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Suprageschmierter Motor der Zukunft verpulvert weniger Energie

Zwei Experten stehen vor einer Laserbogen-Anlage mit einer Kohlenstoff-Quelle (ganz links im Bild) und begutachten kohlenstoff-beschichtete Bauteile. Foto: Jürgen Jeibmann für das Fraunhofer IWS Dresden

Zwei Experten stehen vor einer Laserbogen-Anlage mit einer Kohlenstoff-Quelle (ganz links im Bild) und begutachten kohlenstoff-beschichtete Bauteile. Foto: Jürgen Jeibmann für das Fraunhofer IWS Dresden

Fraunhofer Dresden arbeitet an Maschinen, die kaum noch Energie durch Reibung und Abwärme vergeuden

Dresden, 12. Oktober 2021. Damit Elektrofahrräder künftig mit einer Akkuladung weiter kommen als bisher und Industriemaschinen nicht mehr so viel Strom in Form von Reibung und Abwärme vergeuden, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern an nahezu reibungsfreien Motoren und Getrieben. Im Zuge der Verbundprojekte „Prometheus“ und „Chephren“ wollen die Forscher durch extrem harte Kohlenstoffbeschichtungen, die sie mit neuartigen Super-Schmierstoffen kombinieren, die Energie- und Ökobilanz von Autos und anderen Maschinen deutlich verbessern.

Dr. Volker Weihnacht. Foto: Fraunhofer IWS

Dr. Volker Weihnacht. Foto: Fraunhofer IWS

Forscher wollen Reibung fast völlig aus Maschinen verbannen

Die wirtschaftlichen, technischen und ökologischen Potenziale sind erheblich: Beim konsequenten Einsatz von „Supraschmierung“ in Motoren und Getrieben von Autos, Bussen und Lastkraftwagen sowie im allgemeinen Maschinenbau könnte der globale CO2-Ausstoß um mehrere Hundert Millionen Tonnen pro Jahr sinken, schätzen die Fraunhofer-Experten. Verschleißschäden sowie Wartungs- und Schmiermittelkosten würden sich deutlich verringern. „Technologische Fortschritte, insbesondere mit extrem gleitfähigen Kohlenstoffschichten, sollen endlich die Reibung fast vollständig aus technischen Systemen verbannen“, betont Dr. Volker Weihnacht, der am IWS die Abteilung für Kohlenstoffschichten leitet. „Wir wollen dabei besonders umweltfreundliche Schmierstoffe einsetzen. Miteinander kombiniert können diese Technologien einen wichtigen Beitrag leisten, damit Fahrzeuge und andere Maschinen effizienter arbeiten und weniger Ressourcen verschwenden.“

Hintergrund: „Laser-Arc“ und „Diamor“

Auf dem Weg zur Supraschmierung spielen extrem harte „Diamor“-Schichten auf Kohlenstoff-Basis eine Schlüsselrolle. Das IWS hat diese Technologie sowie die dafür nötigen Anlagen über viele Jahre hinweg entwickelt und verbessert. Dabei platziert der Maschinenbediener die Bauteile in Vakuumkammern von „Laser Arc“-Anlagen, die mit Vakuumlichtbögen arbeiten. Darin entzündet ein Laser an Graphit-Elektroden ein Plasma aus heißen Ionen und Elektronen. Elektrische und magnetische Felder lenken diese feine Wolke aus geladenen Kohlenstoffteilchen auf das Bauteil. Auf dessen Oberfläche entsteht dann eine wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünne Schicht aus „tetraedrisch amorphem“ Kohlenstoff, abgekürzt ta-C. Diese Schichten sind sehr hart und nach einer mechanischen Politur auch sehr glatt. Sie ähneln Diamanten – daher auch der Name „Diamor“.

