Autotechnik

Der Königsweg zum sauberen Antrieb führt über den reibungsfreien Motor, der kein Öl braucht. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeitet eine junge Wissenschaft mit Hochdruck: die Tribologie.

Kaum liefen die Motoren in den ersten Autos einigermaßen zuverlässig, da wollten die Techniker bereits mehr: mehr Leistung, weniger Kraftstoffverbrauch. Ein schier unmöglicher Spagat damals. Denn ein Leistungszuwachs schien nur um den Preis eines erhöhten Spritkonsums zu haben zu sein. Nun hat sich seit Carl Benz’ Zeiten in Sachen Motortechnik einiges getan, und selbst sparsame Triebwerke liefern heute eine erstaunliche Power. Jetzt verheißt eine noch recht junge Wissenschaft einen weiteren Evolutionsschritt in die gewünschte Richtung: Sie nennt sich Tribologie und beschäftigt sich mit der Reibung im Motor.

Über Reibung wusste schon der Steinzeitmensch Bescheid: Wenn er ein trockenes Holzstäbchen geduldig in der Mulde eines Astes hin und her drehte, konnte er nach einiger Zeit ein Feuer entfachen. Hier war die Reibung ein probates Mittel zum Zweck. In Motoren gilt es, sie, soweit es geht, zu vermeiden. Ohne die innere Reibung würden die Triebwerke über zehn Prozent weniger verbrauchen als heute üblich. Also müssen die bremsenden Kräfte vermindert werden – möglichst so weit, dass am Ende die Kolben ganz ohne Reibung im Zylinder auf- und abstampfen.

Sparen würde man dadurch auch mehr als eine halbe Million Tonnen Motoröl pro Jahr – eine Menge, für deren Transport zehntausend Tanklaster nötig sind. Fahren ohne Öl würde darüber hinaus den Partikelausstoß reduzieren – beim Diesel zum Beispiel um ein Drittel. Denn die Verbrennungsrückstände stammen aus dem Motoröl mit seinen Zusatzstoffen. Zwar kann man heute der Umweltbelastung durch Rußfilter (Diesel) oder Katalysator (Benziner) begegnen, in denen die Ascherückstände durch Erhöhung der Abgastemperatur verbrannt werden. Aber der Königsweg zum sauberen Triebwerk ist der reibungsarme oder gar reibungsfreie Motor, der ohne herkömmliche Schmieröle auskommt. Daran arbeiten die Tribologen zurzeit mit Hochdruck.

Um Reibung zu reduzieren, muss man sie im Detail verstehen lernen und ihre Wirkung kennen. Daher bauten die Wissenschaftler von der DaimlerChrysler-Forschung in Ulm spezielle Forschungsmotoren: Triebwerke, die ausschließlich der Untersuchung des Reibungsverhaltens dienen. Bei 3000 Umdrehungen pro Minute rotiert die Kurbelwelle 50-mal in der Sekunde, und mit jeder Umdrehung sausen die Kolben in den Zylindern auf und ab. Gerade eine hunderstel Sekunde benötigt ein Kolben, um vom unteren zum oberen Totpunkt zu gelangen. Dann ändert er schlagartig seine Richtung und fährt wie ein Hochgeschwindigkeitslift wieder abwärts.

Genau an den Totpunkten setzen die Tribologen an, denn hier wird es spannend. Was an diesen Punkten im Motorraum geschieht, liefert der Experimentalmotor in Form von Datensätzen an die Superrechner der Wissenschaftler, wo die Bits & Bytes in animierte Bilder umgesetzt werden. Bilder, die dem Laien fast unglaublich erscheinen: Die Zylinderwand beult sich nämlich nach außen aus, die Kolben verbiegen sich und kippeln hin und her. All diese Verformungen liegen nur im Bereich weniger tausendstel Millimeter – aber auf dem Bildschirm sind sie deutlich zu erkennen. Und sie beeinflussen die Reibung im Motor maßgeblich.

