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Glänzend und glatt: Eine spezielle Kohlenstoff-Beschichtung macht die Ultra- und Supraschmierung erst möglich. Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Ökobilanz

Dresdner Supraschmierung soll Reibung aus Motoren verbannen

Stand: 15. Oktober 2021, 10:32 Uhr

Ob es der E-Bike-Akku ist, der einige Kilometer mehr schafft als bisher, oder die Industriemaschine, die weniger Strom dank weniger Abwärme verbraucht: Wenn es in Motoren und Getrieben keine Reibung mehr gäbe, dann hätte das einige Vorteile. Außerdem wäre das auch gut für Umwelt und Klima dank weniger CO2-Ausstoß. Fraunhofer-Forschende aus Dresden wollen jetzt versuchen, diesem reibungsfreien Idealzustand so nah wie möglich zu kommen. Das Ziel heißt Supraschmierung!

Beim Betrieb von Maschinen aller Art verpufft eine ganze Menge Energie einfach so, ohne irgendeinen Nutzen. Daran ist die Reibung Schuld: Sie sorgt dafür, dass Energie einfach in Form von Abwärme vergeudet wird. Die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden sagen der Reibung deshalb den Kampf an. Ihr Ziel: Die Reibung nahezu auslöschen. Und das wollen sie durch superharte Kohlenstoffbeschichtungen der Bauteile erreichen – eine sogenannte Supraschmierung.

Ohne Reibung weniger CO2-Ausstoß

Weniger Reibung in der Maschine ergibt weniger CO2-Ausstoß. Bildrechte: Colourbox.de

Wenn es ihnen gelingt, die Reibung zu reduzieren und es "wie geschmiert" läuft, dann würde das auch die Energie- und Ökobilanz von Autos und anderen Maschinen deutlich verbessern. Das Fraunhofer-Institut schätzt die Potentiale bei einem "konsequenten Einsatz" von Supraschmierung in Motoren und Getrieben von Fahrzeugen und in Maschinen der Industrie auf mehrere hundert Millionen Tonnen CO2, die eingespart werden könnten. Und dann wäre da sogar noch ein positiver Nebeneffekt: Es würde weniger Verschleißschäden geben, so die Forschenden, was wiederum die Kosten für Wartung und Schmiermittel senken würde.

Technologische Fortschritte, insbesondere mit extrem gleitfähigen Kohlenstoffschichten, sollen es nun endlich ermöglichen, Reibung fast vollständig aus technischen Systemen zu verbannen.

Dr. Volker Weihnacht, Fraunhofer IWS

"Prometheus" nimmt Motoren ins Visier

Die Fraunhofer-Fachleute forschen in zwei Projekten an der Reibungsarmut. Das Projekt "Reibungs-Optimierung von Motoren durch Einsatz von triboaktiven Hochleistungskohlenstoff- sowie Eisenbasisschichten und Schmierstoffen" - kurz "Prometheus" - widmet sich Verbrennungsmotoren für Autos, Busse und Lkw sowie Gasmotoren. Sie sollen besonders effizent und zunächst "ultraschmierend" werden.

Der Elefant auf dem Eis: Ultra- vs. SupraschmierungDie Begriffe bezeichnen zwei unterschiedliche Grade der Reibungsarmut.
Bei der "Ultraschmierung" lassen sich die Energieverluste durch die Reibung in Verbrennermotoren im Vergleich zum heutigen Stand der Technik halbieren. Der sogenannte Reibungskoeffizient liegt hier zwischen 0,01 und 0,05. Das entspreche etwa der Reibung von ganz glattem Stahl, der auf Eis rutscht.
Die "Supraschmierung" ist noch eine Stufe besser. Sie beginnt, wenn der Reibungskoeffizient unter 0,01 sinkt. Wie wenig Reibung das noch ist, zeigt das Elefanten-Beispiel: Wenn auf der suprageschmierten Stahl-Platte, die auf dem Eis liegt, ein fünf Tonnen schwerer Elefant steht, könnte ein einzelner Mensch den Elefanten mühelos wegschieben.

