Leistung und Leichtbau

Werkstoffe

Kunststoffe - Die Umsetzung der künftigen individuellen Elektromobilität erfordert komplett neue Produkt- und Fertigungslösungen. Der Einsatz von Polymerwerkstoffen eröffnet hier eine Vielzahl neuartiger Möglichkeiten.

12. Dezember 2012

Eine wesentliche Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Elektrizität als Energiequelle für den Indivualverkehr ist ein grundlegender Wandel der Antriebe, des Designs und der Werkstoffe im Fahrzeugbau. Bis sich die leisen, umweltschonenden Fortbewegungsmittel breit etablieren können, müssten deshalb noch zahlreiche Probleme gelöst werden, sagt Herbert Radunz, Leiter Industrial Marketing Automotive bei dem Werkstoffspezialisten Bayer MaterialScience in Leverkusen: »Es reicht nicht, Verbrennungsmotor und Tank einfach gegen Elektromotor und Batterie auszutauschen; die Menschen wollen auch längere Strecken ohne ständige Tankstopps zurücklegen.«

Radunz erwartet deshalb langfristig grundsätzliche Veränderungen im Materialeinsatz und Produktionsprozess durch völlig neue Fahrzeugkonzepte. Die Bayer-Forscher entwickeln dazu unter anderem neue Werkstoffe, mit denen sich die Reichweite von Elektrofahrzeugen vergrößern lässt. Die entscheidenden Faktoren dafür sind eine Steigerung der Batterieleistung sowie eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts, weil heutige Akkus noch lange nicht die Speicherkapazität für den vom Verbrennungsmotor gewohnten Fahrkomfort bieten und zudem noch viel zu schwer sind.

So benötigt ein Elektroauto für eine Reichweite von 150 Kilometern ein Batteriepaket mit einem Gewicht von bis zu 200 Kilogramm, während ein durchschnittliches Fahrzeug mit Benzin-Verbrennungsmotor für die gleiche Strecke lediglich etwa fünf Kilogramm Kraftstoff verbraucht. Für eine größere Reichweite müssen die Elektroautos also leichter werden, schließlich kann eine leichte Karosserie nicht nur das Gewicht der Batterie ausgleichen, sondern sie ermöglicht auch den Einsatz kleinerer Batterien, weil so insgesamt weniger Masse bewegt werden muss.

Ein wesentlicher Schritt zur Gewichtsersparnis im Fahrzeugbau ist ein weitgehender Ersatz metallischer Werkstoffe für die Karosserie durch Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polyurethan. »Karosserieteile aus Polyurethan wiegen weit weniger als Stahl, etwa halb so viel wie Aluminium, schützen aber die Insassen bei einem Crash trotzdem optimal«, erklärt Jörg Palmersheim, bei Bayer MaterialScience der Experte für Anwendungen von Polyurethan im Auto, wo der Kunststoff heute bereits in Stoßfängern, Kotflügeln und Türschwellern zum Einsatz kommt.

Doch damit sind dessen Einsatzmöglichkeiten noch nicht erschöpft, verrät Palmersheim: »Wir arbeiten daran, sogar ganze Autodächer aus Polyurethan zu fertigen.« Besonders robust sind Kunststoffe, wenn sie mit Kohlenstofffasern verstärkt werden. Mit solchen Kohlefaser-Verbundkunststoffen, kurz CFK genannt, können Autobauer gegenüber Stahl bis zu 80 Prozent Gewicht sparen.

In der Formel1 bewährt sich das Material daher schon lange als Werkstoff für die Sicherheitszelle, die dort schon vielen Fahrern beim Crash das Leben gerettet hat. Künftig könnten deshalb auch die Fahrgastzellen von Pkws aus CFK gefertigt werden, und zwar unabhängig von der benutzten Antriebstechnologie, denn auch bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren senken Leichtbauideen den Kraftstoffverbrauch.

Innovationen erfordere der vermehrte Einsatz von Kunststoff im Karosseriebau aber auch bei den Fertigungsprozessen, speziell bei der Verbindungstechnik, sagt Dr. Lothar Kahl, der bei Bayer Material Science verantwortlich ist für Lack- und Klebstoffaktivitäten im Bereich Automobil ist, und prognostiziert: »Künftig wird noch mehr geklebt statt verschweißt oder genietet.« Die Bayer-Entwickler arbeiten deshalb auch an umweltfreundlichen Hochleistungsklebstoffen für Kunststoffbauteile.

