Reibungskräfte verschleissen Materialien und verschlingen ungeheure Mengen an Energie. Verloren ist sie beileibe nicht. Das verbietet das wichtigste Grundgesetz der Physik vom Ernergieerhaltungssatz. Sie wird nur umgewandelt. Das meiste davon in Wärme. Das wußten bereits unsere steinzeitlichen Vorfahren, als sie trockene Holzstäbchen drehten und mit der erzeugten Hitze Feuer entfachten. Tribologie auch im sich erhitzenden Automotor. Ohne die innere Reibung würden diese gut zehn Prozent weniger verbrauchen.

Was aber wirklich passiert, wenn zwei Körper gerieben werden, wissen die Verfechter der noch recht jungen Wissenschaft bis heute nicht so genau. Ansätze liefern Beobachtungen unter dem Rasterelektronenmiskroskop und Berechnungen von Supercomputern beim Zusammenstoß von einigen tausend Atomen und Molekülen. Bekannt ist den Reibkundlern, dass die meisten solcher nano-tribologischen Betrachtungen nicht auf den für uns erfahrbaren Makrokosmos übertragen werden können. Ein Beispiel: Wenn mit dem Hammer auf ein Stück Eisen geschlagen wird, wird es warm. Ein einzelnes Atom dagegen nimmt die Bewegungsenergie des Hammers auf, beginnt zu schwingen und kann diese Energie beim nächsten Hammerschlag im Prinzip auch wieder abgeben. Kann, muss aber nicht. Man weiss es nicht. Der Begriff der Reibung ist daher für das einzelne Atom nicht passend. Wärme und Reibung sind so gesehen statistische Phänomene, die sich irgendwo zwischen hundert und vielen Billiarden Atomen einstellen. Denn berechnet werden können bisher nur nanometergroße Ausschnitte der Materie und das auch nur über einen Zeitraum von wenigen Femtosekunden – dem millionsten Teil einer Milliardstelsekunde. Da die Forscher nur die Wirkung (die Erwärmung des Eisens) messen und gleichzeitig nur einen allerkleinsten zeitlichen Ausschnitt erfassen können, haben sie ein quasi-atomares Modell entwickelt und damit ihre Computer gefüttert.

Die notwendigen Daten liefert ein Forschungsmotor, den Wissenschaftler von der Daimler Chrysler Forschung in Ulm gebaut haben. Wie alle anderen Viertakter auch, beschleunigt er auf Kommando des Gaspedals. Bei 3000 Umdrehungen pro Minute rotiert die Kurbelwelle 50-mal in der Sekunde und bei 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 Fahrstuhl im Zylinder wieder abwärts. Und genau hier setzen die Forscher ein, denn an dieser Stelle wird es spannend. Was die Forscher auf den von den Superrechnern animierten Bildern fasziniert, erscheint Laien unglaubwürdig: Die Zylinderwand beult sich nach außen aus, die Kolben verbiegen sich und kippeln hin und her. Diese geometrischen Verformungen geben den Fachleuten Hinweise auf kritische Punkte. Hier herrscht erhöhte Reibung, es muss besser geschmiert werden. Den Einsichten folgen Optimierungsprozesse, um die innere Reibung zu vermindern, damit es besser flutscht.

Ganz anders bei den Bremsen. Hier ist viel Reibung erwünscht. Rau und stumpf sollten die Materialien sein, um mit viel Widerstand sehr schnell die Bewegung zu verlangsamen und zu stoppen. Beim Sonderforschungsbereich an der Technischen Universität Berlin ist man vor wenigen Jahren den merkwürdigen Effekten auf die Spur gekommen, die bei Scheibenbremsen auftauchen. Die Scheibe wird nämlich, wie Professor Dietrich Severin herausgefunden hat, nicht gleichmässig erhitzt, sondern es bilden sich heiße Spuren und Hotspots. Sie wandern von innen nach außen und verändern die Reibwerte. Bei hohen Temperaturen ist der Reibkoeffizient kleiner, bei niedrigen größer. Bessere Kühlung der Bremsscheiben schafft Abhilfe, ist aber nur eine Antwort auf die Frage nach der optimierten Bremse.

Die Forscher wollen noch an einer zweiten Stellschraube drehen: Wie werden die verschiedenen Materialien der Bremsbeläge den Temperaturen besser angepasst, damit sie sich nicht mehr unterschiedlich abnutzen? Ein Hinweis könnte die noch unerforschte Schicht geben, die sich nach einiger Zeit zwischen den Bremsklötzen und der Bremsscheibe bildet. An dieser Grenzschicht verbinden sich Stahlatome mit denen aus den Bremsbelägen. Das sind Metalle wie Kupfer und Eisenspäne, Keramiken und Graphite. Hier wird die mechanische Energie umgewandelt. Neben Wärme treten auch hörbare Schallschwingungen, chemische Reaktionen und mechanischer Verschleiss auf.

Tribologie 3: Bremsbeläge aus der Alchimistenküche