Die Computersimulation offenbart noch ein weiteres Geheimnis: Die Kolbenringe haben an den heiklen Totpunkten bei der Bewegungsänderung direkten Kontakt mit der Zylinderwand. Das sind kritische Momente, denn normalerweise schwimmen diese Ringe aus speziellem Federstahl zwischen Zylinderwand und Kolben auf einem Ölfilm. An den Totpunkten jedoch ist die Schmierung abgerissen, Metall trifft auf Metall, es kommt zur Reibung – und das hat eine verringerte Motorleistung, einen erhöhten Verschleiß und mehr Spritverbrauch zur Folge.

Aber die Tribologen wollen noch genauer wissen, was dort passiert, wo die Metalloberflächen aneinander reiben. Auf diese so genannte Grenzschicht richten sie ihre Eletronenmikroskope. Mit millionenfacher Vergrößerung erkennen sie: Es kommt beim Kontakt zu Zusammenstößen von einigen tausend Atomen und Molekülen; dabei werden Atome beschleunigt und erreichen ein höheres Energieniveau – Wärme entsteht. Je heißer diese Spots werden, umso größer die Wahrscheinlichkeit, dass es hier zu Verformungen kommt. Wo diese geometrischen Veränderungen auftreten, herrscht eine erhöhte Reibung.

Um diese zu verringern, suchen Forscher nach Möglichkeiten, speziell an den kritischen Punkten die Schmierung zu verbessern, damit es besser flutscht. Das hört sich entschieden einfacher an, als es ist. Denn wie will man erreichen, dass die langen Molekülketten von Ölen und Schmierstoffen auch die am meisten belasteten Oberflächen dauerhaft benetzen und der Schmierfilm unter allen Bedingungen erhalten bleibt? Vor kurzem ist Horst Lindner, Chef-Entwickler bei Audi in Ingolstadt, nach eigenen Worten eine »tribologische Revolution« gelungen. Sein mit dem »Deutschen Zukunftspreis 2004« ausgezeichnetes Verfahren verhindert das Abreißen des Schmierfilms und vermindert die Reibung zwischen Kolben und Zylinder enorm. Im Vergleich zu herkömmlichen Motoren liegt der Verschleiß um sagenhafte 90 Prozent niedriger – und der Ölverbrauch um 75 Prozent.

Lindners »Trick« besteht darin, die extrem glatte Oberfläche der Zylinderwand mit Laserstrahlen zu beschießen – zu »honen«, wie die Fachleute sagen. Durch diese Spezialbehandlung mit hochenergetischen UV-Strahlen, die nur wenige Mikrometer tief eindringen, verdampft ein Teil der spiegelglatten Oberfläche des Zylinders aus Grauguss. Dieses Material (neben Aluminium einer der wichtigsten Werkstoffe im Motorenbau) besteht aus Gusseisen und Graphit. Durch den Laserstrahl wird der eingelagerte Graphit freigelegt: Dadurch bilden sich zwischen dessen Molekülen zahllose mikroskopisch kleine Vertiefungen, in die sich das Schmieröl einnistet. Es ist an der rauen Oberfläche »gefangen« und kann nicht vom Kolbenring in den Brennraum abgestreift werden – so bleibt auch an den kritischen Punkten im Motor der Schmierfilm erhalten. Die aufgeraute Schicht hat außerdem, wie Lindner sagt, »superelastische Eigenschaften«: Sie gibt unter der Belastung durch die Kolbenringe besser nach als eine absolut glatte Fläche – dadurch können sich einzelne Atome nicht so leicht aus dem Molekularverband lösen. Auf diese Weise steigt die Verschleißfestigkeit des Motors enorm an, und der Ölverbrauch sinkt.

Eine weitere Reduzierung der Reibung wird dadurch erreicht, dass der Laser pulsiert. So wird die Oberfläche der Zylinder-Innenwand im ständigen Wechsel für Sekundenbruchteile angeschmolzen und wieder abgekühlt. In diesem Stakkato von extremer Hitze und schlagartigem Absinken der Temperatur erstarrt die Mikro-Schmelze. Sie erhält, wie Werkstoffkundler sagen, eine »nanokristalline Struktur«. Ihr hoher Stickstoffanteil an der Oberfläche verleiht ihr Eigenschaften, wie man sie nur von der Keramik kennt – ein nichtmetallischer Werkstoff, der kaum Reibung aufweist.

