Anwendungen der Nanotechnologie im Automobil

Für den Automobilsektor bietet die Nanotechnologie Möglichkeiten zur Optimierung der Sicherheit und des Komforts von Fahrzeugen sowie für eine umweltfreundlichere Gestaltung der Produkte.

Beispielse für Anwendungen der Nanotechnologie im Automobil (Quelle: Hessen Nanotech)

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Beispiele für Anwendungen der Nanotechnologie im Automobil - Foto: Hessen Nanotech

Nano-Lacke

Mithilfe spezieller Nano-Klarlacke lässt sich eine höhere Kratzbeständigkeit des Autolacks sowie eine bessere Lackbrilanz erzielen. Grundlage dafür sind Kieselsäure-Nanopartikel (Silica, SiO2), die im Lack dispergiert sind und die sich nach dem Aushärten mit dem organischen Bindemittel zu einem dichten, regelmläßigen Netz verketten. SiO2-Nanopartikel werden auch zum Korrosionsschutz von Fahrzeugteilen, wie Fahrwerk, Bremsen und Türen eingesetzt. Eine Untersuchung des Instituts für Ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) zeigte, dass ein Nano-Lack aufgrund der geringeren notwendigen Schichtdicke eine hohe Ressourcenefizienz aufweist. Auch der Aufwand an Primärenergie (energetischer Aufwand bei der Applikation) war 35% geringer als bei den konventionellen Vergleichslacken. Weiters wird aufgrund der eingesparten Masse in der Gebrauchsphase auch Treibstoff eingespart. Da die Nanopartikel nach dem Aushärten des Lacks fest in eine Matrix eingebunden sind, sind gesundheitliche Risiken für die AnwenderInnen nicht zu erwarten. Auch eine Freisetzung von Nanopartikeln in die Umwelt ist laut Studie des IÖW unwahrscheinlich.

Kratzfeste Polymerscheiben

Für ein Automobil werden ca. 6 m2 Glas verarbeitet - alleine etwa 1,2 m2 für die Frontscheibe - das trägt nicht unerheblich zum Gewicht und damit zum Treibstoffverbrauch bei. Gläser aus Kunststoff (Polymer) wären hier eine Alternative für die Leichtbauweise, allerdings müssen diese dann vor Verkratzungen, Abrieb und Witterungseinflüssen geschützt werden. Bei Scheinwerferabdeckscheiben werden solche Polymergläser bereits eingesetzt und mit speziellen Lacken, in denen Nanopartikel aus Aluminiumoxid eingebettet sind, geschützt.

Schmutz und Wasser abweisende Beschichtungen

Beschichtungen, die nur 5-10 Nanometer dünn sind, werden bereits eingesetzt, um etwa Außenspiegel mit Wasser und Schmutz abweisenden Eigenschaften auszustatten ("Easy to Clean"). Entweder werden diese Beschichtungen gleich bei der Herstellung, oder nachträglich durch Pflege- und Versiegelungssysteme aufgebracht. Für die nachträgliche Anwendung findet sich im Handel eine Vielzahl von Produkten, nicht für die Behandlung von Außenspiegeln, sondern auch für den Autolack, die Felgen oder die Innenausstattung. Auch in Waschstraßen von Tankstellen werden zur Lackpflege Produkte eingesetzt, die laut Herstellerangaben Nanopartikel beinhalten. Allerdings sind die genauen Inhaltsstoffe dieser Produkte oftmals nicht bekannt. Während Beschichtungen, die gleich bei der Herstellung eingebrannt werden, zumeist dauerhaft sind, müssen nachträglich aufgebrachte Beschichtungen immer wieder erneuert werden. Weiters gibt es bereits Beschichtungen für Außenspiegel mittels photokatalytisch aktivem Titandioxid. Diese Substanz ist stark wasseranziehend, sodass sich auf den Flächen ein geschlossener, dünner Wasserfilm bildet. Titandioxid fungiert als Katalysator, d.h. unter UV-Licht entstehen freie Radikale, die organischen Schmutz zersetzen. Besonders aktiv ist Titandioxid in seiner Nanoform. Bei Regen wird der zersetzte Schmutz über den Wasserfilm abtransportiert, sodass man bei solchen Flächen auch von einem "Selbstreinigungseffekt" spricht. Schmutz und Wasser absweisende bzw. selbstreinigende Oberflächen versprechen einen geringeren Reinigungsaufwand und einen damit verbundenen geringeren Einsatz von Wasser, Energie und Reinigungsmitteln.

