Deutscher Zukunftspreis 2016 Mehr Licht, mehr Flexibilität, weniger Kraftstoff

Redakteur: Andrea Gillhuber

Ende November vergibt Joachim Gauck den letzten Deutschen Zukunftspreis seiner Amtszeit. Im Vorfeld wurden drei Forscherteams für den mit 250.000 Euro dotierten Technologiepreis nominiert: ein Laserlicht für Autos, eine Beschichtung für Motoren sowie der Verbundwerkstoff Carbon-Beton..

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Die "Angel Eyes" des BMW 7er - nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2016.
Die "Angel Eyes" des BMW 7er - nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2016.
(Bild: Ansgar Pudenz / Deutscher Zukunftspreis)

250.000 Euro winken dem Siegerteam des Deutschen Zukunftspreises, dem Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation. Mit ihm sollen Projekte gewürdigt werden, die ausgehend von Forschung zu anwendungs- und damit zu marktreifen Produkten führen. Der Preis gilt als wichtigste Wissenschaftsauszeichnung in Deutschland. Mit ihm soll das öffentliche Bewusstsein für die in Deutschland vorhandenen wissenschaftlichen und technischen Entwicklungspotenziale gestärkt und die Bedeutung enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Politik für die Zukunftsfähigkeit Deutschlands hervorgehoben werden. In diesem Jahr nominiert sind Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus Bayern, Baden-Württemberg und Sachsen. Den Gewinner kürt Joachim Gauck am 30. November 2016 im Schloss Bellevue.

Die Nominierten

Für den Deutschen Zukunftspreis nominiert sind folgende Teams:

Team 1: „Das faszinierende Material Carbon-Beton – sparsam, schonend, schön“

Forscher der TU Dresden entwickelten einen innovativen Beton-Verbundwerkstoff, der in Zukunft den bewährten Stahlbeton zunehmend ersetzten wird. Lesen Sie mehr auf der nächsten Seite.

Team 2: „Die Vision vom reibungslosen Antrieb – Beschichtung halbiert Energieverluste“

Ein neuartiges Verfahren zur Beschichtung des Kolben- und Zylinderlaufbahnsystems im Verbrennungsmotor haben Forscher und Entwickler von Daimler und der Gebrüder Heller Maschinenfabrik entwickelt. Das Energieeinsparpotenzial ist enorm. Für weitere Informationen klicken Sie bitte unten auf „Team 2“.

Team 3: „Laserlicht im Auto – mit Sicherheit und Weitblick in die Zukunft“

BMW und Osram entwickelten ein scharf gebündeltes und intensives weißes Laserlicht, das die Scheinwerfer in Automobilen revolutionierte. Lesen Sie mehr auf einer der nächsten Seiten.

Er ist widerstandsfähiger als Stahlbeton und zugleich flexibler: der neue Beton-Verbundwerkstoff, den Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach, Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Chokri Cherif und Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Offermann von der TU Dresden entwickelt haben. Die drei Forscher ersetzten die korrosionsanfälligen Stahlbewehrungen in Stahlbeton mit einem Gelege aus feinen Kohlenstoff-Fasern. Der Carbon-Beton ist langlebig, umweltschonend und vielfältig einsetzbar.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Das Material Carbon-Beton“
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Bisher wird die Lebensdauer von Stahlbeton mit rund 40 bis 80 Jahre angegeben. Experten gehen daher davon aus, dass in den nächsten Jahren rund 120.000 Brücken in Deutschland saniert werden müssen. Dadurch entstehen Kosten in Milliardenhöhe. Wird der Stahlbeton durch den neuen Carbon-Beton ersetzt, könnte teure Reparaturen in Zukunft vermeiden werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Verbundwerkstoffs ist die flexible Formbarkeit der Kohlenstoff-Fasern, welche eine filigranere Bauweise erlauben. Eine Eigenschaft, die den Carbon-Beton auch für die Instandsetzung und Rettung baulich bedrohter Häuser, Brücken oder Masten interessant macht: Seit 2006 konnten durch das Aufbringen einer dünnen Schicht des Verbundwerkstoffs die Lebensdauer von Bauwerken deutlich verlängert werden. Auch kann mit dem neuen System Ressourceneffizienter gebaut werden. So sind beispielsweise Fassadenplatten, die in Stahlbeton-Bauweise eine Dicke von 8 cm vorweisen, nur noch 2 cm dick. Zudem können die neuartigen Module mit Zusatzfunktionen wie Dämmen, Heizen oder Überwachen ausgestattet werden – der Carbon-Beton als Teil einer vernetzten Welt.

Forschungsprojekt soll Nutzen beweisen

Deutschland ist weltweit führend bei der Erforschung von Grundlagen und Anwendungen des revolutionären Baustoffs. Ein 2014 gestartetes Forschungsprojekt soll die führende Rolle festigen und ausbauen. An dem Projekt „C3 – Carbon Concrete Composite“ beteiligen sich rund 140 Institute und Unternehmen; das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert es mit 45 Mio. Euro, 25 Mio. Euro stammen aus Eigenmitteln. Konsortialführer ist die TU Dresden, Vorsitzender ist Manfred Curbach. Die Forscher möchten damit Carbon-Beton den Weg in den Markt ebnen und die Basis für einen breiten Einsatz in der Baubranche legen. Das Potenzial ist nicht zu verachten: Weltweit werden etwa 160 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr zum Bewehren von Beton genutzt, in Deutschland rund vier Millionen Tonnen. Ziel ist es, dort in den nächsten zehn Jahren rund 20 Prozent des Stahls durch Carbon zu ersetzen.

