Sparsam dank Highend-Gummi

Von Christoph Kalla, Dormagen (Verantwortlich für Marketing und R&D in der Lanxess-Geschäftseinheit „Performance Butadiene Rubber“)

Die Reifenbranche steht vor großen Herausforderungen: Das in der EU 2012 bevorstehende Tire-Labelling wird dem Verbraucher auf einen Blick klar machen, ob es sich bei dem Reifen im Regal vor ihm um einen Spritschlucker oder ein „Energiespar-Wunder“ handelt. Über „hop“ oder „top“ entscheiden nicht zuletzt immer leistungsfähigere Synthesekautschuke, die Gummi-Experten mit tiefen Griffen in die chemische Trickkiste auf eine immer höhere Energie-Effizienz trimmen. Dieser Artikel erklärt, wie das funktioniert und wieso man den Rollwiderstand trotz allem nie auf Null wird bringen können. Und wie die Branche sich ändern wird, um Reifen trotzdem immer umweltgerechter zu machen.

Autos müssen sparsamer werden. Nicht nur weil die Spritpreise vermutlich auch in Zukunft weiter steigen dürften: Der wachsende Lebensstandard in Staaten wie China oder Brasilien führt dazu, dass sich weltweit immer mehr Menschen den Traum vom eigenen Auto erfüllen können; gleichzeitig muss dem drohenden Klimawandel entgegengewirkt werden. Das kann nur gelingen, wenn die Menschheit in absehbarer Zeit weniger Kohlendioxid produziert. Leider sind die Otto- und Dieselmotoren unserer Pkw eine wichtige Quelle dieses Treibhausgases: Allein in der EU sind sie für rund zwölf Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich.

Den Rollwiderstand senken

Was viele Autofahrer noch nicht wissen: Für rund 20 bis 30 Prozent des Kraftstoffverbrauchs eines Personenwagens – und damit auch seiner Kohlendioxidemissionen – sind seine Reifen verantwortlich. Dies muss allerdings nicht so bleiben. Tatsächlich kann man hier durch den Einsatz intelligenter Chemie in Form moderner Synthesekautschuke eine Menge tun.

Der Schlüssel zum Energieverbrauch eines Reifens liegt im sogenannten Rollwiderstand. Gummi ist deshalb ein idealer Reifenwerkstoff, weil er sich beim Abrollen an die Unebenheiten der Straße anpassen und damit für den nötigen „Grip“ und Komfort sorgen kann. Durch diese ständige Verformung erhitzt sich der Gummi jedoch. Wärme ist in diesem Fall jedoch vergeudete Energie. Der Rollwiderstand ist nun nichts anderes als ein Maß für die Energie, die durch diese Verformungsarbeit und das damit verbundene Aufheizen des Gummi verschwendet wird. Sie muss zwar an der Zapfsäule teuer eingekauft werden, bringt das Auto jedoch nicht voran.

Es gibt jedoch Gummisorten, die sich beim Verformen weniger aufwärmen. Wenn man ihren Anteil im Reifen erhöht, kann man den Rollwiderstand senken und Energie sparen. Dass das keine Science-Fiction ist, zeigt zum Beispiel die Einführung der sogenannten „grünen Reifen“ in den 90er Jahren. Sie wurden von der Öffentlichkeit vor allem für ihre bessere Nassrutschfestigkeit gelobt. Gleichzeitig hatten sie aber einen um rund 20 Prozent niedrigeren Rollwiderstand als die vorige Reifengeneration. Ursache dieses Effekts unter anderem: spezielle Synthesekautschuke. Experten halten es für möglich, dass sich der Rollwiderstand moderner Reifen heute noch einmal um weitere zehn Prozent senken lässt – und zwar mit den Produkten, die zum Beispiel der Synthesekautschukpionier Lanxess bereits heute im Markt hat. Von denen, die die Kautschukbranche derzeit entwickelt, noch gar nicht zu reden.

