Materialkunde

Autoreifen, Kondome, Brückenlager, Bungee-Seile, Tennisbälle: Gummi ist überall. Damit er den unterschiedlichsten Ansprüchen gerecht wird, produzieren Experten das elastische Material in unzähligen Mixturen – und jede ist »top secret«. Doch bevor der Gummi seinen Siegeszug um die Welt antreten konnte, mussten Hunderttausende sterben.

Wenn Michael Schumacher seinen Formel-1-Ferrari aus der Poleposition beschleunigt, beginnt ein extremer Belastungsstress für Mensch und Maschine. Fast konstant wirkt während des bis zu zwei Stunden dauernden Rennens mindestens die doppelte Schwerkraft (2 g) auf den Körper des Fahrers und das Rennauto – bei Vollbremsungen sogar 5 g. Das bedeutet: Michael Schumachers Körpergewicht verfünffacht sich; statt 75 wiegt er dann 375 Kilogramm. Dabei können schon mal Tränen aus den Drüsen gedrückt werden und am Visier zerspritzen. Das 600-Kilogramm-Auto wird bei 5 g zum Dreitonner. Zu einer solchen Spitzenbelastung kommt es, wenn der Bolide in 1,9 Sekunden von 200 auf 0 km/h bremst. Die Laufflächen der Vorderreifen drücken dabei mit je 2,5 Tonnen auf den Asphalt.

Auch bei freier Fahrt leisten Rennpneus Schwerstarbeit, wenn sie die unglaubliche Kraft der 800-PS-Motoren auf die Piste bringen. Um die Energien, die auf sie wirken, zu bändigen, sind die hinteren (Antriebs-) Räder fast einen halben Meter breit. Ohne Schlupf sollen sie dafür sorgen, dass die Geschosse nach dem Start innerhalb von 2,6 Sekunden die 100-km/h-Marke erreichen. Nach weiteren 2,4 Sekunden steht die Tachonadel bereits auf 200, und auf manchen Rennkursen ist erst bei 350 km/h Schluss. Bei diesem Tempo entsteht durch die Spoiler ein Anpressdruck von 1,6 Tonnen auf die Lauffläche der Räder – damit könnte ein Formel-1-Auto problemlos kopfüber an der Decke fahren, ohne abzustürzen. In Kurven wirken durch die Fliehkraft über 3,2 Tonnen auf die Reifenflanken.

Es gibt nur ein Material, das die enormen Anforderungen an Formel-1-Reifen erfüllt: Gummi – eine hoch-elastische, leicht klebrige, durch Industrieruß schwarz gefärbte Masse, hergestellt aus Naturkautschuk. Ungefähr 79 Prozent eines Reifens bestehen aus Gummi, der Rest sind Stahlfäden (18 Prozent) und Textilgewebe (3 Prozent) zur Stabilisierung. Bis zu 30 verschiedene Kautschuksorten werden für einen Formel-1-Reifen nach streng geheimen Rezepturen gemischt. Michelin lässt seine Produktionshalle für Rennreifen vom französischen Geheimdienst schützen, um Industriespionage zu verhindern. Ein normaler Autoreifen besteht nur aus zwölf Sorten Kautschuk, aber auch deren Verarbeitung wird in den Herstellerfirmen als Verschlusssache behandelt.

Ziel der heimlichen Gummimischer ist es, den perfekten Reifen zu entwickeln. Und das ist nicht leicht. Einerseits muss er so hart und stabil sein, dass er nicht schon bei der ersten Vollbremsung zerfetzt. Andererseits soll er so weich und flexibel sein, dass er Bodenunebenheiten ausgleicht und sich mithilfe der »Van-der-Waals-Kraft« gewissermaßen an der Fahrbahn festsaugt – indem sich Moleküle des Asphalts und des Reifens für Sekundenbruchteile elektrostatisch miteinander verbinden und so für »Grip« sorgen.