Nanostahl

Um den Anforderungen an Leichtbau und Sicherheit genügen zu können, wurde der Stahlanteil am Gesamtgewicht eines Automobils in den letzten Jahrzehnten von über 75% auf unter 50% reduziert, wobei es sich bei den verwendeten Stahlsorten v.a. um sogenannte hochfeste Stahlgüter handelt. Diese können mittels eingelagerter Nanopartikel aus Carbonitriden noch weiter optimiert werden, um die Belastungsfähigkeit zu erhöhen. Dies ist insbesondere für den Nutzfahrzeugbereich interessant. Die Verwendung dieses speziellen Stahls ermöglicht weniger Treibstoffverbruch durch Leichtbauweise bei gleichzeitig erhöhter Stabilität, Belastbarkeit und Kostenreduktion bei der Herstellung.

Verkleben und Lösen von Bauteilen

Kleben spielt im Automobilbau eine immer größere Rolle. Allerdings härten Industriekleber nur unter hohen Temperaturen mit damit verbundenem hohen Energiebedarf aus. Nanoferrite (nanopartikuläre Eisenoxide) könnten hier einen Lösungsansatz bieten. Diese können mittels Mikrowellen erwärmt werden und erwärmen wiederum selbst gleichmäßig und gzielt die Klebstoffschicht. Dieser neu entwickelte Prozess kommt mit deutlich weniger Energie aus. Auch für den umgekehrten Vorgang - das Lösen von Klebeverbindungen - kann diese Methode eingesetzt werden. Zusammengefügte Teile könnten so zerstörungsfrei getrennt und somit der Austausch einzelner Bauteile oder das sortenreine Recycling ermöglicht werden.

Innenraum-Luftfilter

Neuartige Innenraum-Luftfilter auf Basis von Nanofasern zur Rinigung von Pollen, Sporen und Industriestaub zeigen laut Herstellerangaben bessere Filtereigenschaften im Vergleich zu konventionellen Lösungen.

Autoreifen

Den Kautschuckmischungen kommt bei den Reifeneigenschaften eine große Bedeutung zu. Normalerweise enthält ein Reifen etwa 30% Verstärkerfüllstoff, mit dem die gewünschten Eigenschaften (Haftung, Abriebbeständigkeit, Reißfestigkeit) erreicht werden kann. Zu diesen Füllstoffen gehören u.a. nanopartikulörer Ruß ("Carbon Black") und SiO2-Nanopartikel, die zu einer verlängerten Lebensdauer der Autoreifen und einem geringeren Benzinverbrauch beitragen.

Superkondensatoren als Energiespeicher

Mithilfe der Nanotechnologie werden derzeit sogenannte Superkondensatoren (auch Supercaps, Ultracaps oder Scaps genannt) mit hoher Energiekapazität zur Speicherung von elektrischem Strom entwickelt. Supercaps bestehen aus metallischen Kontaktfolien auf hochporösen Schichtelektroden mit Nanostruktur, Elektrolyten und einer Separatorfolie. Mit dem Einsatz größerer Stückzahlen von Superkondensatoren wird zukünftig in Hybridfahrzeugen gerechnet.

Lithium-Ionen-Batterien

Nanotechnologien kommen auch bei leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien, etwa zur Energieversorgung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Lithium-Ionen-Batterien sind leichter, kleiner und leistungsstärker als herkömmliche Blei- oder Nickel-Metallhydrid-Varianten. Zur Herstellung werden nanoskalige Pulver verschiedener Metalloxide verwendet.

Brennstoffzellen für das Automobil der Zukunft

Da immer mehr Elektronik in den Autos zum Einsatz kommt, ist auch der Stromverbrauch drastisch angestiegen. Bis zu einem Drittel der Motorleistung muss heute alleine für die Stromversorgung eingesetzt werden. Die negativen Umweltauswirkungen der Verbrennung fossiler Treibstoffe und die steigenden Treibstoffpreise lassen alternative Energiesysteme zunehmend ins Zentrum des Interesses rücken. Entweder zur Unterstützung der Motorleistung oder als alleiniges alternatives Antriebssystem. Brennstoffzellen könnten hier einen wichtigen Beitrag leisten, da die Stromerzeugung durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt und keine schädlichen Abgase produziert werden. Entscheidend für die Leistung einer Brennstoffzelle ist eine möglichst große Oberfläche des Katalysators. Nanoskalige Platinmoleküle weisen diese Eigenschaft auf und werden deshalb in Brennstoffzellen eingesetzt. Auch die effektive Speicherung von Wasserstoff stellt derzeit noch eine große Herausforderung dar. Hier werden ebenfalls Problemlösungen auf Basis von nanoskaligen Materialien erwartet.

