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TechnikInnovative Leichtbaustrukturen

Leicht­bau­autos – die neuesten Trends zum Abspe­cken

Lesezeit ca.: 3 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

Felgen aus Sandwich-Materialien oder Autoträger aus Holzfasern – die Leichtbau­for­schung wird immer kreativer. Das gilt für konventio­nelle Fahrzeug­kon­zepte und Elektroautos gleicher­maßen. Das Ziel: mit jedem Kilo weniger den Energiever­brauch und damit den CO2-Verbrauch zu senken.

07. November 2018

In der Forschungs­halle des Bundesex­zel­lenz­clus­ters MERGE an der TU Chemnitz steht ein Fahrzeug im Mittelpunkt: der elektrisch angetrie­bene VW Up. An dem Demonstra­ti­ons­fahr­zeug und Forschungs­ob­jekt ersetzen die Wissenschaftler verschie­dene Teile durch Leichtbau-Komponenten. Konkret tüfteln sie an leichten Felgen, Sitzen, Karosserie­struk­turen, Querlenkern oder am Antriebs­strang und nutzen dafür Leichtbau­struk­turen aus faserver­stärkten Kunststoffen, Leichtme­talle und Kunststoff verstärkende Textilma­te­ria­lien.

So entwickelten die Forscher bereits eine 3-Kilogramm-Felge aus Aluminium und Carbon, die halb so schwer wie die herkömmliche Stahlfelge des VW Up ist. 75 Prozent weniger Gewicht erreichten die Forscher mit Koppelstreben im Bereich des Fahrwerks mit einer neuartigen Bauteilar­chi­tektur. Bei einer Durchlade für die Rücksitz­lehne reduzierten sie das Gewicht um 58 Prozent und die Produkti­ons­kosten um 30 Prozent. „Mit jeden Kilogramm, das am Auto eingespart werden kann, verringert sich der Kraftstoff­be­darf und somit auch der CO2-Ausstoß“, erläutert Lothar Kroll, Koordinator des Bundesex­zel­lenz­clus­ters der TU Chemnitz. Als Faustformel gilt: 100 Kilogramm weniger Gewicht sparen 0,3 bis 0,4 Kraftstoff im Normverbrauch. Das entspricht etwa 8,4 Gramm CO2. Bei elektrisch angetrie­benen Autos haben weniger Kilos positive Auswirkungen auf die Reichweite.

Querlenker aus intelligentem Material­system

Gemeinsam mit Partnern des Fraunhofer-Instituts für Werkzeug­ma­schinen und Umformtechnik IWU entwickelten die Chemnitzer Wissenschaftler einen Pkw-Querlenker aus neu kombinierten Leichtbau­ma­te­ria­lien. Die quer zur Fahrtrich­tung angeordneten Bauteile übertragen die Querkräfte zwischen Rad und Fahrzeug­körper und bestehen üblicher­weise aus Stahl. In Chemnitz sind die Querlenker aus einem Aluminium­schaum­kern, thermoplas­ti­schen Faser-Kunststoff-Verbunden sowie einer Metalldeck­lage. Dieser Materialmix ähnelt einem belegten Sandwich: In der Mitte befindet sich der Aluminium­schaum, der mit Faserkunst­stoff­ver­bunden samt Deckschicht aus Metall umhüllt wird.

Das Besondere an diesem Sandwich-Prinzip: Neben den mechanischen Eigenschaften, wie etwa gutes Dämpfungs­ver­mögen des Aluminium­schaum­kerns und hohe Zugfestig­keit des Faserkunst­stoff­ver­bunds, sind die Querlenker dank der Metalldeck­schicht besonders gut vor Umweltein­flüssen geschützt.

Sandwich-Bauweise: leicht und sicher

Diese Sandwich-Taktik nutzt auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für sein neues Kleinfahr­zeug-Konzept. Das elektrisch angetrie­bene Safe Light Regional Vehicle (SLRV) soll nicht nur leicht und ressourcen­scho­nend unterwegs sein, sondern auch sicher. Nur 80 Kilogramm wiegt die Karosserie des Zweisitzers, der vor allem als Pendler- oder Zubringe­r­auto gedacht ist, um beispiels­weise Anschluss zum öffentli­chen Nahverkehr zu ermöglichen.

Vorder- und Hinterwagen sind aus Sandwich-Platten zusammen­ge­setzt – Kunststoff­schaum im Inneren und eine metallene Decklage außen. Diese sollen als Crashzonen dienen und Platz für die Fahrzeug­technik bieten. Die Fahrgast­zelle ist als Wanne mit Ringstruktur konstruiert. Sie soll die Insassen schützen. Wie genau die Sandwich-Strukturen bei starken Belastungen bis hin zu einem Unfall reagieren, ist Forschungs­schwer­punkt des SLRV-Projektes. Erste Crashtests lieferten bereits Erkenntnisse, um das geplante Kleinfahr­zeug weiterzu­ent­wi­ckeln.

Durchbruch beim Karbon-Leichtbau

Der neueste Coup in der Leichtbau­for­schung gelang dem Nachwuchs­for­scher Muhannad Al Aiti von der TU Dresden und vom Leibnitz-Institut für Polymerfor­schung. Der Werkstoff­wis­sen­schaftler fand heraus, wie Leichtbau­fahr­zeuge aus Holzresten konstruiert werden könnten. Genauer gesagt, entdeckte er einen günstigen Ersatzstoff für Erdöl, aus dem die Kohlefasern für ultraleichte Karbonbau­teile bestehen und die bisher mit sehr hohen Herstellungs­kosten verbunden sind. Al Aiti setzt stattdessen auf Lignin-Abfälle der Papierin­dus­trie; ein natürliches Polymer-Molekül, das Bäumen Stabilität verleiht. Nun möchte er die Lignin-basierten Kohlenstoff­fa­sern mit einem speziellen Spinnver­fahren herstellen – und einen kostengüns­tigen, industrie­reifen und umweltfreund­li­chen Produkti­ons­pro­zess entwickeln.

Es führe kein Weg an Autos mit Leichtbau­ma­te­ria­lien vorbei, wenn die Klimaschutz­ziele der EU erreicht werden sollen, sagen die Forscher des Bundesex­zel­lenz­clus­ters MERGE. Ein Anreiz für Automobil­her­steller, um kleinere und leichtere Fahrzeuge zu bauen, fehlt indes. Stattdessen akzeptiert das aktuelle System höhere CO2-Emissionen bei schwereren Fahrzeugen. Nicht unbedingt förderlich für den Einsatz von Leichtbau-Komponenten.