Blick ins Innere der Reifen

Um zu verstehen, wie diese neuen Kautschuke funktionieren, lohnt es sich, einmal genauer zu ergründen, was eigentlich genau im Gummi passiert, wenn sich der Reifen aufheizt. Zwei Ursachen (unter vielen) sollen hier erörtert werden: innere Reibung und sogenannte lose Enden in den Kettenmolekülen, aus denen der Kautschuk besteht.

Der Aspekt „innere Reibung“ ist einfach zu verstehen: Wärme entsteht zum Beispiel, wenn harte Füllstoffteilchen im Gummi aneinander reiben. Die Wärmeentwicklung lässt sich also reduzieren, wenn man diese Teilchen effektiver in das Gumminetzwerk einbindet, sodass sie im Ergebnis durch Kautschukmoleküle auf Abstand gehalten werden. Dieser Trick stand hinter der Rollwiderstandsrevolution in den „grünen Reifen“: Damals gelang es, den neuen Füllstoff Silica unter Zuhilfenahme sogenannter Phasenvermittler so effektiv in die Gummimatrix einzubinden, dass sie praktisch von einem mikroskopisch kleinen Gummipolster umgeben waren. Dadurch konnten sie nicht mehr so gut aneinander reiben – so entstand weniger Wärme, der Gummi verschwendete weniger Energie.

Eingewickelte Füllstoffteilchen …

Mit modernen Synthesekautschuken kann man die Füllstoffteilchen noch besser einbinden. Zum Beispiel, indem man die Kautschukmoleküle mit sogenannten „Ankerstellen“ versieht, die praktisch von selbst an das Silica-Teilchen andocken. Das ist das Geheimnis hinter den sogenannten funktionalisierten SSBR-Kautschuken: Sie tragen derartige Ankergruppen an ihren Enden.

Bei Lanxess ist es inzwischen gelungen, diese Ankergruppen nicht nur an den Molekül-Enden anzubringen, sondern sie über das gesamte Kautschukmolekül zu verteilen. Das steigert ihre Dichte im Elastomer drastisch – und erhöht so die Chance, dass sich diese Kautschuke noch leichter mit dem Füllstoff verbinden und diesen noch besser ins Gumminetzwerk einstricken. Erste Prüfungsergebnisse deuten darauf hin, dass Gummi aus diesen sogenannten hochfunktionalisierten SSBR-Kautschuken tatsächlich mit hervorragenden Rollwiderstandswerten aufwarten kann.

… Herumbaumelnde Polymerstückchen …

Unter losen Enden (Englisch: loose ends) versteht man Endstücke des Kautschukmoleküls, die nicht optimal ins Gumminetzwerk eingebunden sind. Das Problem: Sie tragen – stark vereinfacht gesprochen – nichts zur Kraftübertragung bei, müssen aber mitbewegt werden. Dabei geraten sie ins Schwingen und heizen damit den Gummi auf. Denn Wärme ist Bewegung, auch im Reich der Moleküle.

Aber auch die Anzahl dieser nutzlos herumbaumelnden Polymerstückchen im Gummi kann man verringern, indem man darauf achtet, dass die Kautschukmoleküle aus dem Reaktor alle mehr oder weniger gleich lang sind – praktisch wie bei den Gummischnüren eines Expanders.

Das ist allerdings einfacher gesagt als getan, denn nach „klassischen“ Herstellungstechnologien gefertigte Kautschuke enthalten ein breites Spektrum von Kettenmolekülen verschiedener Länge, kurz: neben denen optimaler Länge auch viele lange und viele kurze. Außerdem stehen die Chemiker vor einer zweiten Herausforderung: Aus verschiedenen Gründen machen sich besonders lange Moleküle besser im Reifen, sind aber zugleich schwerer zu verarbeiten.

Der Trick ist daher, alle Moleküle so lang wie möglich zu machen, ohne die Verarbeitbarkeit des Kautschuks – etwa im Mischer – negativ zu beeinflussen. Denn auch dadurch könnten Eigenschaften verloren gehen.

