Autos auf Diät

Leichtbau-Ingenieure setzen auf Pflanzenfasern

09.12.2013 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Leichtbau liegt in der Automobilbranche voll im Trend. Für die Karosserie sind vor allem leichte Metalle aus Alu und Karbon beliebt. Neuerdings gehen auch Verbundstoffe aus Pflanzenfasern ins Rennen. (Quelle: © Mickey Hoo / Fotolia.com)
Leichtbau liegt in der Automobilbranche voll im Trend. Für die Karosserie sind vor allem leichte Metalle aus Alu und Karbon beliebt. Neuerdings gehen auch Verbundstoffe aus Pflanzenfasern ins Rennen. (Quelle: © Mickey Hoo / Fotolia.com)

Der Wunsch nach Komfort und Sicherheit lassen unsere Autos immer fetter werden. Um den Spritverbrauch zu drosseln, suchen Ingenieure deshalb nach neuen, besonders leichten Materialien. Mit Bauteilen aus Pflanzenfasern sollen Autofahrer zukünftig rundum nachhaltig unterwegs sein.

Schwerer, länger, breiter. Moderne Autos sind schweres Gerät. Wog ein Mittelklassewagen Ende der Siebziger Jahre noch weniger als eine Tonne, bringen ihre Urenkel über 1.500 kg auf die Waage. Viele kleinere Modelle haben ihr Gewicht sogar verdoppelt. Dass unser fahrbarer Untersatz immer schwerer wird, liegt auch an den großzügigeren Abmessungen und den gestiegenen Sicherheitsanforderungen. Zusätzlich werden immer mehr Motoren für Komfort-Features, wie elektrische Fensterhebel und Sitzverstellungen eingebaut. Ein durchschnittlicher PKW schleppt bis zu 150 kg an Extras mit sich herum und verbraucht allein dadurch einen halben Liter mehr Sprit.

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Die meisten der heutigen Klein- und Mittelklasse Wägen bringen über eine Tonne auf die Waage.

Die meisten der heutigen Klein- und Mittelklasse Wägen bringen über eine Tonne auf die Waage.

Bildquelle: © Giovanni Cancemi / Fotolia.com

Abspecken mit Aluminium und Co

Damit der Spritverbrauch wegen des Zusatzgewichtes nicht gänzlich durch die Decke geht, sind leichte Materialien in der Automobilbranche voll im Trend. Statt Stahl kämpfen jetzt Aluminium, neue Stahllegierungen, Magnesium und Karbon (Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, CFK) um die Gunst der Autohersteller.

Die leichten Materialien wirken sich positiv auf die Energiebilanz aus und sorgen für kürzere Bremswege. Aus ökobilanzieller Sicht bringen sie jedoch auch Nachteile mit sich: Die Herstellung von Aluminium ist energieaufwendig und hat eine schlechte CO2-Bilanz. Karbon ist nur halb so schwer wie Aluminium und erheblich stabiler. Aber das Recycling ist weitestgehend ungelöst und die Herstellung ist sehr teuer. Für die Produktion von Serienmodellen spielen Karbonkarosserien daher nur eine untergeordnete Rolle. Verbundstoffe aus Kunststoffen, wie z.B. leichte, durchsichtige Polycarbonat-Blends können schweres Glas ersetzen. Auch sie sind erdölbasiert und belasten die knapper werdenden Ölressourcen und das Klima.

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Bildquelle: © Pflanzenforschung.de

Nachhaltig unterwegs

Auf der Suche nach leichten Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen ist der Blick der Automobilhersteller daher schon längst auf die Pflanzen gefallen. In über der Hälfte aller Autos werden mittlerweile für die Innenraumverkleidungen, Ablagen und Armaturen Verbundstoffe verwendet, die mit natürlichen Fasern aus Flachs, Kokos, Hanf oder Sisal verstärkt sind. Diese sind sehr leicht, reißfest und haben gute Dämpfungseigenschaften. Auch mit Fasern aus der Meerrettichwurzel wird experimentiert. Aufgrund ihrer Hohlstruktur sind Meerrettichfasern extrem leicht und haben zugleich eine höhere Festigkeit als andere Naturfasern.

Aus ökologischer Sicht sprechen vor allem zwei Gründe für den Einsatz von Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) beim Auto: Sie wachsen nach und sind biologisch abbaubar. Besonders bei Elektroautos geht der Trend zum „nachhaltigen Design“ mit leichten Hölzern, biobasierten Kunststoffen und NFK-Verkleidungen im Innenraum.

Wie nachhaltig die Pflanzenfaserwerkstoffe tatsächlich sind, hängt jedoch auch von der der Art der Nutzpflanze ab. Denn Import und die Folgen des Anbaus für Flächennutzung und Ökosysteme, sind mit entscheidend für die Gesamtökobilanz.

Go Go Rennpappe!

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Die Karosserie des Bioconcept Cars besteht aus mit Harz getränkten Flachsmatten. Sie ist nicht einmal halb so schwer wie die entsprechenden Konstruktionen aus Stahl.

Die Karosserie des Bioconcept Cars besteht aus mit Harz getränkten Flachsmatten. Sie ist nicht einmal halb so schwer wie die entsprechenden Konstruktionen aus Stahl.