Das gehonte Audi-Triebwerk ist bereits ein gewaltiger Fortschritt – vom Ideal des reibungsfreien Motors, der überhaupt kein Schmieröl verbraucht, ist er aber noch ein Stück entfernt. Zwar ist bei diesem Aggregat der Ölwechsel nicht mehr alle 15000 Kilometer fällig, sondern nur alle 25000 Kilometer; und seine Laufleistung dürfte deutlich über 300000 Kilometer liegen. Aber Schmierung muss immer noch sein.

Um Reibung und Ölverbrauch noch näher an die Nullmarke zu bringen, hat BMW mit Kolben aus Kohlenstoff experimentiert. Hier ist die Schmierung bereits in der atomaren Struktur »eingebaut«: Da die Kohlenstoffatome nur lose miteinander verbunden sind, bildet sich an der Oberfläche eine hauchdünne Gleitschicht, auf der die Kolben im Zylinder wie geschmiert laufen. Bei aller Euphorie: Die BMW-Forscher sind sich der noch zu meisternden Schwierigkeiten sehr bewusst. Zum Beispiel dehnt sich Kohlenstoff wie Keramik bei Hitze nur wenig aus – das aber stellt die Integration solcher Kolben ins metallene Umfeld des Motors vor allergrößte Probleme.

Vielversprechender erscheint eine andere Lösung: Man bleibt beim Kolben aus Metall, überzieht ihn aber mit einer mikroskopisch dünnen Lage aus diamantähnlichem Kohlenstoff. Das geeignete Verfahren dafür ist die Beschichtung via Plasma: ein Gas, das durch Lichtbogenentladungen so hoch aufgeheizt wird, dass es im Vakuum elektrisch leitfähig wird. Diese Eigenschaft lässt sich nutzen, um verdampften Kohlenstoff auf den Metallkolben zu leiten. Derart beschichtete Oberflächen, hart wie Diamant und nahezu verschleißfrei, begeistern die Forscher. Motorenkolben mit Kohlenstoffmantel haben schon heute im Trockenlauf fast so günstige Reibwerte wie Stahlteile mit optimaler Ölschmierung. Und obwohl die Beschichtung nur einen tausendstel Millimeter dick ist, kann sie ein Motorenleben lang halten. Das Tor zum Motor ohne Öl ist damit weit aufgestoßen. Nebenbei: Selbst temperaturempfindliche Kunststoffe lassen sich im Plasmaverfahren mit Kohlenstoff ummanteln – kommt eines Tages vielleicht sogar der extrem leichte Kunststoffmotor?

Die Beschichtung der Kolben mit Kohlenstoffpartikeln ist zurzeit der erfolgversprechendste Weg zum reibungsarmen und sauberen Motor. Und die Tribologen denken schon weiter: Sie nehmen jetzt alle sich bewegenden Bauteile unserer Autos kritisch unter die Lupe, um herauszufinden, wo sich sonst noch »Sand im Getriebe« vermeiden lässt. Solange der fast reibungsfreie Motor noch nicht automobiler Alltag ist, denken sie auch über umweltfreundliche Alternativen zum mineralischen Öl nach: Schmierstoffe, von denen der Motor nur winzige Mengen braucht und die weder aufgefüllt noch jemals gewechselt werden müssen.

Was dann am Ende eines Autolebens, kurz bevor der Shredder zupackt, noch zu tun übrig bleibt, haben die Renault-Ingenieure in einer Zukunftsstudie beschrieben: Man öffnet nur zwei Ablassschrauben – und die biologisch abbaubaren Motor- und Getriebe-Schmiermittel sowie das Kühlmittel fließen in den Recyclingkreislauf. Die übernächste Motorengeneration könnte bereits so weit sein. In den strikt abgeschirmten Labors läuft sie bereits.