Lanxess ist genau dieser Trick gelungen. Durch viele kontinuierliche Optimierungen hat dieses Unternehmen inzwischen sogenannte Neodymium-Polybutadien-Kautschuke in petto, die sich gut verarbeiten lassen und trotzdem die Idealbedingung „alle Moleküle möglichst gleich lang“ besser erfüllen als ältere Kautschukgenerationen dieses Herstellers. Aus diesen Kautschuken entsteht bei der Vulkanisation ein nahezu ideales Gumminetzwerk. Die Anzahl an loose ends ist darin auf ein Minimum optimiert. Die Folge: Gummi, der sich auf der Straße weniger aufheizt und Energie sparen hilft und zugleich gut zu verarbeiten ist.

… und der „Spaghetti-Effekt“

Nebenbei haben diese Kautschuke weitere Vorteile: Im Vergleich zu anderen sogenannten Polybutadien-Kautschuken zeichnen sie sich durch einen sehr regelmäßigen Aufbau aus. Damit kommen sie Naturkautschuk in dieser Disziplin näher als viele andere Elastomere. Das ist wichtig, denn seinem ausgesprochenen regelmäßigen Aufbau ohne Knicke und Verzweigungen verdankt Naturkautschuk seine legendäre mechanische Robustheit: Denn er ermöglicht es den Kautschukmolekülen, sich bei Dehnung sehr gleichmäßig auszurichten.

Bildlich gesprochen: Wenn man an einer Naturkautschukprobe zieht, lagern sich die gleichmäßigen Molekülfäden darin aneinander wie Spaghetti in der Packung. Dadurch verhärtet das Material. Dieser „Dehnungskristallisation“ genannte Effekt sorgt dafür, dass Naturkautschuk äußeren Kräften Widerstand entgegen setzt – und zwar gerade dann, wenn es nötig wird, also etwa, wenn ein Reifen über unbefestigtes Gelände bewegt wird und die Reifenstollen großen Scherkräften ausgesetzt werden. Dann kann die Dehnungskristallisation das Ausreißen des Stollens verhindern. Neodymium-Polybutadien von Lanxess ist zwar noch nicht ganz so robust wie Naturkautschuk, aber verglichen mit allen anderen Synthesekautschuken schon sehr dicht dran.

Dadurch bringt dieser Reifenrohstoff also nicht nur gute Rollwiderstandswerte mit, sondern auch ein gutes Plus an Langlebigkeit und Sicherheit. Derartige Synthesekautschuke geben dem Reifenentwickler also spannende Möglichkeiten an die Hand: Sie können nicht nur Energie sparen helfen, sondern unter dem Strich Nasshaftung, Rollwiderstand und Abrieb gleichzeitig verbessern. Oder den Ingenieuren erlauben, eine dieser Eigenschaften besonders zu optimieren und die anderen dabei auf dem gewohnten Niveau lassen. Neue Synthesekautschuke machen Reifen also als Ganzes besser.

Das Spiel mit den Bausteinen

Auch mit diesen Elastomeren ist das Ende der Fahnenstange noch lange nicht erreicht. Über aktuelle Kautschuksyntheseverfahren können die Chemiker inzwischen auch die Feinstruktur der eingangs erwähnten SSBR-Kautschuke besser kontrollieren. So können sie zum Beispiel die Mengenverhältnisse, in denen die verschiedenen Kautschukbausteine im Reaktor zum Kettenmolekül verknüpft werden, besser einstellen als bisher – eine weitere Stellgröße für das Molekülfeintuning.

Damit lässt sich unter anderem die Erstarrungstemperatur des Polymers – für Fachleute: die Glasübergangstemperatur – in weiten Bereichen steuern. Das ist wichtig, denn im Bereich um diese Temperatur nimmt das Polymer die Energie, die beim Bremsen vernichtet werden muss, besonders effektiv auf.

