Auto/Motor

»Prometheus« und »Chephren«: Fraunhofer IWS arbeitet an Maschinen, die
kaum noch Energie als Abwärme vergeuden

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 die Forschenden durch
verbesserte superharte Kohlenstoffbeschichtungen die Energie- und
Ökobilanz von Autos und anderen Maschinen deutlich verbessern.

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. Verschleißschäden sowie Wartungs- und
Schmiermittelkosten würden sich deutlich verringern. »Technologische
Fortschritte, insbesondere mit extrem gleitfähigen Kohlenstoffschichten,
sollen es nun endlich ermöglichen, Reibung fast vollständig aus
technischen Systemen zu verbannen«, betont Dr. Volker Weihnacht, der am
Fraunhofer 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.«

Infobox - Laser-ArcTM und Diamor
Auf dem Weg zur Supraschmierung spielen extrem harte »Diamor«-Schichten
auf Kohlenstoff-Basis eine Schlüsselrolle. Das Fraunhofer 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-ArcTM-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.

»Prometheus«-Tech für weniger CO2-Ausstoß am »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 Fraunhofer
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.

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 bestimmten 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 Kilotonnen 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.«

Infobox - 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.

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. 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.

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.

Tribologische Ehrung für Wissenschaftler des Fraunhofer IWS
Auch in der wissenschaftlichen Fachwelt stoßen die Dresdner Fortschritte
in der angewandten Reibungslehre (»Tribologie«) auf große Resonanz. Ein
Beispiel: Den renommierten »GfT Förderpreis 2021« der Gesellschaft für
Tribologie in der Kategorie Dissertation erhält in diesem Jahr Dr. Stefan
Makowski, Gruppenleiter für Schichtcharakterisierung im Fraunhofer IWS. In
seiner Promotion hatte Makowski die Wechselwirkung von tetraedrisch
amorphen Kohlenstoffschichten mit fettsäurebasierten Schmierstoffen
untersucht. Damit trug er zu einem tieferen Verständnis von
Supraschmierung und tribochemischem Verschleiß bei, die in den Projekten
»Prometheus« und »Chephren« eine Schlüsselrolle spielen.

Informatiker der Universität des Saarlandes haben ein Verfahren
entwickelt, mit dem sich unkompliziert und in Echtzeit ermitteln lässt,
wie viele Abgase der eigene Diesel-PKW ausstößt. Dazu benötigt man die
kostenlose App „LolaDrives“ und einen günstigen Bluetooth-Adapter, der das
Diagnosesystem des Autos auslesen kann. Entwickelt wurde die App im Rahmen
des DFG-geförderten transregionalen Sonderforschungsbereichs „Grundlagen
verständlicher Softwaresysteme“ am Saarland Informatics Campus. Nutzer
können ihre Fahrdaten auf freiwilliger Basis für die Forschung
bereitstellen.

Seit September 2017 muss ein Auto einen sogenannten „Real Driving
Emissions (RDE)“-Test bestehen, um in der Europäischen Union zugelassen zu
werden. Dabei werden die Abgasemissionen im Fahrbetrieb unter
realistischen, alltäglichen Bedingungen gemessen. „Wir dachten uns: Dann
sollte doch prinzipiell jeder selbst diesen Test durchführen können“, sagt
Sebastian Biewer, Doktorand am Lehrstuhl „Dependable Systems and Software“
von Professor Holger Hermanns an der Universität des Saarlandes.

Anstatt Testequipment im Wert von Hundertausenden Euros anzuschaffen,
haben die Saarbrücker Informatiker die App „LolaDrives“ entwickelt. Diese
verwendet „RTLola“, eine Technologie zur Analyse von Echtzeitsystemen von
Bernd Finkbeiner, Professor an der Universität des Saarlandes und Faculty
am Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit (CISPA). Die App
funktioniert in fast allen Autos ab Baujahr 2005. „Wichtig ist, dass der
Wagen über eine Schnittstelle zur On-Board-Diagnose (OBD) verfügt“, sagt
Sebastian Biewer. Die OBD ist ein Fahrzeugdiagnosesystem, das während der
Fahrt abgasbeeinflussende Systeme und andere Steuergeräte, wie
beispielsweise den Drehzahlmesser, überwacht. Mithilfe eines Bluetooth-
Adapters wird auf die On-Board-Diagnose zugegriffen. Wenn der Wagen läuft,
muss man das Handy per Bluetooth mit dem OBD-Adapter verbinden und die
„LolaDrives“-App starten.

