Automobil

Der Porsche GT und der Cayenne haben sie schon – die meisten Fahrzeuge müssen noch ohne auskommen: intelligente Reifen, die nach »oben« melden, wie viel Luft in ihnen steckt. Jetzt gehen die Forscher aber noch weiter: Sie experimentieren mit Pneus, die sich auf alle Fahrsituationen einstellen und selbst regulieren.

Nur handtellergroß ist die Kontaktfläche eines Autoreifens mit der Straße. Wie gut oder schlecht er hier am Asphalt »klebt«, entscheidet mit, wie gut oder schlecht das Fahrzeug beschleunigt, bremst oder in Kurven die Spur hält. Obwohl von zentraler Bedeutung für Fahrverhalten und Sicherheit, birgt die Nahtstelle von Bitumen und Kautschuk für die Wissenschaftler »immer noch viele Unbekannte«, sagt Heiner Volk, Projektleiter »Intelligent wheel« beim deutschen Reifenhersteller Continental. Um diese »Terra incognita« zum Wohle und zur Sicherheit des Fahrers besser kennen zu lernen, wollen die Reifenhersteller den Pneu der Zukunft elektronisch aufrüsten: In den Gummi eingebaute Chips und Sensoren sollen während der Fahrt ins Cockpit melden, wie es dem Reifen »geht« – ob Gefahr von unten droht oder nicht. Die Einführung der Elektronik in den Reifen ist laut Michelin-Forschungsleiter Didier Miraton aus dem Clermont-Ferrand eine Revolution. Denn zum ersten Mal in seiner 115-jährigen Geschichte wird dem Pneu technische Intelligenz implantiert.

Während seiner bis zu 50000 Kilometer Laufleistung dreht sich der aus einem Textilkorsett und 50 Naturkautschuksorten, aus Asche, Silika (Siliciumverbindungen) und über 200 verschiedenen Chemikalien vulkanisierte Gummireifen über 25,5 Millionen Mal. Er muss bei Tempo 200 Fliehkräfte von über 1000 g ertragen, klaglos über Stock und Stein rollen – und immer drückt von oben die Last des Fahrzeugs, der Passagiere und des Gepäcks. Wie er mit all dem fertig wird, konnte man bisher nur erahnen. Künftig aber werden die Reifen dem Fahrer von allein melden, ob sie der Belastung noch gewachsen sind: Zwischen die Kautschuklagen eingeschweißte Sensoren und Chips mit winzigen Antennen informieren den Fahrer unablässig zum Beispiel darüber, wie hoch die Temperatur und der Luftdruck des einzelnen Reifens sind und wie viele Kilometer er bereits auf dem Gummi hat. Innerhalb von zwei Millisekunden werden 60 Bit von jedem einzelnen Rad drahtlos in den Zentralcomputer des Wagens gefunkt. Ob das Erreichen von kritischen Werten dann durch einen lauten Piepton oder durch eine blinkende Anzeige im Display am Armaturenbrett mitgeteilt wird, bleibt den Ergonomie-Experten der Autofirmen überlassen. Auf jeden Fall wird der Fahrer dank intelligenter Reifen immer wissen, wann sein Wagen überladen ist oder wann der Luftdruck den vorgeschriebenen Wert unterschreitet. Er muss dann für eine Verringerung der Last sorgen bzw. beim nächsten Tankstopp Luft nachfüllen.