Daneben reduzieren Kunststoffe auch den Energieverbrauch für die Lackierung der Karossen, die für einen Großteil des Energieverbrauchs in der Automobilproduktion verantwortlich ist, weil die Lacke bei Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius ausgehärtet werden. Mit Kunststofflacken auf Polyurethanbasis lässt sich die geforderte Qualität dagegen bereits bei 80 Grad Celsius erreichen.

Mehr Strom durch Nanotechnik

Auch für die Batterietechnik bieten die Werkstoffspezialisten einen innovativen Ansatz. So lässt sich mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sogenannten Carbone Nanotubes oder CNT, die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verlängern. Diese Moleküle aus wabenartig vernetzten Kohlenstoffatomen sind etwa zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar, aber besonders stabil und besitzen einen extrem geringen elektrischen Widerstand. Damit eignen sie sich als schützende Beschichtung der Graphitelektrode, in der die Lithium-Ionen im geladenen Zustand der Batterie lagern.

Mit der Zeit entstehen in der Elektrode jedoch üblicherweise kleine Risse, die den elektrischen Kontakt unterbrechen, sodass die Kapazität und damit die Speicherfähigkeit der Batterie sinkt, erklärt Dr. Daniel Rudhardt aus der CNT-Gruppe bei Bayer MaterialScience und fährt fort: »Durch ihre längliche Form legen sich die Kohlenstoffröhrchen wie Spaghetti um die Grafitelektrode und sorgen für einen sicheren Stromfluss, selbst wenn es kleine Beschädigungen gibt.« Die Bayer-Experten ersetzen deshalb einen Teil des Grafits durch Nanoröhrchen, die zudem mehr Lithium-Ionen aufnehmen können als Graphit, weil sie durch ihre dreidimensionale Röhrenform den Ionen eine größere Oberfläche bieten. Bei gleichem Gewicht speichert der Akku so mehr Energie.

Wärmeisolation ist wichtig

Ein Problem bereitet bei Elektrofahrzeugen jedoch auch die energieeffiziente Klimatisierung des Fahrgastraums, da ein Elektroantrieb aufgrund seines hohen Wirkungsgrades im Vergleich zum Benzinmotor kaum verwertbare Wärme produziert. Die Autoingenieure müssen also neue Ideen entwickeln, damit Heizung und Klimaanlage nicht zu viel des wertvollen Batteriestroms verbrauchen.

Eine denkbare Lösung ist es, das Fahrzeuginnere schon während des Ladevorgangs an der Ladestation auf eine angenehme Temperatur zu bringen, die dann während der Fahrt durch eine verbesserte Dämmung erhalten bleibt. Die Schwachstelle dieser Idee sind jedoch die Fenster, wie Volkhard Krause erklärt, der Leiter des Teams für Automobilverscheibung bei Bayer Material-Science: »Über das Glas heizt sich der Innenraum des Autos im Sommer schnell auf, im Winter geht über die Scheiben Wärme verloren.« Als Alternative entwickeln die Bayer-Werkstoffexperten deshalb Dachmodule aus dem transparenten Polycarbonat-Kunststoff Makrolon, der eine signifikant bessere Wärmedämmung aufweist als Glas und zudem weiter zur Gewichtsreduzierung beiträgt.

Verbesserungspotenzial verspricht der Einsatz dieser Kunststoffe auch für die Konstruktion der Ladesäulen an den künftigen Strom-Tankstellen, die heute noch überwiegend aus Metall bestehen. Hier ermöglicht der Einsatz von Makrolon zum einen eine störungsfreie drahtlose Kommunikation zwischen Fahrer und Ladestation über RFID- und Handy-NFC-Systeme. außerdem widersteht der Kunststoff nicht nur Minusgraden, Wind und Regen, sondern bietet auch Schutz gegen Vandalismus und gewährt zudem eine große Designfreiheit für einen flexiblen, modularen Aufbau der Ladestationen, etwa für die parallele Aufladung von Elektrofahrrädern, die zum Beispiel in den Niederlanden weit verbreitet sind.

Auf einen Blick

Mit einem Umsatz von 10,2 Milliarden Euro (2010) gehört Bayer Material Science zu den weltweit größten Polymer-Unternehmen. Schwerpunkte des Unternehmens aus dem Bayer-Konzern sind die Herstellung von Hightech-Polymerwerkstoffen und die Entwicklung innovativer Lösungen für die unterschiedlichsten Branchen wie zum Beispiel die Automobil-, die Elektro-/Elektronik- sowie die Bau- oder die Sportartikelindustrie.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2013