Mit hartem Diamor beschichte Kolbenringe senken schon heute den Dieselverbrauch von Lkws. Diese kohlenstoffbasierte Beschichtungs-Technologie hat das Fraunhofer IWS in Dresden entwickelt und an den Anlagenbauer Vakuumtechnik Dresden (VTD) transferiert. Und das "Federal Mogul"-Werk Dresden setzt die Anlagen ein, um Kolbenringe zu härten und reibungsärmer zu machen. Foto: Fraunhofer IWS

Mit hartem Diamor beschichte Kolbenringe senken schon heute den Dieselverbrauch von Lkws. Diese kohlenstoffbasierte Beschichtungs-Technologie hat das Fraunhofer IWS in Dresden entwickelt und an den Anlagenbauer Vakuumtechnik Dresden (VTD) transferiert. Und das „Federal Mogul“-Werk Dresden setzt die Anlagen ein, um Kolbenringe zu härten und reibungsärmer zu machen. Foto: Fraunhofer IWS

Diese Technik ist auch bereits im Einsatz. Beispielsweise beschichtet „Federal Mogul“ in seinem Dresdner Werk die Kolbenringe für Lkw-Motoren mit Diamor. Laster mit solcher Technik verbrauchen etwa ein bis zwei Prozent weniger Kraftstoff als Fahrzeuge mit normalen Motoren. Auf Millionen Lkw weltweit hochgerechnet, ergibt das enorme finanzielle und ökologische Potenziale.

„Prometheus“-Tech für weniger Abgase vom „Verbrenner“

Das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Projekt „Reibungs-Optimierung von Motoren durch Einsatz von triboaktiven Hochleistungskohlenstoff- sowie Eisenbasisschichten und Schmierstoffen“ („Prometheus“) baut auf der Kohlenstoff-Schichttechnologie des IWS auf und zielt auf besonders effiziente ultraschmierende Motoren für Autos, Busse und Lastkraftwagen sowie sehr reibungsarme Gasmotoren. Die Partner im Konsortium repräsentieren daher auch einen breit gefächerten Ausschnitt der deutschen Industrie und industrienahen Forschung. Dazu gehören neben dem Konsortialführer Federal Mogul und dem Fraunhofer IWS beispielsweise BMW, MAN, MTU, Fuchs Schmierstoffe, VTD Vakuumtechnik Dresden und die TU Dresden.

Beschichtung könnte 520.000 CO2 einsparen

Das Konzept: Die Ingenieure versetzen die bereits reibungsarmen Diamor-Schichten im Motor zusätzlich mit Fremdatomen zum Beispiel aus Molybdän oder Bor. Dafür ersetzen sie beim Vakuumbogen-Verdampfen die bisherigen reinen Graphit- mit neuen Komposit-Elektroden. Im Motor verbinden sich die Dotiermaterialien dann chemisch mit speziellen Schmierstoffmolekülen und erzeugen im laufenden Betrieb ultraschmierende Grenzflächen. Im Vergleich zu heutigen Lösungen sollen sie die Reibung im Motor halbieren. Die Forschungsgruppe schätzt, dass reibungsärmere Motoren allein in Deutschland jährlich bis zu zwei Terrawattstunden Energie und damit rund 520.000 CO2 einsparen könnten. Das entspricht in etwa der Energie, die 800.000 Zweipersonenhaushalte in einem Jahr verbrauchen. Die ersten ultraschmierenden Prometheus-Motoren treiben voraussichtlich ab etwa 2025 Serienfahrzeuge an.

„Mit heutigen Schmierstoffen ist allerdings noch keine Supraschmierung in Verbrennungsmotoren möglich“, räumt Volker Weihnacht ein. „Aber wir sind zuversichtlich, dass sich das in Zukunft mit besonders umweltfreundlichen neuen Schmierstoffen auf Basis von Fettsäuren oder Wasser ändert.“

Hintergrund: Ultraschmierung und Supraschmierung

Durch „Ultraschmierung“ lassen sich die Reibungsverluste in Verbrennermotoren im Vergleich zum heutigen Stand der Technik halbieren. Der Reibungskoeffizient liegt dann zwischen 0,01 und 0,05. Das entspricht etwa der Reibung von ganz glattem Stahl, der auf Eis rutscht, wie beispielsweise beim Schlittschuh-Laufen.