Das Programm erlaubt es dem Nutzer dann entweder, die Daten des
Diagnosesystems auszulesen, oder es führt ihn Schritt für Schritt durch
einen RDE-Test. „LolaDrives ist nach unserer Kenntnis die einzige App, die
einen RDE-Test ermöglicht“, ergänzt Sebastian Biewer. Damit die App die
Emissionswerte errechnen kann, muss die OBD-Schnittstelle des Wagens
jedoch die passenden Daten zur Verfügung stellen – insbesondere die Werte
des Stickoxid-Sensors des Abgassystems, der nur in Diesel-Fahrzeugen
verbaut ist. Ob die passenden Daten abgerufen werden können und damit ein
RDE-Test machbar ist, teilt „LolaDrives“ direkt nach dem Start eines Tests
mit.

Den App-Entwicklern war es wichtig, die Benutzung so einfach wie möglich
zu gestalten. Denn für einen gültigen RDE-Test müssen zahlreiche
Bedingungen erfüllt sein: Die Fahrtdauer muss mindestens 90 bis120 Minuten
betragen, in festgelegten Distanzen in verschiedenen Abschnitten
stattfinden (Innerorts, Landstraße und Autobahn), bestimmte
Geschwindigkeitsvorgaben dürfen nicht verletzt werden und auch das
Beschleunigungs- und Bremsverhalten spielt eine Rolle. „Unsere App zeigt
all diese Elemente in einer leicht verständlichen Nutzeroberfläche an und
führt strukturiert durch die verschiedenen Stufen des Tests, indem sie
genau ansagt, was wann zu tun ist. Sie teilt mit, ob der Test erfolgreich
war und auch, ob der Test durch den Verstoß gegen eine der Vorgaben
unwiederbringlich gescheitert ist“, sagt Yannik Schnitzer, der als Student
der Informatik bereits ab seinem zweiten Semester die Entwicklung der App
vorangetrieben hat.

Nutzer können ihre Fahrdaten auf freiwilliger Basis und ohne Einschränkung
der App-Funktionalitäten datenschutzkonform an die Forscher spenden.
Informatik-Professor Holger Hermanns, Sprecher des transregionalen
Sonderforschungsbereichs „Grundlagen verständlicher Softwaresysteme“, in
dessen Rahmen die Forschung um „LolaDrives“ stattfindet, sagt dazu:
„Anhand der Daten möchten wir eine Plattform aufbauen, mit der wir mehr
Transparenz und Verständlichkeit in den KFZ-Bereich bringen wollen.
Vergangene Skandale haben gezeigt, wozu es führt, wenn Hersteller
verantwortungsloses Handeln durch Intransparenz verschleiern können. Wir
wollen helfen, Softwareverhalten aufzudecken, das für den Hersteller der
Software vorteilhaft, aber für den Benutzer oder die Gesellschaft
unerwünscht ist.“

Die RDE-Tests, die mit der App durchgeführt werden, sind rechtlich nicht
bindend. „Uns geht es darum, das Informationsbedürfnis der Nutzer zu
stillen. Die Ergebnisse unserer RDE-Tests sind plausibel, wenn man sie im
Kontext der veröffentlichten Emissions-Daten und Grenzwerte betrachtet.
Aber letztendlich sind sie Annäherungen an die ‚echten‘ Tests, die
zwingend mithilfe kostspieliger mobiler Mini-Labors durchgeführt werden
müssen,“ sagt Professor Holger Hermanns.

„LolaDrives“ ist zurzeit für Android über den Google Playstore erhältlich.
Eine Version für Apple-Geräte ist bereits in Entwicklung. Das Projekt
verfügt zudem über ein begrenztes Kontingent an Bluetooth-OBD-Adaptern,
die interessierten Datenspendern kostenlos zur Verfügung gestellt werden.

Hintergrund TRR 248 „Grundlagen verständlicher Software-Systeme“:
Der transregionale Sonderforschungsbereich „Grundlagen verständlicher
Software-Systeme - für eine nachvollziehbare cyber-physische Welt“ wurde
2018 etabliert und ist eine Kooperation der Universität des Saarlandes,
der Technischen Universität Dresden sowie der Max-Planck-Institute für
Informatik und Softwaresysteme. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft
fördert den SFB über zunächst vier Jahre mit elf Millionen Euro. Der SFB
untersucht, wie die Entscheidungen komplexer Computersysteme, die immer
mehr unser alltägliches Leben beeinflussen, verständlich und
nachvollziehbar werden können. Informationen zum Sonderforschungsbereich:
https://www.perspicuous-computing.science/  und
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/389792660

Hintergrund Saarland Informatics Campus:
800 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und rund 2100 Studierende aus
mehr als 80 Nationen machen den Saarland Informatics Campus (SIC) zu einem
der führenden Standorte für Informatik in Deutschland und Europa. Fünf
weltweit angesehene Forschungsinstitute, nämlich das Deutsche
Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), das Max-Planck-
Institut für Informatik, das Max-Planck-Institut für Softwaresysteme, das
Zentrum für Bioinformatik und das Cluster für „Multimodal Computing and
Interaction“ sowie die Universität des Saarlandes mit drei vernetzten
Fachbereichen und 24 Studiengänge decken das gesamte Themenspektrum der
Informatik ab.