Spätestens damit wird klar: Der Gummi, aus dem unsere Reifen bestehen, ist alles andere als ein austauschbarer Allerweltswerkstoff. Die Polymere, die darin zum Einsatz kommen, sind der entscheidende Schlüssel zu einer Vielzahl von Eigenschaften, die diese Produkte unterm Strich immer sicherer machen – und ihnen nach und nach auch ihren Sprithunger nehmen werden.

Gleichwohl sieht man den Reifen ihre Leistungsfähigkeit – noch – nicht ohne Weiteres an. Das allerdings ändert sich im kommenden Jahr: Denn in Europa steht 2012 das neue Tire Labelling vor der Einführung. Ab Ende dieses Jahres muss jeder neue Reifen ein Label tragen, dem der Kunde auf einen Blick entnehmen kann, ob er einen Spritschlucker oder ein genügsames Highend-Produkt vor sich hat. Das wird aus Laien Einkaufsprofis machen. Denn ein um 30 Prozent geringerer Rollwiderstand kann den Spritverbrauch eines Wagens der gehobenen Mittelklasse um rund 0,5 Liter pro hundert Kilometer senken – dadurch dürfte sich die Investition in einen besonders energiesparenden Reifen innerhalb kurzer Zeit amortisieren.

Rollwiderstand Null? Geht leider nicht.

Indes: Ganz wird man sich des Problems „Rollwiderstand“ wohl nie entledigen können. Das liegt unter anderem daran, dass ein niedriger Rollwiderstand nur einer von vielen Aspekten ist, die einen guten Reifen ausmachen. Eine gute Straßenhaftung und damit kurzer Bremsweg ist ein anderer. Beim Bremsen muss der Reifen aber genau das tun, was die Spritsparer ihm eigentlich abgewöhnen wollen: Energie vernichten.

Auch wenn hinter „Energie verschwenden“ beim Abrollen und „Energie vernichten“ beim Bremsen letztlich verschiedene physikalische Prozesse stehen: Guter Rollwiderstand und gute Straßenhaftung sind immer gegenläufig miteinander verknüpft. Auch wenn die Abhängigkeit der beiden Parameter voneinander durch Lanxess-Synthesekautschuke deutlich entschärft werden konnte: Sie besteht nach wie vor. Damit stecken Reifenentwickler in einem Dilemma. Aus diesem Grund kann man am neuen Reifen-Label auch ablesen, wie gut sich das Produkt in Sachen Nassrutschfestigkeit schlägt – also ob der hoffentlich gute Rollwiderstand mit Abschlägen in Sachen Sicherheit erkauft wird.

Ein möglicher Ausweg: Kautschuk noch effizienter einsetzen. Derzeit wird oft noch zu viel Gummi verwendet, um die gewünschten Endeigenschaften im Reifen zu erzielen. Denn wenn Gummi immer einen Rollwiderstand bedingt, dann bedeutet weniger Gummi: weniger Rollwiderstand. Die ersten Schritte in die Richtung sind bereits getan: Es gibt mittlerweile Reifen, die – auch mit Hilfe von Highend-Synthesekautschuken – nur noch 8,5 Kilogramm wiegen. Und so auch durch ihren geringeren Gummianteil mit einem besseren Rollwiderstand aufwarten. Noch mehr Gewicht lässt sich allerdings nur sparen, wenn man den verbleibenden Gummianteil am Reifengewicht noch effektiver einsetzt – also bessere Kautschuke verwendet. Wenn es gelingt, die Potenziale zu erschließen, die neuartige High-Performance-Synthesekautschuke eröffnen, liegen noch leichtere Reifen durchaus im Bereich des Möglichen.

Zusammenarbeit gefragt

Weitere Chancen liegen in einer engen Zusammenarbeit zwischen Reifenherstellern, Kautschukproduzenten – und Autobauern. Bislang wurden Reifen im Wesentlichen isoliert betrachtet. Die Zukunft dürfte dagegen in Ansätzen liegen, die sich von der Betrachtungsweise „Hier das Auto, da der Reifen“ lösen. Ein Beispiel: Durch ihre Federungseigenschaften tragen Reifen zum Fahrkomfort bei. Dem Rollwiderstand nützt eine federnde, dämpfende Reifenseitenwand jedoch nicht – im Gegenteil. Wenn man diese Aufgabe dem Fahrwerk überträgt und Auto und Reifen noch besser aufeinander abstimmt, wäre der Weg frei, sich bei letzteren noch besser auf niedrige Rollwiderstandswerte zu konzentrieren. Die ersten Automobilhersteller haben daher bereits begonnen, eigene Reifenforschungsgruppen zu gründen.