Dass Verbrennungsmotoren auch in Zukunft eine große Bedeutung spielen und nicht durch die Elektromobilität obsolet werden, zeigt die Nominierung für das zweite Forscherteam: Daimler und der Gebrüder Heller Maschinenfabrik ist es gelungen, die Reibungsverluste im Antriebsaggregat signifikant zu verringern. Das Team nahm dafür das Kolben- und Zylinderlaufbahnsystem ins Visier, welches für rund 50 % der Reibungsverluste im Motor verantwortlich ist. Für die Zylinderlauffläche von Kurbelgehäusen aus Aluminium entwickelten sie ein Beschichtungsverfahren, mit dem sich die Reibung verringern lässt. Die Reibungsverluste im Motor stehen für rund ein Viertel des Kraftstoffbedarfs eines Verbrennungsmotors. Zwar lässt sich Reibung im Motor nie ausschließen, doch das von den drei Forschern entwickelte Nanoslide-Verfahren reduziert die Reibung.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Vision vom reibungslosen Antrieb
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Aber von Anfang: Ein Trend in der Automobilbranche geht in Richtung Leichtbau. Daher wird auch in der Motorenentwicklung auf das Leichtmetall Aluminium gesetzt. Zwar werden die Kurbelgehäuse in Verbrennungsmotoren aus Aluminium hergestellt, doch mussten sie bislang mit einer Buchse aus Grauguss oder Aluminium-Silizium-Legierung als Laufbahn für die Zylinder versehen werden. Das Nanoslide-Verfahren macht die zusätzliche Buchse überflüssig.

Bei dem Verfahren wird eine ein Zehntelmillimeter dünne Gleitschicht auf die Innenwand des Aluminium-Zylinders aufgebracht. Zwei Drähte aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung erzeugen dafür einen Lichtbogen, in dem sich Metalltröpfchen bilden. Mithilfe eines Stroms aus Stickstoff-Gas werden die Tröpfchen zerstäubt und an die Zylinderwand gelenkt. Dort verfestigen sie sich und bilden Poren im Nanometerbereich. Diese stellen Ölreservoirs dar, die bei der Endbearbeitung freigelegt werden. Danach bildet die Schicht eine spiegelglatte Oberfläche, die nur einen sehr geringen Reibungswiderstand bietet. Ein weiterer Vorteil: der Verschleiß hält sich in Grenzen.

Nutzen der neuen Technologie

Im Vergleich zum herkömmlichen Herstellungsverfahren reduzieren sich die Reibungsverluste im Kolben- und Zylinderlaufbahnsystem durch Nanoslide auf die Hälfte. Dadurch verringert sich der Kraftstoffbedarf eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor um mindestens 3 %. Laut einer Studie könnten mit der neuen Technologie die CO2-Emissionen pro Jahr um bis zu 50 Millionen Tonnen verringert werden.

Licht ist nicht gleich Licht, das weiß jeder Autofahrer. Und auch die Automobilhersteller. Deshalb haben sich Osram und BMW zusammengefunden und ein neues Fernlicht entwickelt, dass bei Dunkelheit eine ebenso gute Sicht auf die Straße ermöglicht wie bei Tageslicht. Das Ergebnis: eine Laserlichtquelle mit scharf gebündeltem weißem Lichtstrahl mit hoher Intensität.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Laserlicht im Auto
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Aber zuerst galt es ein Paradoxon zu lösen: Ein Laserstrahl ist eine fast punktförmige, aufgrund einer bestimmten Frequenz nur einfarbige Lichtquelle, weißes Licht besteht aber aus mehreren Farbe. Die Forscher lösten es mit einem noch nicht industriell realisierten Trick, indem sie das ein Licht eines blau leuchtenden Lasers auf eine spezielle Keramik fokussierten, die ein Teil davon in gelbes Licht umwandelt. Durch das Mischen von blauen und gelben Lichtanteilen konnten sie einen engen weißen Lichtpunkt erzeugen, dessen Durchmesser dem des ursprünglichen Laserstrahls beinahe entsprach.

Die spezielle Keramik für die Luftumwandlung wird bei 2000 °C gebrannt und wurde von Osram entwickelt. Diese hält nun auch dem intensiven blauen Laserstrahl stand, ohne zu stark zu erhitzen und so die nötige Lichtwandlung unmöglich zu machen. Außerdem wurden sämtliche Prozess und Anlagen zur Herstellung der Lichtquelle nach den Automobil-Standards entwickelt und validiert.

Erfolgreiche Markteinführung

Im Juni 2014 kam die Lichtquelle dann im BMW i8 auf den Markt – ergänzt durch ein Sicherheitssystem, welches das Laserlicht bei Störungen oder einem Unfall automatisch abstellt, um das menschliche Auge durch das schädliche blaue Laserlicht nicht zu verletzen. Das erste Großserienfahrzeug mit der neuen Scheinwerfertechnik wurde dann auf der IAA im September 2015 vorgestellt, der neue 7er. Zum Vergleich: Der intensiv leuchtende Laser-Scheinwerfer reicht rund 600 Meter weit und ergänzt ein konventionelles LED-Fernlicht, das die Straße bis zu 300 Meter ausleuchtet. Der blendfreie Fernlichtassistent sorgt dafür, dass entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge aus dem Lichtkegel ausgeblendet und nicht durch den Lichtstrahl geblendet werden.

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