Beide Vorgaben sind physikalisch im Grunde unvereinbar, deshalb ist jeder Reifen ein Kompromiss aus Haltbarkeit und Bodenhaftung. Je besser sich die nur wenige Quadratzentimeter große »Latschfläche« (der Bereich des Reifens, der Bodenkontakt hat) mit dem Untergrund verzahnt, desto weniger haltbar ist der Pneu. Die superweichen Formel-1-Trockenreifen dünsten zusätzlich Harze aus, um regelrecht am Asphalt zu kleben. Dadurch verlieren sie bei einem Grand-Prix-Rennen schon nach der halben Strecke (etwa 150 Kilometer) über ein Pfund Lauffläche – und müssen ausgetauscht werden.

Am besten ist der Grip bei Formel-1-Trockenreifen übrigens, wenn sie eine Temperatur von 70 bis 95 Grad Celcius haben, deshalb werden sie vor dem Rennen mit Heizdecken aufgewärmt. Regenreifen dagegen fahren am besten bei 40 bis 45 Grad. Ist die Temperatur zu niedrig, lässt der Grip nach; ist die Temperatur zu hoch, bildet der Reifen Blasen und löst sich in seine Bestandteile auf.

Kein Wunder also, dass die Industrie bei der Suche nach dem perfekten Reifen einen enormen Aufwand treiben muss. Aber auch die Herstellung aller anderen Gummiprodukte erfordert großes technisches Know-how. Kondome, Bungee-Seile, federnde Lager für tonnenschwere Autobahnbrücken, Druckwalzen für Offset-Maschinen, Tennisbälle oder Gummizüge für die Unterhose – jedes Mal sind andere Gummi-Mixturen notwendig.

Die Basis aller Mischungen ist Kautschuk. Neun Millionen Tonnen davon werden jährlich aus der Milch des Gummibaums (Havea brasiliensis) gewonnen. Der Baum wächst ausschließlich im so genannten Kautschuk-Gürtel, einem Streifen von 1500 Kilometern beiderseits des Äquators. Früher war Brasilien das wichtigste Kautschuk-Land, heute ist es Thailand mit drei Millionen Tonnen Kautschuk im Jahr. Brasilien produziert nur noch gut 100000 Tonnen. Der Grund: Der Boden im Amazonas-Gebiet ist nicht fruchtbar genug, um Gummibaum-Plantagen anzulegen. Hier wächst der Baum lediglich verstreut im Urwald – das macht das Ernten des Saftes unverhältnismäßig teuer.

Neben neun Millionen Tonnen Naturkautschuk produziert die chemische Industrie weltweit jährlich zwölf Millionen Tonnen Synthese-Kautschuk aus Erdöl. Nach der Erfindung des künstlichen Kautschuks 1910 in Leverkusen dachte man eine Zeit lang, das Kunstprodukt könne das Naturprodukt komplett ersetzen. Erst nach und nach erkannte man, dass Naturkautschuk viel bessere Allround-Eigenschaften hat – die zum Beispiel bei Autoreifen oder Kondomen unverzichtbar sind. Synthese-Kaut-schuk dagegen eignet sich dann besser, wenn ganz bestimmte technische Anforderungen an die Gummimischung gestellt werden – zum Beispiel hohe Kälteresistenz oder Hitzebeständigkeit. Für solche Anwendungen können die Chemiker zwar spezielle Kunstkautschuke designen – sie geraten dabei aber in die Abhängigkeit von steigenden Ölpreisen. Synthetischer Kautschuk ist teuer geworden – zurzeit kostet die Tonne schon fast so viel wie Naturkautschuk: um die 1800 Euro.

Hergestellt wird das natürliche Rohmaterial des Gummis aus der weißen Milch des Gummibaums, auch »Latex« genannt – abgeleitet vom spanischen Wort »leche« (Milch). Der Baum wird bis zu 20 Meter hoch und kann angezapft werden, sobald er etwa sieben Jahre alt ist. Zum Anzapfen schneidet man täglich die Rinde mit einem scharfen Messer ein, dann tropfen innerhalb von drei Stunden etwa 30 Milliliter Latex in einen Auffangbehälter. Nach spätestens 30 Jahren ist der Baum verbraucht, dann hat er über 300 Liter Latex abgegeben.

