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Ungebremst Mit Supraschmierung gegen Reibungsverluste in Motoren

Redakteur: Peter Königsreuther

Wenn Systeme möglichst reibungsarm laufen können, spart das Energie, Treibstoff und CO2 ein. Dresdener Forscher stellen deshalb jetzt die Supraschmierung vor.

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Fraunhofer IWS Dresden
Auf dem besten Weg zur Supraschmierung von Motoren sind die Forschenden am Fraunhofer-IWU in Dresden. In deren Laser-Arctm-Anlagen entstehen dort etwa dünne Schichten auf Kolbenringen, die nach einer Politur äußert glatt sind.
Auf dem besten Weg zur Supraschmierung von Motoren sind die Forschenden am Fraunhofer-IWU in Dresden. In deren Laser-Arctm-Anlagen entstehen dort etwa dünne Schichten auf Kolbenringen, die nach einer Politur äußert glatt sind.
(Bild: J. Jeibmann / Fraunhofer-IWS)

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 Rahmen der Verbundprojekte „Prometheus“ und „Chephren“ wollen Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoffe und Strahltechnik IWS, durch verbesserte superharte Kohlenstoffbeschichtungen auf Motorkomponenten die Energie- und Ökobilanz von Fahrzeugen und anderen bewegten Maschinenelementen deutlich verbessern.

Beim konsequenten Einsatz einer 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.

Auch Verschleißschäden sowie Wartungs- und Schmiermittelkosten würden sich deutlich verringern. Insbesondere mit extrem gleitfähigen Kohlenstoffschichten sollen es sogar möglich werden, die Reibung fast vollständig aus diesen technischen Systemen zu verbannen. Das ist das Ziel von „Prometheus“.

Ultrageschmierte Serienautos in vier Jahren

Die Ingenieure versetzen dazu die bereits reibungsverringernden Diamor-Schichten im Motor zusätzlich mit Molybdän- oder Boratomen. Dafür ersetzen sie beim Prozess des sogenannten Vakuumbogenverdampfens die üblichen reinen Graphit- mit neuen Compositelektroden, heißt es. Im Motor verbinden sich diese Dotierungsmaterialien dann chemisch mit bestimmten Schmierstoffmolekülen und erzeugen im laufenden Betrieb ultraschmierende Grenzflächen, so die Erklärung.

Im Vergleich zu heutigen Möglichkeiten 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 Kilotonnen CO2 einsparen könnten. Das entspricht in etwa der Energie von 800 000 Zweipersonenhaushalten für ein Jahr, betonen die Forschenden vergleichend. Die ersten ultraschmierenden Prometheus-Motoren treiben voraussichtlich ab etwa 2025 Serienfahrzeuge an, so die Prognose.

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Es geht auch bei Maschinen und Anlagen

Das Projekt „Chephren“ erweitert die Einsatzmöglichkeiten von den Verbrennermotoren auf jegliche bewegte technische Systemen, machen die Dresdener klar. Dazu gehören etwa die Getriebe und Lager batterieelektrisch angetriebener Autos und Fahrräder sowie wie Antriebsketten von Mähdreschern oder die beweglichen Komponenten in Werkzeugmaschinen.

Um bis in den Bereich der Supraschmierung vorzustoßen, will man auch bessere Schmierstoffe einsetzen. Vor allem aber soll die Qualität der Kohlenstoffschichten noch einmal deutlich verbessert werden. In Zukunft sollen diese Schichten dann auch ohne Nachpolieren frei von Defekten und Unebenheiten sein. Etwa gegen Ende des Jahrzehnts sollen die supraschmierenden „Chephren“-Bauteile serienreif sein. Bereits jetzt ist das Interesse aus der Wirtschaft groß. Namhafte Player, wie BMW, VTD Vakuumtechnik, Wittenstein, Fuchs Schmierstoffe und andere.

Wo der Unterschied zwischen Ultraschmierung und Supraschmierung liegt

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.

Von Supraschmierung sprechen Experten 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.

Plasmasuperfilter sollen letzte Unebenheiten verhindern

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

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