Auch die Kautschukhersteller werden sich anpassen müssen. Denn vom Synthesekautschuk bis zum Reifen ist es ein langer Weg; schon kleine Details des Mischungsprozesses können großen Einfluss auf das Ergebnis haben. Bei dem Verfeinerungsgrad, den Synthesekautschuke heute erreicht haben, können diese Effekte tatsächlich darüber entscheiden, ob sich die smarte Chemie eines Polymers tatsächlich in einem besseren Rollwiderstand niederschlägt.

Im Labor lassen sich diese Effekte nicht ohne Weiteres nachbilden. Die Situation ist vergleichbar mit der beim Backen: Auch wenn zwei Bäcker die gleichen Zutaten haben, werden ihre Kuchen doch anders schmecken. Die Ursache: Die Details der Zubereitung. Wie lange wurde Teig geknetet, in welcher Reihenfolge wurden die Zutaten zusammengegeben …

Nicht nur die Chemie muss stimmen

Damit ein neuer Synthesekautschuk in der Lauffläche seine optimale Wirkung entfaltet, muss also nicht nur die Chemie stimmen: Das Polymer muss auch optimal an die Verarbeitungsprozesse bei der Reifenherstellung angepasst sein. Der Synthesekautschukpionier Lanxess versteht sich daher längst nicht mehr als reiner Rohstofflieferant, sondern als „Performance Enhancer“, bei dem nicht mehr lediglich die Polymere im Vordergrund stehen, sondern der spezielle Blick des Chemikers und Gummianwendungstechnikers auf den Reifen.

Bei der Entwicklung neuer Kautschuke steht bei Lanxess jedem Chemiker heute ein Anwendungstechniker zur Seite – und umgekehrt. Auch an der eigenen Effizienz hat man gefeilt: Von der Herstellung der nötigen Laborproben bis zu den ersten zuverlässigen Testergebnissen vergehen in Dormagen gerade einmal wenige Monate – vor nicht langer Zeit waren dies noch Jahre. Mittlerweile ist man bei Lanxess zudem in der Lage, Kautschuke unter ausgesprochen praxisnahen Bedingungen auf ihre Performance im Reifen zu prüfen – dadurch ist sichergestellt, dass die Reifenhersteller schneller und vor allem gezielter mit passenden Werkstoffkandidaten bedient werden können.

Ausblick

Aber so wichtig eine gute Note auf dem Tire-Label ist: Die Branche denkt natürlich längst weiter. Die Herausforderungen in der Reifenentwicklung liegen schon heute längst nicht mehr nur in der Verbesserung des Rollwiderstands unter Beibehaltung sicherheitsrelevanter Eigenschaften; abzusehen ist zum Beispiel, dass Elektrofahrzeuge andere Reifen haben werden als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, denn Elektromotoren sind enorm zugstark; ihre Reifen werden also größeren Scher- und Fliehkräften ausgesetzt sein als heute. Auch der Trend zu schmaleren Reifen, der bereits heute in vielen Weltregionen zu beobachten ist, darf selbstverständlich nicht auf Kosten der Sicherheit gehen; auch hier werden Hochleistungs-Gummiwerkstoffe benötigt, um eine gute Straßenhaftung sicherzustellen.

Wie immer die Fahrzeuge von morgen aussehen werden: An modernen Synthesekautschuken kommt man in der Entwicklung ihrer Reifen nicht mehr vorbei. High-Performance-Kautschuke und High-Performance-Reifen sind alles andere als Luxus. Luxus wäre es, auf sie zu verzichten. dv