Der Luftdruck ist eine entscheidende Kenngröße beim Auto – aber nicht jeder Fahrer kennt sie: Laut einer Umfrage wissen nur knapp zwei Drittel der männlichen und nur ein Viertel der weiblichen Piloten, mit wie viel Bar die Pneus ihres Wagens aufgepumpt sein müssen. Das ist fahrlässig, denn der Luftdruck entscheidet nicht nur über Spritverbrauch, Komfort und Verschleiß, sondern auch über Fahreigenschaften und Bremsweg. Die automatische Reifendruckanzeige via Sensor im Gummi könnte also eine große Zahl »vergesslicher« Autofahrer auf mögliche Gefahren aufmerksam machen. In Luxusautomobilen wie dem Porsche GT oder dem Geländewagen Cayenne gibt es sie bereits: Hier wird im Display der Reifendruck aller vier Räder angezeigt und auf Abweichungen hingewiesen.
Die intelligenten Reifen der Zukunft sollen sich sogar selbst regulieren. Drucksensoren im Gummi melden beispielsweise einen Unterdruck an den Zentralcomputer, der das bordeigene Nachfüllsystem aktiviert (solche Systeme gibt es bereits für Militärfahrzeuge und für LKWs und Busse in Ländern wie Brasilien, wo es vergleichsweise wenig Servicestationen gibt). Sofort wird Luft nachgeliefert, bis der Reifendruck auf seinen Normwert gestiegen ist. Wertvolle Hilfe kann das System auch leisten, wenn der Normdruck einmal ganz bewusst um ein Bar überschritten werden soll: Bei starkem Regen wäre der Bremsweg dadurch kürzer, und das Fahrzeug würde bei eingeschlagener Lenkung schneller reagieren.

Umgekehrt funktioniert die Sache ebenfalls: Wenn etwa bei langen Autobahnfahrten in großer Hitze durch die Reibung auf dem Asphalt die Temperatur im Reifen und damit der Druck steigt, lässt das System Luft aus den Pneus. Auch beim Fahren auf Schnee oder losem Untergrund sind durch Senkung des Luftdrucks von 2,5 auf 1,5 Bar »spektakuläre Fortschritte möglich«, wie Heiner Volk sagt: Bei Testfahrten sei der Bremsweg um 30 Prozent gesunken.

Die Herausforderung für die Entwicklungsingenieure liegt jetzt darin, das ganze System »intelligenter Reifen« so zu gestalten, dass – je nach Fahrsituation – ein blitzschneller Wechsel zwischen Erhöhung und Absenkung des Luftdrucks möglich wird. Wichtig wäre das bei den modischen Geländewagen, den SUVs (Sport Utility Vehicles): Sie nehmen Offroadpisten ebenso unter die Räder wie »schnelle« Autobahnen, auf denen sie leicht über 250 km/h erreichen – da bietet der Normluftdruck nicht überall die optimale Sicherheit und den besten Komfort. Die SUVs könnten auch deshalb die Pioniere des automatischen Nachfüllsystems für die Reifen sein, weil sie einen Teil der dafür notwendigen »Hardware« bereits an Bord haben: einen leistungsstarken Kompressor und einen Druckspeicher für die Luftfederung.

Wenn das automatische Nachfüllsystem serienreif ist, dürfte sein Preis bei einigen tausend Euro liegen. Auf etwa 200 Euro kommt ein anderes Charakteristikum des intelligenten Reifens: Seine Chips sollen auch die Kennung des Reifens ins Cockpit melden. So ist der Fahrer jederzeit informiert, ob er Sommerreifen aufgezogen hat – oder Winterreifen, mit denen er zum Beispiel nur maximal 190 km/h fahren darf.

Wichtiger noch: Die an den Zentralcomputer gefunkte Reifen-Kennung könnte auch die Wirkung aktiver Fahrhilfen wie das Antiblockiersystem ABS oder das Antischleuderprogramm ESP verbessern. ABS zum Beispiel ist auf Sommerreifen abgestimmt – es »weiß« nicht, dass Winterreifen bei 100 km/h (auf trockener Straße bei sechs Grad Celsius Außentemperatur) in der Regel ungefähr fünf Meter mehr Bremsweg haben. Wenn es aber vom Chip im Pneu mitgeteilt bekäme, dass der Wagen auf Winterreifen rollt, wäre ABS in der Lage, den Bremsweg um ein bis zwei Meter zu verkürzen. »Natürlich«, warnt Continental-Fachmann Volk, »wird mit dieser Anpassung aus dem Winterreifen kein Sommerreifen.« Dennoch: Die eingesparten Meter dank »IQ-Reifen« können entscheidend sein.

