Kohlenstoff

Im Kampf gegen die Klimaerwärmung wird viel über Energieerzeugung und effiziente Energieverwendung diskutiert. Wenigen ist dabei bewusst, was für eine große Rolle die Reibung spielt. Ein Fünftel des gesamten Energieverbrauchs weltweit wird für die Überwindung von Reibung aufgewendet, etwa damit sich mechanische Bauteile in Maschinen bewegen können. Hier können laut Wissenschaftern signifikante Verbesserungen erzielt werden, um den Energieverbrauch und damit einhergehende CO2-Emissionen zu senken.

Verlustreicher Transport Tribologie nennt sich das Forschungsgebiet, das sich mit Reibung, Verschleiß und Schmierung beschäftigt. Reibung bedeutet, wie viel Kraft aufgewendet werden muss, um in Kontakt stehende Teile gegeneinander zu verschieben. Eine wichtige Aufgabe der Tribologie ist, Lösungen zu erarbeiten, um Reibungsverluste zu minimieren. Besonders groß sind solche Reibungsverluste im Transportbereich. Sie betragen bei Pkw und Lkw im Schnitt ein Drittel der aufgewendeten Energie.

„Ein Verbrennungsmotor besteht aus einer großen Zahl mechanischer Komponenten, die gegeneinander bewegt werden: Kolben gegen Zylinder, Kurbelwelle gegen Gleitlager, Steuerketten gegen Zahnräder. Alle diese Teilsysteme produzieren Reibungsverluste“, erklärt Nicole Dörr, die wissenschaftliche Leiterin

In Verbrennungsmotoren bewegen sich viele Teile und reiben aneinander. Das führt zu Energieverlusten, die sich durch neue Technologien aber reduzieren lassen des Tribologie-Kompetenzzentrums AC2T Research in Wiener Neustadt.

Laut einer finnisch-amerikanischen Studie werden jedes Jahr 200 Milliarden Liter Benzin und Diesel für die Überwindung der Reibung in Autoantrieben verbrannt. Mit neuen Technologien sei es langfristig möglich, die Reibungsverluste um die Hälfte und mehr zu reduzieren. Dadurch könnten 960 Millionen Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr vermieden werden.

Gleitende Oberflächen Geforscht wird etwa an neuen Geometriedesigns für Maschinenteile, die günstigere Kontaktsituationen ergeben, meint Dörr. „Außerdem werden neue Werkstoffe entwickelt und Strukturierungen auf den Oberflächen. Dabei kommen auch Nanotechnologien zum Tragen.“Viel Potenzial wird u. a. Graphen zugeschrieben (siehe rechts).

Ein großes Forschungsgebiet seien freilich auch Schmierstoffe. Dörr: „Bei bestimmten Anwendungen ist eine gewisse Mindestreibung erforderlich. Deshalb geht es nicht immer um Reibungsreduktion, sondern generell um Reibungskontrolle.“In einer Kupplung sollte man die Reibung durch ein Schmieröl etwa nicht allzu sehr reduzieren. Bei anderen Anwendungen strebe man hingegen nach „Superschmierfähigkeit“. Um den hohen Energieaufwand im Transportbereich in den Griff zu bekommen, wäre eine Abkehr von Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen notwendig. „Ein Elektromotor weist wesentlich weniger bewegte Teile auf“, meint Dörr. Während mit konventionellen Antrieben 21,5 Prozent der Energie im Treibstoff in Bewegung umgewandelt wird, seien es bei E-Fahrzeugen 77 Prozent.

Reibung im Haushalt Energieverluste durch Reibung gibt es auch in anderen Bereichen. In der Industrie und Energieerzeugung liegen sie bei etwa 20 Prozent, im

Haushaltsbereich bei rund zehn Prozent. Wo gibt es Reibung im Haushalt? „Überall, wo es bewegte Systeme gibt“, sagt Dörr. Etwa in Küchengeräten, Waschmaschinen oder Kühlschränken.

Bei diesen Anwendungen liege das Hauptaugenmerk aber weniger auf Energieeffizienz der mechanischen Komponenten, sondern auf Zuverlässigkeit durch geringen Verschleiß. Bei Emissionseinsparungen solle grundsätzlich nicht nur die Reibung, sondern auch in anderen Bereichen erzielbare Energieeinsparungen betrachtet werden, etwa effiziente Isolierung oder eine längere Lebensdauer von Produkten.

Graphen

Das Material aus einer Schicht Kohlenstoffatome wird von Tribologen intensiv erforscht. Das ebenfalls aus Kohlenstoff bestehende Material Graphit gilt nämlich als guter Schmierstoff. Damit beschichtete Oberflächen gleiten mit wenig Reibungswiderstand aneinander ab

Diamant

Diamant gilt als das härteste Material der Welt. Spezielle diamantartige Beschichtungen bieten also einen guten Schutz für Bauteile. Werden sie aneinander gerieben, wird ein Teil der Oberfläche zu Graphit