Bereits im laufenden Jahr 2021 wurden in Deutschland deutlich weniger Diesel zugelassen – dafür aber wesentlich mehr Elektroautos. Schaut man sich die Zahlen an, wurden bis Ende Juli 367.905 Elektroautos zugelassen, bei den Dieselmodellen waren es 6.754 weniger. Zudem waren gut 22 Prozent aller Neuzulassungen Plug-in-Hybride und E-Fahrzeuge. Im Jahr 2019 lag dieser Anteil bei gerade Mal vier Prozent. Sicher mag da die Kaufprämie eine große Rolle gespielt haben, doch auch die Reichweite war mit großer Wahrscheinlichkeit ein Grund, auf Stromer umzustellen. Außerdem setzen auch die Hersteller immer mehr auf Elektroautos und wollen in Zukunft keine Verbrennungsmotoren anbieten. Doch wie schnell ist dies umsetzbar und welche Hersteller haben das Aus für den Verbrenner wann geplant?

Audi – 2026 ist das Ziel

Audi hat bereits im Frühjahr diesen Jahres angekündigt, dass ab 2026 nur noch neue Modell mit Elektromotor auf den Markt kommen sollen. Bis 2033 soll die Produktion der Verbrenner dann nach und nach auslaufen. Deshalb baut Audi sein Angebot an Stromern deutlich aus. So sollen bis zum Jahr 2025 mehr als 20 weitere Elektroautos entwickelt und ins Angebot aufgenommen werden. Die neuesten Modell sind der Q4 e-tron sowie der Q4 e-tron Sportback, die Reichweiten von bis zu 520 km haben. Dies heißt auch, dass man sich mit diesen Reichweiten keine Gedanken mehr machen muss, in den Urlaub zu fahren oder ein Elektroauto als Firmenwagen zu nutzen. Denn auch das Fuhrparkmanagement wird sich in Zukunft ändern. Hilfe, um den Fuhrpark zu organisieren und richtig aufzustellen, gibt es beispielsweise von www.arifleet.de.

BMW – es hakt noch etwas

Bei BMW hakt es noch etwas und der Hersteller möchte bis 2030 etwa die Hälfte des Absatzmarktes weltweit mit Elektroautos erzielen. Dabei sind auch die Kunden von BMW noch nicht so zu überzeugen. Nicht nur die Reichweite war ein Problem, auch mit der Form und den Kosten konnte sich die Kundschaft nicht so ganz anfreunden. Bisher wurden nur rund 165.000 Stromer von BMW verkauft. Dies mag durchaus an der Reichweite liegen. Denn während Audi mit seinen Stromern eine Reichweite von 520 km anbietet, kommt BMW mit dem iX3 gerade Mal auf rund 400 km. Der Hersteller ist aber davon überzeugt, dass bereits in zwei Jahren in jeder Fahrzeugklasse mindestens ein Stromer als Alternative zur Verfügung stehen soll.

Auch die anderen Hersteller haben schon einige Modelle am Markt, wobei auch hier bei vielen die Reichweite wie auch der Preis ein Problem ist. Irgendwie kommt der Markt nicht richtig in Schwung. Denn noch immer kostet ein Elektroauto im Schnitt 10.000 bis 15.000 Euro mehr. Zudem fahren sie oftmals nur kurze Strecken und auch die Ladestellen muss man suchen. In Deutschland gibt es bisher knapp 26.000 Ladestellen – noch zu wenig, wenn ein Land auf Elektromobilität umstellen möchte. Sagte doch der damalige Verkehrsminister Wolfgang Tiefensee im Jahr 2008 noch, dass es Ziel sei, bis spätestens 202 eine Million Elektroautos in Deutschland zu haben. Weit gefehlt, da es noch immer an Ladestellen, günstigen Stromern und auch Akzeptanz fehlt. Ob dies mit der neuen Regierung vorangetrieben wird, bleibt natürlich abzuwarten. Aber die Hoffnung stirbt bekanntlich zuletzt.