Quelle: Fraunhofer IWS

Auf dem Weg zur Supraschmierung spielen extrem harte "Diamor"-Schichten auf Kohlenstoff-Basis eine Schlüsselrolle. Die Ingenieure wollen sie weiterentwickeln. Bildrechte: Jürgen Jeibmann/Fraunhofer IWS Dresden

Die Fraunhofer-Ingenieure setzen bei ihrer Forschung auf eine Technologie aus dem eigenen Haus: sogenannte Diamor-Schichten. Das sind extrem harte Beschichtungen auf Kohlenstoff-Basis. Diese Technologie wurde über Jahre am Fraunhofer IWS entwickelt. Die Diamor-Schichten sind so hart, dass sie Diamanten ähnelten – daher auch der Name. Diese bereits sehr reibungsarmen Beschichtungen sollen nun mit zusätzlichen Fremdatomen so weiterentwickelt werden, dass es später im Motor zu einer chemischen Reaktion kommt: Im laufenden Betrieb verbindet sich die Beschichtung mit Schmierstoffmolekülen und es entstehen ultraschmierende Flächen. So soll die Reibung im Motor halbiert werden. Die Forschenden rechnen damit, dass die Technologie bereits ab circa 2025 in Serie gehen kann.

Durch diese Ultraschmierung sollen der Forschungsgruppe zufolge allein in Deutschland bis zu zwei Terrawattstunden Energie pro Jahr eingespart werden. Das entspreche rund 520 Kilotonnen CO2 und so viel Energie, wie sie rund 800.000 Zweipersonenhaushalte in einem Jahr verbrauchen.

Mit "Cephren" zur reibungsfreien Maschine

Doch mit dem ultraschmierenden Motor werden die Fraunhofer-Fachleute ihr Ziel noch nicht erreicht haben. Denn das lautet eigentlich Supraschmierung – also die annähernd komplette Reibungsfreiheit. Doch dieser Weg ist noch etwas länger, räumt Volker Weihnacht ein.

Mit heutigen Schmierstoffen ist allerdings noch keine Supraschmierung in Verbrennungsmotoren möglich. Aber wir sind zuversichtlich, dass sich das in Zukunft mit besonders umweltfreundlichen neuen Schmierstoffen auf Basis von Fettsäuren oder Wasser ändert.

Dr. Volker Weihnacht, Fraunhofer IWS

Mithilfe von Supraschmierung könnte ein Mensch einen Elefanten auf einer Stahlplatte über Eis schieben. Bildrechte: Timo Deible/Zoo Karlsruhe

Ein weiterer Schritt in Richtung des Ziels Supraschmierung ist das Verbundprojekt "Cephren" – kurz für "Chemisch-Physikalische Reduzierung der ReibungsENergie". Hier liegt der Fokus nicht explizit auf Verbrennungsmotoren, sondern auf allen technischen Systemen, so das Forschungsinstitut. Dazu gehörten etwa die Getriebe und Lager batterieelektrischer Autos und Fahrräder ebenso wie Antriebsketten von Mähdreschern oder die Vielzahl der beweglichen Komponenten in Werkzeugmaschinen.

So superglatt wird die Diamor-Schicht nur durch Nachpolieren. Bildrechte: Fraunhofer IWS Dresden

Im Rahmen von "Cephren" widmen die Forschenden sich neben den besseren Schmierstoffen auch noch einmal der Qualität der Kohlenstoffschichten in ihrer Diamor-Beschichtung. Sie sollen noch einmal deutlich verbessert werden, so dass sie künftig keine Defekte und Unebenheiten mehr aufweisen, die noch nachpoliert werden müssen. Denn bisher komme es im Herstellungsverfahren – der sogenannten Lichtbogenverdampfung – noch zu solch kleinen Rauheiten als unerwünschte Nebeneffekte. Die seien zwar nur mikroskopisch klein, aber eben trotzdem nicht so superglatt wie sie sein müssten. Um das zu ändern entwickelt das Forschungsteam den Herstellungsprozess weiter. Sie rechnen damit, bis Ende der 2020er-Jahre mit einer Produktion in Serie gehen zu können. Das Interesse an den Bauteilen aus der Industrie sei jedenfalls groß, so das Institut.

Laser-Arc und Diamor

Auf dem Weg zur Supraschmierung spielen extrem harte "Diamor"-Schichten auf Kohlenstoff-Basis eine Schlüsselrolle. Das Fraunhofer IWS hat diese Technologie sowie die dafür nötigen Anlagen über viele Jahre hinweg entwickelt und verbessert. Dabei platziert der Maschinenbediener die Bauteile in Vakuumkammern von Laser-Arc-Anlagen, die mit Vakuumlichtbögen arbeiten. Darin entzündet ein Laser an Graphit-Elektroden ein Plasma aus heißen Ionen und Elektronen. Elektrische und magnetische Felder lenken diese feine Wolke aus geladenen Kohlenstoffteilchen auf das Bauteil. Auf dessen Oberfläche entsteht dann eine wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünne Schicht aus "tetraedrisch amorphem" Kohlenstoff, abgekürzt ta-C. Diese Schichten sind sehr hart und nach einer mechanischen Politur auch sehr glatt. Sie ähneln Diamanten – daher auch der Name Diamor.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Dresden

(kie)

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