Bildquelle: © kav777 / Fotolia.com

Die Vorteile der Pflanzenfaser-Werkstoffe wollen Leichtbauingenieure jetzt auch für die Auto-Außenhaut nutzen. Bei einigen, wenigen Herstellern wird der Unterboden schon serienmäßig im Fließpressverfahren mit Abacáfasern verstärkt.

Vor allem der finanzstarke Rennsport ist, was den Verbau von Pflanzenfasern angeht, ein echter Vorreiter. Statt aus Metall bestehen die Karosserien einiger Modelle bereits aus pflanzenfaserverstärkten Werkstoffen. Dazu werden Flachsmatten mit Bioharz getränkt und im Ofen ausgehärtet. Ein ähnliches Prinzip wurde übrigens schon beim ostdeutschen Trabant angewandt, dessen Außenhaut aus mit Phenolharz gebundenen Holz- und Baumwollfasern bestand.

Beim aktuellen Forschungsprojekt Bioconcept Car besteht nicht nur die Karosserie aus solchen pflanzenfaserverstärkten-Verbundstoffe. Unter der Motorhaube wurden außerdem biobasierte Kunststoffe verbaut. Der Aufbau wiegt dadurch nicht einmal halb so viel wie die entsprechenden Bauteile aus Stahl. Mit dem Projekt wollen Wissenschaftler zeigen, dass die neuen, pflanzenbasierten Materialien nicht nur Rennpappe sind, sondern auch die hohen Belastungen des Rennsports aushalten. Denn bisher gelten die NFK als Materialgruppe als nicht „schlagfest“ genug, um stark beanspruchte Autoteile, wie eine Karosserie aus NFK in Serie zu produzieren. Ein weiterer Nachteil ist das sie leicht entflammbar sind. Der Crashtest zeigt jedoch auch positive Eigenschaften: Beim Unfall verhalten sich Pflanzenfasern „freundlicher“ als z.B. Glas- oder Karbonfasern, die gefährlich splittern und mit scharfen Kanten brechen.

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Oben: Entwicklung verzweigter bionischer Faserverbünde nach dem Vorbild des Drachenbaums. Unten: Der Technische Pflanzenhalm ein struktur- und gewichtsoptimierter bionisches Faserverbundmaterial (mitte), und zwei der biologischen Vorbilder (Pfahlrohr, links & Schachtelhalm, rechts). Der Technische Pflanzenhalm wurde als Kooperationsprojekt zwischen der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg und dem ITV Denkendorf entwickelt und patentiert.

Oben: Entwicklung verzweigter bionischer Faserverbünde nach dem Vorbild des Drachenbaums. Unten: Der Technische Pflanzenhalm ein struktur- und gewichtsoptimierter bionisches Faserverbundmaterial (mitte), und zwei der biologischen Vorbilder (Pfahlrohr, links & Schachtelhalm, rechts). Der Technische Pflanzenhalm wurde als Kooperationsprojekt zwischen der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg und dem ITV Denkendorf entwickelt und patentiert.

Bildquelle: © Plant Biomechanics Group Freiburg.

Bauen nach dem Vorbild Pflanze

Tragende Teile, wie die Vorderachsen, aus Pflanzenfasern herzustellen, ist derzeit noch Zukunftsmusik. Pflanzenfasern sind zwar relativ reißfest, halten aber nur wenig Druck aus. Trotzdem steckt in fast jedem modernen Auto ein gutes Stück Pflanzenarchitektur. Faseranordnung, -Winkel und -Dichte entscheiden auch bei Glas- und  Karbonfasern über die Belastbarkeit des Materials.

Ingenieure suchen daher gerne nach natürlichen Vorbildern, deren Strukturen sich bereits bewährt haben. Ideengeber für eine kürzlich patentierte, leichte Vorderachse waren z. B. Drachenbaum und Yucca Palme. Deren Fasern, so entdeckten Botaniker der Plant Biomechanics Group Freiburg, sind so angeordnet, dass sie immer auf Zug statt auf Druck belastet werden. Durch clevere Anordnung und Umlenkung von Kräften kann dadurch maximale Stabilität erreicht werden. Auch die Faser-Verzweigung in der neuartigen Vorderachse wurde von den Pflanzen abgeschaut, so dass sie ganz ohne Verbindungs- und Schweißstellen auskommt.

Für Innenausstattung, Reifen und Karosserie gibt es bereits vielversprechende alternative Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen. Fahrbare Untersätze zukünftig ganz auf dem Acker zu ziehen, liegt jedoch noch in weiter Ferne. Die hohe Sicherheits- und Brandschutznormen im Hightechbereich lassen sich derzeit nicht hundertprozentig mit pflanzenbasierten Materialen erfüllen.

Vielleicht wird das eigene Auto im Jahre 2050 ohnehin passé sein, wenn man einer aktuellen Prognose des Frauenhofer Institutes glauben darf. So oder so wird der der Mensch auch in Zukunft mobil bleiben und dank pflanzlicher Rohstoffe trotzdem nicht auf Luxus und Sicherheit verzichten müssen, um spritsparend ans Ziel zu kommen.

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