Die Milch enthält bis zu 40 Prozent Kautschuk – eine Bezeichnung, die auf die Indianersprache zurückgeht: »Cao Ochu« – »Baum der Tränen«. Kautschuk ist ein klebriges und stinkendes Material, das aus besonders langkettigen und damit flexiblen Kohlenwasserstoffmolekülen besteht. Setzt man der Milch Ammoniak oder bestimmte Seifen zu, verhindert man ihre Gerinnung – so lässt sie sich über weite Strecken transportieren. Aus diesem flüssigen Latex werden im Tauchverfahren beispielsweise Kondome oder OP-Handschuhe hergestellt.

Meist wird jedoch Fest-Kautschuk verwendet. Um ihn zu gewinnen, mischt man Essigsäure in die Latexmilch: Dadurch wird sie sauer, und man kann die geronnenen Kautschuk-Klümpchen abschöpfen. Diese werden gewaschen, zu dünnen »Fellen« gewalzt und dann getrocknet. Entweder lässt man sie einfach ein paar Tage lang an der warmen Luft trocknen, dann entstehen »Air Dried Sheets« (ADS). Oder man hängt sie in die Räucherkammer, um »Ribbed Smoked Sheets« (RSS) zu erhalten. Ihre Riffelung stammt von einer besonderen Walze und hat den Zweck, durch die kleinen Rillen die Oberfläche des Fells zu vergrößern, damit es schneller trocknet.

ADS ist besonders rein und deshalb für Gummierzeugnisse zugelassen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, zum Beispiel Babysauger oder Milchschläuche. RSS wird zur Reifenherstellung verwendet, weil es der Gummimischung die gewünschte »Klebrigkeit« und damit den Pneus eine gute Bodenhaftung verleiht. Außerdem ist das Material besonders zugfest, zäh und widerstandsfähig gegen Risse.

Um aus Kautschuk Gummi zu machen, wird der Masse Schwefel beigemischt. Aber darauf musste man erst einmal kommen! Wie so oft, half der Zufall. Der mehrfach Pleite gegangene amerikanische Tüftler Charles Goodyear hatte in den 1830er Jahren im Schuldgefängnis einen Bericht über Kautschuk gelesen. Als er entlassen wurde, beschloss er, in dieser Branche sein Glück zu versuchen. Er hantierte mit allen möglichen Materialien, die die Klebrigkeit des Kautschuks verringern und ihn vor dem Verfaulen bewahren sollten. Die angemischte Masse verstrich er dann mit einem breiten Messer auf Textilien, aus denen er wasserdichte Regenmäntel schneidern wollte.

Eines Abends, im Winter 1838, versuchte er es mit Schwefel, den er der Kautschuk-Masse beimischte. Die getränkten Stoffbahnen hängte er zu Hause in Philadelphia über dem Ofenherd zum Trocknen auf – und dabei kam ein Zipfel des Gewebes auf der heißen Herdplatte zum Liegen. Good-year versuchte, das angekokelte Stück abzureißen – zu seinem Erstaunen dehnte es sich dabei elastisch in die Länge und klebte kein bisschen mehr. Und als er es über Nacht in die kalte Winterluft vor der Haustür legte, um den Geruch von Verbranntem loszuwerden, war es am nächsten Morgen im Gegensatz zum Kautschuk überhaupt nicht spröde.

Goodyear hatte den Gummi erfunden, 1844 ließ er sich seine Entdeckung unter der Nummer 3633 patentieren. Er vermochte es jedoch nicht, daraus Gewinn zu ziehen und seine finanziellen Probleme zu lösen. Erst 1898, 38 Jahre nach seinem Tod, wurde die Firma »Goodyear Tire & Rubber« von zwei deutschen Einwanderern gegründet und nach ihm benannt. Heute ist Goodyears Verfahren als Vulkanisation bekannt: Mithilfe von Schwefel und Hitze wird Kautschuk zu einem dauerhaft elastischen, formbeständigen Material, das zudem noch wasserdicht, extrem zäh und unempfindlich gegen viele Chemikalien ist. Mit Goodyears Zufallsentdeckung begann der Siegeszug des Gummis – und er sollte mit Hunderttausenden von Menschenleben bezahlt werden.