Auf einer suprageschmierten Oberfläche kann selbst ein einzelner Mensch mühelos einen ausgewachsenen 5-Tonnen-Elefanten wegschieben. Grafik: Fraunhofer IWS

Auf einer suprageschmierten Oberfläche kann selbst ein einzelner Mensch mühelos einen ausgewachsenen 5-Tonnen-Elefanten wegschieben. Grafik: Fraunhofer IWS

Von „Supraschmierung“ sprechen Fachleute dagegen erst, wenn der Reibungskoeffizient unter 0,01 sinkt. Um das zu veranschaulichen, kann man sich einen fünf Tonnen schweren Elefanten vorstellen, der auf einer Platte steht. Ist diese suprageschmiert, könnte ein Mensch diesen Elefanten mühelos davonschieben.

„Chephren“: Auf dem Weg zur reibungsfreien Maschine

Das noch junge Verbundprojekt für die „Chemisch-physikalische Reduzierung der Reibungsenergie“ („Chephren“) geht noch einen Schritt weiter als Prometheus und zielt auf eine echte „Supraschmierung“ ab. Der Fokus liegt hier weniger auf Verbrennungsmotoren, sondern auf jeglichen technischen Systemen. Dazu gehören beispielsweise die Getriebe und Lager batterieelektrischer Autos und Fahrräder ebenso wie Antriebsketten von Mähdreschern oder die Vielzahl der beweglichen Komponenten in Werkzeugmaschinen. Um bis zur Supraschmierung vorzustoßen, wollen die Partner bessere Schmierstoffe einsetzen, vor allem aber die Qualität der Kohlenstoffschichten noch einmal deutlich verbessern. In Zukunft sollen diese Schichten selbst ohne Nachpolierschritte frei von Defekten und Unebenheiten sein.

Unerwünschte Kohlebröckchen im Plasmastrom sorgen noch für kleine Defekte

Bisher entstehen solche Rauheiten noch durch unerwünschte Nebeneffekte bei der Lichtbogenverdampfung: Neben dem feinen Plasma, das nur einzelne Ionen und Elektronen enthält, löst die Bogenentladung auch mikrometergroße Kohlenstoffstücke aus den Elektroden. Die erzeugen dann eine zwar mikroskopisch kleine, aber eben nicht superglatte Hügellandschaft auf dem Bauteil. Dagegen entwickelt das Fraunhofer IWS nun im Zuge des „Chephren“-Projekts neue Plasma-Superfilter: Statt das Plasma von der Elektrode direkt auf die Bauteile zu schießen, bewegt sich das entzündete Gemisch aus Plasma und Partikeln zunächst in eine andere Richtung der Vakuumkammer. Elektrische Felder lenken dann nur die geladenen Teilchen – eben die feinverteilten Ionen im Plasma – zum Ziel, während die größeren, ungeladenen Partikel in eine andere Richtung fliegen.

Ende der 2020er Jahre einsatzbereit

Etwa gegen Ende des Jahrzehnts sollen die supraschmierenden „Chephren“-Bauteile serienreif sein. Bereits jetzt ist das Interesse aus der Wirtschaft groß. Das lässt sich auch an der breiten Beteiligung am Verbundprojekt ablesen. Mit an Bord sind unter anderen BMW, Wittenstein SE, VTD Vakuumtechnik Dresden, IWIS München und Fuchs Schmierstoffe aus Mannheim sowie als Fördermittelgeber das Bundeswirtschaftsministerium.

Foto: Wältlagertechnik Dresden

Ein klassisches Wälzlager. Foto: Wälzlagertechnik Dresden

„Supraslide“: Supra-Gleitlager ersetzen komplizierte Wälzlager

In einem jüngst gestarteten Projekt „Supraslide“ wollen die Fraunhofer-Ingenieure die neue Supraschmier-Technologie konkret dafür einsetzen, um klassische Kugel- und Wälzlager durch supraschmierende Gleitlager zu ersetzten: Die sind sehr simpel aufgebaut – nämlich nur aus zwei Metallringen – und damit weit preiswerter und weniger defektanfällig als etwa Wälzlager. Als Einsatzszenarien sehen die Projektpartner beispielsweise Radaufhängungen in Robotern, Autos und anderen Maschinen.

Im Übrigen profitieren von der Supraschmierung nicht nur Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, sondern auch E-Autos: Auch sie haben nämlich Getriebe, Wälzlager und andere bewegliche Teile

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: IWS Dresden