Image: Hightech-Reifen für autonomes FahrenFERCHAUFERCHAUDie Autoreifen der Zukunft müssen mehr können, als nur für den richtigen Halt auf der Straße sorgen. | krystiannawrocki
TechnikIntelligente Reifengummis

High­tech-Reifen für auto­nomes Fahren

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

Autoreifen, die ihre Struktur den Umgebungs­be­din­gungen anpassen, sich selbst in Sensoren verwandeln oder nach einem Platten wieder zusammen­wachsen – damit beschäftigen sich drei Doktoranden der TU Dresden. Ihr Ziel: intelligente Reifen für die Mobilität der Zukunft zu entwickeln.

18. Juni 2019

Von der Straße ins Labor: Mit einer Schere schneidet ein Mitarbeiter des Leibnitz-Instituts für Polymerfo­schung Dresden e.V. ein längliches Stück Gummi durch und presst die beiden Teile wieder zusammen. Später ist dieser Gummi in einem Gerät eingespannt, mit dem er per Kurbel auseinan­der­ge­zogen wird. Und siehe da – die gerissene Stelle hält zusammen. Bei Zimmertem­pe­ratur ist sie nach acht Stunden wieder zusammen­ge­wachsen, bei höheren Temperaturen soll es deutlich schneller gehen.

„Die ‚selbsthei­lenden‘ Reifen gingen schon mit reißerischen Überschriften durch die Presse“, räumt Prof. Dr. Gert Heinrich ein. „Dabei ist es nicht das primäre Ziel, dass sich sehr große Risse im Reifen von selbst wieder verschlie­ßen“, erklärt der Senior Professor der Fakultät Maschinen­wesen der Technischen Universität Dresden und des Instituts Polymerwerk­stoffe des Leibniz-Instituts für Polymerfor­schung Dresden e.V. (IPF). Vielmehr solle über diesen Selbsthei­lungs­pro­zess ein Gummi entwickelt werden, der bei der Rissentste­hung beständiger, widerstands­fä­higer und strapazier­fä­higer ist, als in bisherigen Reifen.

Anti-Aging für Autoreifen

Ein Autoreifen besteht grundsätz­lich aus netzartig angeordnetem Gummi – diese Polymernetz­werke können aus bis zu zehn Gummimischungen bestehen. Sie enthalten Kautschuk, Weichmacher, Chemikalien und Füllstoffe, die für verbesserte Konsistenz der Reifen sorgen. Doch wie funktioniert diese „Selbsthei­lung“? Anstatt einen Riss oder ein Loch – wie bisher üblich – zu vulkanisieren, setzen die Dresdner Forscher auf Veränderung der Polymernetz­werke, damit sie sich nach Schädigungen immer wieder neu vernetzen. „Wir haben diese chemisch fest verknüpften Netzwerke aus Polymeren durch flexiblere physikalisch verknüpfte Netzwerke ersetzt. Diese bilden sich durch die Bewegung der Polymerketten neu, wenn sie zerrissen werden“, schildert Heinrich.

Der Clou der Forschungs­ar­beit seines Doktoranden Aladdin Sallat: Bisher hat sich die Forschung ausschlie­ß­lich auf die Gummi-Netze konzentriert. Der Doktorand hat die Selbsthei­lungs­kräfte nun auch für bestimmte Gumminetze mit modifizierten Füllstoffen nachgewiesen. Neu ist der Füllstoff Silika (Silizium­di­oxid), der hinzugegeben wird, um die Oberfläche zu modifizieren und das Elastomer zu verstärken. Ein wichtiger Schritt in Richtung Praxis, laut Heinrich. Das Interesse der Industrie sei groß, Gespräche mit Unternehmen laufen bereits.

Und ein wichtiger Aspekt sei dazugekommen: Die extrem robusten Reifengummis würden zukünftig deutlich weniger verschleißen. „In Deutschland werden schätzungs­weise bis 100.000 Tonnen Reifenab­rieb erzeugt. Die Vision sind nachhaltige Reifen, deren Abrieb radikal reduziert wird“, verdeutlicht Heinrich. Konkret erwarte er eine Abriebver­bes­se­rung von 20 bis 30 Prozent. Denn für Reifenher­steller gäbe es einen unvermeid­li­chen Zielkonflikt zwischen Fahrsicher­heit und Umweltschutz: Eine gute Haftung, sowie niedriger Rollwider­stand bleiben ebenfalls Hauptfunk­tionen des Reifens. Daher kann man Reifenab­rieb zwar in gewissem Maße verbessern, aber nicht generell verhindern.

Weltweit einmalig: Reifengummis als Sensoren

Dass autonome Fahrzeuge – und auch deren Reifen – mit Sensoren ausgestattet sein müssen, um die Verbindung zur Straße und Umgebung zu analysieren, ist nicht neu. Bisherige Ansätze integrieren Sensoren jedoch als Zusatzkom­po­nente in die Reifen. Als Fremdkörper führen sie zu Fehlstellen im Reifen und könnten dadurch Schäden begünstigen. Doktorand Eshwaran Subramani Bhagavathes­waran entwickelte einen weltweit einmaligen Gummi, der selbst als Sensor funktioniert. „Das haben wir erreicht, indem wir Karbonteil­chen, sogenannte Carbonna­notubes, zu den Gummibestand­teilen hinzugefügt haben“, erklärt Doktorvater Heinrich.

Das Besondere daran: Diese Füllstoffe sind elektrisch leitfähig und bilden ein durchgän­giges, leitfähiges Netzwerk, das der Forscher untersucht hat. Mit Reifen als Sensoren könne man Zusammen­hänge zwischen dem mechanischen Deformati­ons­ver­halten des Materials und den elektrischen Signalen herstellen, die etwas über den aktuellen Fahrzustand und den Zustand der Reifen aussagen. Über eine deformierte Seitenwand könnten beispiels­weise Aussagen getroffen werden über die Stärke der Kurvenfahrt, um dann über den Bordcomputer die Geschwin­dig­keit zu regulieren. Möglich sei auch, bestimmte Details der Fahrbahno­ber­fläche zu bestimmen: Ist die Straße feucht oder glatt, mache sich das bemerkbar im Gummi der Bodenauf­stands­fläche.

Anpassungs­fä­hige Reifen noch nicht marktreif

Ein Gummi, der seine Struktur an veränderte Umweltbe­din­gungen anpassen kann, sei dagegen noch Zukunfts­musik, sagt Heinrich. Die Idee ist, dass Autoreifen beispiels­weise bei Nässe härter werden und so vor Aquaplaning schützen. Füllstoffe spielen hier ebenfalls eine entschei­dende Rolle: „Wir nutzen bestimmte Polymere zusammen mit dem Füllstoff Kalziumsulfat, der durch Wasser seine mikrokris­tal­line in eine nanokris­tal­line Struktur umwandelt“, erläutert er. Das führe zu einer gewaltigen Steigerung der Festigkeit und der Elastizität. Dass das Prinzip funktioniert, zeigte Tamil Selvan Natarajan in seiner Disserta­tion Anfang des Jahres. Nun gilt es von der Grundlagen­for­schung in die Anwendung zu kommen.