Solarenergie im Automobil

Als Ergänzung zur Stromversorgung im Auto wären Solarzellen möglich, allerdings steht einer breitflächigen Anwendung dieser umweltfreundlichen Energiegewinnung derzeit noch die kostspielige und aufwändige Herstellung im Wege. In der Regel werden Halbleiter auf Siliziumbasis derzeit für Solarzellen verwendet. Der Schweizer Chemiker Michael Grätzel hat allerdings schon Anfang der 1990er Jahre eine Solarzelle entwickelt, die auf biologischen Prinzipien beruht und die kostengünstiger und einfacher herzustellen wäre. Die als "Grätzel-Zelle" bezeichnete Solarzelle orientiert sich an der Photosynthese der Pflanzen zur Energiegewinnung. Bei herkömmlichen Solarzellen liefert das Silizium bei Sonneneinstrahlung die benötigten Elektronen. Diese fließen aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters zu den Elektroden. In der "Grätzel-Zelle" übernimmt ein organischer Farbstoff (ähnlich dem grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophyll) die Elektronenbereitstellung. Für die Weiterleitung zu den Elektroden wird eine nanoporöse Schicht aus Titandioxid (ebenfalls ein Halbleiter) mit großer Oberfläche genutzt.

Nanokristalline Beschichtungen von mechanischen Bauteilen

Etwa 10-15% der Motorleistung geht durch Reibungsverluste an mechanischen Bauteilen, wie Kolben, Zylinder, Kurbelwelle oder Ventile, verloren. Beschichtungswerkstoffe mit eingelagerten Nanokristalliten auf Basis von Eisencarbid und Eisenborid können hier Abhilfe schaffen, in dem sie die Reibung vermindern. Durch Verminderung der Reibung verringern sich Verschleiß und Kraftstoffaufwand.

Abgaskatalysatoren

Zur Abgasreinigung werden Systeme eingesetzt, die auf Dreiwegkatalysatoren basieren. Diese können Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe weitgehend umsetzen und aus dem Abgas entfernen. Als Katalysatoren werden bereits nanoskalige Materialien in der Beschichtung eingesetzt, die aufgrund ihrer großen Oberfläche eine bessere katalytische Funktion erfüllen.

Zusatz zu Dieseltreibstoff

Zusätze für Dieseltreibstoff mit nanoskaligen Katalysatoren, wie etwa Ceriumoxid, sollen laut Herstellerangaben Treibstoffeinsparungen von bis zu 10% ermöglichen, in dem sie eine effizientere Verbrennung fördern und Rußemissionen um bis zu 15% reduzieren.

LED-Scheinwerfer

LEDs ("Light Emitting Diodes") enthalten einen Halbleiterchip, der nur in einer Richtung Strom durchlässt und sichtbares Licht (oder je nach Material auch UV- oder Infrarotstrahlung) abgibt, wenn ein Stromfluss in dieser Richtung erfolgt. Der Chip besteht aus Halbleiterverbindungen, die mittels eines nanotechnologischen Verfahrens ("Epitaxie") in extrem dünnen Schichten aufgetragen werden. Auf der Unterseite des Chips befindet sich ein leitender Reflektor, auf der Oberseite sorgt ein Golddraht für den nötigen Kontakt. Der gesamte Aufbau ist in eine Kunststofflinse eingefasst. LEDs sind nur 5 mm hoch, leuchten in sehr kurzer Zeit auf und besitzen eine hohe Leuchtkraft. Sie erzeugen weniger Wärme als herkömmliche Glühbirnen und sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Die Farbe des abgestrahlten Lichts wird in der Regel durch die Wahl geeigneter Halbleitermaterialien oder durch Dotierung mit bestimmten chemischen Elementen beeinflusst. LEDs haben eine wesentlich längere Lebensdauer und einen viel höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Glüchlampen.

Sensoren

In einem modernen Auto überwachen rund 100 Magnetfeldsensoren etwa Gurt- und Türschlösser oder werden für das Antiblockiersystem (ABS) und die Motorsteuerung eingesetzt. Das Messprinzip eines Magnetfeldsensors besteht in der Umwandlung einer Positions- oder Bewegungsinformation eines Magneten in ein elektrisches Signal. Hierbei wird der sogenannte "Riesenmagnetowiderstandeffekt" ("Giant-Magneto-Resistive-Effect", GMR) genutzt, der in Strukturen auftritt, die aus sich abwechselnden magnetischen und nicht-magnetischen Schichten bestehen, die nur wenige Nanometer dünn sind.

Nanotechnologien im Automobil

Innovationspotenziale in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie - Band 3 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech (Dezember 2006)

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Nachhaltigkeitseffekte

durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte - Schriftenreihe des IÖW (Nr. 177/04)

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Nanotechnologie in der Beschaffung Wiens

Erste Abschätzung von Chancen und Risiken: Bericht im Auftrag der Stadt Wien für das Programm "ÖkoKauf Wien" (November 2010)

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