Weiter optimieren ließe sich die »Stotterbremse« ABS, wenn sie via gefunkter Reifen-Kennung weitere Merkmale der Pneus berücksichtigen könnte: etwa die Herstellerfirma, die Gummimischung oder das Laufflächenprofil. Aufgabe der Reifeningenieure ist es nun, zusammen mit Elektronikexperten in Messreihen möglichst viele solcher und anderer Merkmale zu sammeln und in maschinenlesbare Software für den ABS-Computer zu übersetzen. Dann wäre es möglich, individuell auf die Pneus zu reagieren, um – wie Volk schätzt – »zwischen einem halben und einem Meter« Bremsweg einzusparen.

Unter Laborbedingungen war sogar noch viel mehr drin: Auf dem Continental-eigenen Testgelände verkürzte der intelligente Reifen im Zusammenspiel mit dem ABS und regelbaren Dämpfern den bei Tempo 100 üblichen Bremsweg von 40 Metern auf sensationelle 30 Meter. Aber was technisch machbar ist, ist für den Auto-Alltag noch zu teuer.

Mehr versprechen sich die Entwickler für die nähere Zukunft von der Piezofolie, einem Sensor im Gummi, der die Verformung des Reifens während der Fahrt registriert. Wenn der Pneu über den Asphalt rollt, wirken Kräfte aus verschiedenen Richtungen auf ihn ein, etwa der Druck des Fahrzeugs, die Beschleunigungskraft beim Gasgeben, die Verzögerungskraft beim Bremsen und die Seitenführungskräfte bei der Kurvenfahrt. So verformt sich die Reifenflanke ständig – sie »walkt«. Dabei entsteht Reibungswärme, die die Piezofolie registriert.

Weil dieser Sensor in jedem Fahrzustand »weiß«, ob sich der Reifen gerade verformt, kann er beispielsweise bei starkem Regen vor Aquaplaning warnen. Wenn sich nämlich vor dem Pneu eine »Bugwelle« bildet, die von unten gegen den Reifen drückt, wird seine Lauffläche in charakteristischer Weise verformt; hat zur gleichen Zeit der Regensensor den Scheibenwischer ausgelöst, schließt der Bordcomputer messerscharf: Die Räder können jeden Moment aufschwimmen. Sofort leuchtet im Display des Armaturenbretts »Achtung, Aquaplaning!« auf. Geht der Fahrer umgehend vom Gas, kann er verhindern, dass der Wagen Wasserski fährt.

Das könnte auch ein Pneu leisten, von dem Heiner Volk ebenso träumt wie sein Michelin-Kollege Didier Miraton. Sie stellen sich einen »Aktuator-Reifen« vor, der sein Profil, von Sensoren gesteuert, automatisch an die wechselnden Straßen- und Witterungsverhältnisse anpasst. Bei Regen vergrößert er seine Profilrillen, damit mehr Wasser abfließt; beim Bremsen und Kurvenfahren auf Trockenkurs versteift er sein Profil und erhöht den Kraftschluss zur Straße.

Für den optimalen Grip in allen denkbaren Situationen haben auch andere Ingenieure Ideen entwickelt. So könnte während des Bremsens oder bei scharfer Kurvenfahrt von außen ionisiertes Gas auf die Reifenoberfläche gesprüht werden: Es verändert die Molekülstrukturen so, dass der Gummi rauer wird. Ein anderer Vorschlag zielt darauf ab, durch das Ein- und Ausschalten von elektromagnetischen Feldern chemische Sensoren in der Reifenmischung zu aktivieren: Sie könnten das Material bei Regenfahrten weicher machen und so den Kraftschluss mit der Straße erhöhen. Der Wechsel von hart auf weich ließe sich auch dadurch erreichen, dass sensorisch gesteuerte Magnetfelder die Molekülketten der Gummimischung je nach Bedarf verstärken oder lockern. Heute können Techniker nur das eine – entweder weiche oder harte Reifen vulkanisieren.

Wann sich das ändern wird, wann die Reifen so intelligent sind, dass unsere Autos mit bisher ungekannter Sicherheit auf dem Asphalt »kleben« – darüber kann man zurzeit nur spekulieren. Aber ein Heer von Forschern arbeitet fieberhaft am Reifen mit IQ – in acht bis zehn Jahren könnte er serienreif sein.