Die Geschichte des Gummis begann genau genommen schon vor mehr als 2000 Jahren. Die Indianer auf dem südamerikanischen Kontinent waren die Ersten, die die Eigenschaften des Kautschuks erkannten und ihn sich nutzbar machten. Sie stellten daraus Spielbälle her, und vor Wanderungen durch dornige Urwaldregionen tauchten sie ihre Füße in Latexmilch – sonnengetrocknet ergab das passgenaue Galoschen.

Christoph Kolumbus war der erste Weiße, der mit Kautschuk in Berührung kam. Als er Ende des 15. Jahrhunderts Südamerika entdeckte, wurde er Zeuge, was die einheimische Bevölkerung damit bewerkstelligen konnte. Zu Beginn des 16. Jahrhunderts berichteten mehrere Entdeckungsreisende aus Südamerika, wie Latex gewonnen und wozu es verwendet wurde: Die Indianer tunkten Kleidung in die Milch und machten sie damit regendicht; und sie stellten unzerbrechliche Flaschen her, indem sie einen Tonkrug in die Latexmilch tauchten, die Schicht trocknen ließen und den Tonkrug anschließend zerschlugen.

Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts begannen die Europäer, Kautschuk in größeren Mengen nach Europa zu importieren. Kautschuk-Fabriken walzten die Klumpen aus dem Urwald zu dünnen Schichten, aus denen sich Regenbekleidung und Gummistiefel herstellen ließen. Der große Boom aber begann erst nach Goodyears Entdeckung des Gummis und der Erfindung des Luftreifens im Jahr 1880. Plötzlich schnellten mit der Nachfrage die Preise in die Höhe – und das brasilianische Dorf Manaus am Amazonas explodierte um 1890 zu einer Weltmetropole, in der mit Kautschuk das große Geld gemacht wurde. Die Händler bauten sich schlossähnliche Villen, bestellten in Europa elektrische Straßenbahnen für den Nahverkehr und errichteten sogar ein monströses Opernhaus, das »Teatro Amazonas«. Typisch neureich, liebten sie es, mit einer dicken Zigarre im Mund fotografiert zu werden, die sie mit Geldscheinen anzündeten. Einer der Kautschuk-Barone ließ einen Stall für seine Pferde bauen – der so imposant wurde, dass er selbst einzog und die Tiere in seinem früheren Wohnhaus unterbrachte.

Bezahlt wurde dieser Luxus mit dem Blut der Latexsammler, der »Seringueiros«. Sie wurden von den Kautschuk-Baronen gnadenlos ausgebeutet. Von den Händlern bekamen sie Nahrung, Kleidung und Waffen – zu völlig überhöhten Preisen, sodass sich die armen Teufel bei ihren Herren verschulden mussten. Und sie mussten sich verpflichten, ihre Schulden durch das Sammeln von Kautschuk zurückzuzahlen. Natürlich wurde ihnen der Kautschuk zu lächerlichen Summen abgekauft – während die Händler bizarre Gewinne machten. Bei ihrer harten Arbeit im Urwald starben die Seringueiros zu Hunderttausenden an Hunger, Malaria, Parasitenerkrankungen und den unerträglichen klimatischen Bedingungen. Allein zwischen 1900 und 1910 verloren nach Schätzungen von Historikern eine Million Kautschuk-Sammler ihr Leben. Das war, so der englische Chemiker und Gummi-Experte John Loadman, »der südamerikanische Beitrag zur Industrialisierung der entwickelten Welt«.

