis dahin gesponnen hatte, dazu unglaublich leicht.⁷ Kwolek ließ daraufhin die Zugfestigkeit messen. Die Werte waren so hoch, dass sie zunächst von einem Defekt am Messgerät ausging. Es war jedoch kein Defekt. „Ich wusste, dass ich eine Entdeckung gemacht hatte“, erinnerte sie sich später. „Ich habe nicht ‚Heureka‘ gerufen. Aber ich war sehr aufgeregt – und das ganze Labor mit mir.“⁸

Kevlar ist der Markenname von DuPont für eine Para-Aramidfaser. Chemisch korrekt heißt sie Poly(p-phenylenterephthalamid), kurz PPTA.⁹ Hergestellt wird das Material aus zwei Monomeren: para-Phenylendiamin und Terephthaloylchlorid. Die Strukturformel zeigt entsprechend lange Ketten aus aromatischen Sechsringen, verbunden über sogenannte Amidbrücken.

In der fertigen Faser liegen diese Ketten anschließend fast parallel zueinander. Sie werden zudem von Wasserstoffbrücken und von Stapelwechselwirkungen zwischen den Benzolringen festgehalten. Diese gleichmäßige Ordnung erklärt schließlich die hohe Zugfestigkeit von rund 3.000 Megapascal.¹⁰ Bei gleichem Gewicht zieht eine Kevlar-Faser damit fünfmal stärker als Stahl. Sie schmilzt nicht und entzündet sich erst bei rund 500 Grad.¹⁰

Nicht ganz. Aramid ist die Stoffklasse, Kevlar ein konkretes Produkt aus dieser Klasse.⁹ Es gibt zwei Familien: Para-Aramide wie Kevlar und sein niederländisches Pendant Twaron sind extrem zugfest. Meta-Aramide wie Nomex sind dagegen vor allem hitze- und flammbeständig und werden in Feuerwehr- und Industrieanzügen verbaut. Wer „Aramid vs. Kevlar“ googelt, sucht meistens den Unterschied zwischen diesen beiden Familien – und liegt mit der Faustregel „Kevlar ist ein Para-Aramid“ richtig.

DuPont meldete das Verfahren bereits ab 1965 zum Patent an. In Deutschland folgte daraufhin im November 1968 die Offenlegungsschrift unter der Nummer DE 1810426 mit dem Titel „Masse und aus ihr hergestellte Fasern und Fäden“.¹¹ Bis zur Marktreife dauerte es danach jedoch fast ein Jahrzehnt. Erste Reifen mit Kevlar-Karkasse rollten schließlich 1971 vom Band. Der eigentliche Produktstart unter dem Markennamen Kevlar® folgte anschließend 1972, ab 1973 verkaufte DuPont das Material industriell breit. Damit war Kevlar weltweit die erste para-aramide Faser, die in größeren Mengen verfügbar war.¹²

Kevlar steckt heute in über 200 Produkten. Die größten Anwendungsfelder sind Schutzkleidung, Sportausrüstung, Fahrzeugbau und Luft- und Raumfahrt.¹³

In der Schutzkleidung dominiert das Aramid-Gewebe heute ballistische Westen, Stich- und Schnittschutz-Shirts, Schnittschutzhandschuhe und Helme wie das US-amerikanische PASGT-Modell.¹³ Auch Feuerwehrleute tragen mittlerweile Stiefel, Hauben und Schutzanzüge mit Aramid-Anteil. Das Material schmilzt nämlich nicht und bleibt bis weit über 400 Grad formstabil.¹³

Im Sport wickelt Kevlar zudem als Aramid- oder Carbon-Kevlar-Gewebe Tennisschläger, Eishockey-Schläger und Motorradkleidung. Im Motorsport stabilisiert es außerdem Reifen, Bremsen und Karosserieteile. Sogar Hundespielzeug aus reißfestem Aramid-Garn ist mittlerweile ein eigenes Nischenprodukt.

Wer Kevlar als Meterware kaufen will, findet es schwarz, golden oder kombiniert mit Carbon. Verarbeiten lässt sich der Stoff durchaus. Allerdings braucht er Spezialscheren zum Schneiden und Spezialnadeln zum Nähen. Die Faser macht haushaltsübliche Werkzeuge sonst schnell stumpf.