Erst 1910 sank der Kautschuk-Preis wieder: Den Engländern war es gelungen, 70000 Kautschuk-Samen aus Brasilien herauszuschmuggeln und damit Plantagen in ihren südostasiatischen Kolonien anzulegen. Dem großflächigen Anbau des Gummibaums hatte Brasilien wegen seiner wenig fruchtbaren Urwaldböden im Amazonas-Gebiet nichts entgegenzusetzen. Heute muss das Land jährlich 100000 Tonnen Kautschuk aus Fernost importieren.

Zwei Drittel der weltweiten Kautschuk-Produktion kauft die Reifenindustrie auf. Der Rest wird unter anderem für Kondome, Latexhandschuhe, Autoscheibenwischer und Tennisbälle verwendet – aber auch für Förderbänder in der Industrie oder für flexible Lager unter den Fundamenten von Gebäuden in Erdbebengebieten. Jedes Produkt erfordert spezielle Verfahren. Kondome beispielsweise, deren Name sich von dem englischen Arzt Dr. Contom ableitet, werden aus vulkanisierter Latexmilch hergestellt, in welche Glaskolben in Penisform getaucht werden. 0,06 Millimeter dick haftet die Milch auf der Form, wird getrocknet, mit einem Rollrand versehen, auf Dichtheit geprüft und verpackt. Die Anforderungen sind hoch: Jedes Kondom muss um 650 Prozent dehnbar sein und darf nicht einmal dann reißen, wenn auf jeden Quadratzentimeter eine Zugkraft von einer viertel Tonne wirkt.

Extrem sind auch die Anforderungen an Scheibenwischer. Die gerade mal 0,001 Millimeter dicke Kante soll mindestens eine halbe Million Wischzyklen durchhalten und dabei nicht nur Wasser, sondern auch Schmutz, Öl und zerquetschte Insekten von der Scheibe entfernen. Am Ende seines Lebens hat jedes Wischerblatt 900 Kilometer zurückgelegt und dabei die Fläche von 60 Fußballfeldern sauber gehalten.

Geradezu harmlos wirken dagegen die Bedingungen, die ein Tennisball erfüllen soll. Die filzbezogene Gummikugel wiegt maximal 58,5 Gramm und muss auch nach dem hundertsten Aufschlag 135 bis 145 Zentimeter hoch von einem Betonboden zurückspringen, wenn man sie aus 2,54 Meter Höhe fallen lässt. Bis zu sieben Zentimeter drückt sich der Ball ein, wenn er vom Schläger getroffen wird, muss dann aber unverzüglich wieder seine Ausgangsform annehmen. Auch das geht nur mit natürlichem Gummi: Alle Versuche, Tennisbälle aus einem synthetischen Material herzustellen, sind gescheitert.

Der Vorteil der langen Haltbarkeit ist aber auch das Problem des Gummis: Wie wird man ihn wieder los, wenn er ausgedient hat? Allein in Deutschland fallen jährlich 600000 Tonnen Altreifen an. Einige davon finden als Laichplätze in Fischteichen und auf Austernbänken Verwendung – oder als Untergrund für eine Straße durch weiches Torfgelände. 100000 Tonnen Reifen werden jedes Jahr runderneuert noch einmal verwendet, und 270000 Tonnen werden als Energieträger in Zementwerken verheizt. Der große Rest geht in den Export, seit es in Deutschland verboten ist, Altreifen auf die Müllkippe zu werfen: Viele Autos in Afrika rollen auf abgefahrenen deutschen Reifen.

Die neueste Recycling-Idee: den Altgummi mit flüssigem Stickstoff bei minus 80 Grad Celcius schockgefrieren. Dadurch wird er spröde wie Glas und kann in einer Schleudermühle zerbröselt werden. Aus den Krümeln stellen Spezialfirmen elastische Bodenbeläge für Sporthallen und Kindergärten her. Wirtschaftlich ist dieses Verfahren allerdings noch nicht. Deshalb suchen die Wissenschaftler weiter nach der optimalen Methode der Wiederverwertung eines Materials, das durch die stabile Verbindung von Kautschuk und Schwefel ein besonders »zähes Luder« ist. Aber das war ja beabsichtigt.