Hier liegt zunächst ein verbreitetes Missverständnis. Kevlar ist nämlich hervorragend zugfest und in mehreren Lagen kugelsicher. Die Faserlagen verteilen dabei die Energie eines Geschosses so weiträumig, dass die Wucht abgefangen wird.¹⁴ Beim Stich mit einem schmalen, spitzen Gegenstand wie einer Nadel oder einem Eispickel versagt eine reine Kevlar-Weste jedoch oft. Die Spitze drängt die Fasern dann auseinander, statt sie zu zerreißen.

Stichschutzwesten kombinieren Kevlar deshalb meist mit Metallplatten, Keramik oder einer engmaschigen Spezialwebung. Ein Kevlar-Stoff allein gilt nur dann als stichfest, wenn er als dichtgewebtes Hercules- oder vergleichbares Spezialgewebe ausgeführt ist.¹⁴ Für reine Schnitte, etwa durch Messerklingen oder Glasscherben, reicht Kevlar hingegen in der Regel aus.

Kevlar wurde für DuPont schnell zur Goldgrube. Schätzungen zufolge hat das Material seit den Siebzigern mehrere Milliarden US-Dollar Umsatz eingebracht.¹⁵ Kwolek selbst hat von dieser Geldflut jedoch praktisch nichts gesehen. Sie hatte nämlich – wie alle DuPont-Angestellten der Zeit – ihre Patentrechte am Verfahren an den Konzern abgetreten.¹⁵

Insgesamt führte Kwolek 28 Patentanmeldungen. Auf 17 davon ist sie als Erfinderin oder Miterfinderin eingetragen. Fünf Patente beschreiben außerdem den Prototyp, aus dem Kevlar entstand.¹⁶ Für ihre persönliche Vergütung verließ sie sich stattdessen auf akademische Anerkennung, Vorträge und wissenschaftliche Veröffentlichungen. Ein Geschäft mit Tantiemen war damals für eine DuPont-Chemikerin der sechziger Jahre schlicht nicht vorgesehen.

Die Anerkennung kam zunächst langsam, dann reichlich. 1980 erhielt Kwolek als erste Frau überhaupt den ACS Award for Creative Invention der American Chemical Society.¹⁷ 1995 wurde sie schließlich als vierte Frau in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Im selben Jahr verlieh ihr DuPont die Lavoisier Medal. Bis zu ihrem Tod blieb sie übrigens die einzige Frau im Unternehmen, die diese Ehrung erhielt.¹⁷

1996 überreichte ihr Präsident Bill Clinton außerdem die National Medal of Technology. Ein Jahr später folgte die Perkin Medal der Society of Chemical Industry.¹⁸ Die Royal Society of Chemistry vergibt zudem seit 2014 alle zwei Jahre den Stephanie L. Kwolek Award für herausragende Beiträge zur Materialchemie außerhalb Großbritanniens.¹⁹

Nach ihrer Pensionierung 1986 blieb Kwolek beratend für DuPont tätig. Daneben reiste sie durch Schulen und Universitäten und sprach besonders Mädchen und junge Chemikerinnen an.²⁰ Vor Schulklassen führte sie regelmäßig die berühmte „Nylon Rope Trick“-Synthese vor. Den Versuch hatte sie 1959 erstmals didaktisch beschrieben. Seither zeigt er Generationen von Schülerinnen, wie ein Polymer in Echtzeit wächst.²⁰

Ihre Botschaft an junge Menschen war schlicht. „Ich sage jungen Leuten, sie sollen nach den Sternen greifen. Und ich kenne keinen größeren Rausch, den man bekommen kann, als etwas zu erfinden.“²¹

Stephanie Kwolek starb am 18. Juni 2014 in Wilmington, Delaware, im Alter von 90 Jahren nach kurzer Krankheit.²² Sie hinterließ keine Kinder. Was sie jedoch hinterließ, ist eine Faser, die seither weltweit Polizistinnen, Soldatinnen, Feuerwehrleute und Sicherheitskräfte schützt. Allein in den USA dokumentiert die DuPont-eigene „Survivors‘ Club“-Initiative inzwischen über 3.200 Fälle. In ihnen haben Kevlar-Westen das Leben ihres Trägers oder ihrer Trägerin gerettet.²³

Ihre Erfindung steckt heute außerdem in Astronauten-Anzügen, in den Landeapparaten der Mars-Rover, in Glasfaserkabeln und in den Schutzhandschuhen, mit denen Forensikerinnen Tatorte begehen.²³ Stephanie Kwolek wollte einmal Medizin studieren. Stattdessen hat sie ein Material in die Welt gebracht, das jeden Tag Menschen schützt. Damit ist sie schließlich doch noch eine andere Art von Lebensretterin geworden.