Bei Chemie im Sport denken viele zuerst an leistungssteigernde Substanzen in den Sportlern: Doping. Die meisten Fußballfans kennen das Zitat von Waldemar Hartmann: „Doping im Fußball bringt nichts, das Zeug muss in die Spieler rein.“ Was aber Chemie im Sport auf legale Weise vollbringt, wird erst auf den zweiten Blick klar. Die Fußball-Weltmeisterschaft in Brasilien ist Anlass um einmal aufzuzeigen, wo moderne Kunststoff-Materialien dazu beitragen das Spieler sportliche Leistungen bringen können und welchen Beitrag sie für den Bau der Sportarenen leisten.
Tornetze, Eckfahnen, aber auch die Trillerpfeife, rote und gelbe Karten des Schiedrichters oder die Schienbeinschoner, Trikots und Fußballschuhe der Spieler, ja sogar der Spielball, ist heutzutage aus Kunststoff. Moderne Fußbälle ermöglichen eine gleichbleibend gute Ballkontrolle unabhängig vom Wetter, wie zum Beispiel der WM-Ball Brazuca, ein von Robotern getestetes Spielgerät. Rund zweieinhalb Jahre dauerte die Entwicklung dieses Balles. Rund 600 Profis auf drei Kontinenten waren in das umfangreiche Testverfahren involviert.
Zudem gab es verschiedene Arten von Tests. Manchmal gab es sogenannte Blindtests, bei denen die Spieler vorher nicht informiert wurden. Manchmal wurden sie im Vorfeld gebrieft, damit sie sich auf eine spezielle Fragestellung konzentrieren. Getestet wurde entweder in einer Trainingseinheit oder aber auch mal über einen Zeitraum von bis zu vier Wochen. Das Fazit der Testpersonen bescheinigte dem Ball eine stabile Flug- und gute Schusseigenschaften, er lässt sich gut und eng am Fuß führen und besitzt eine hervorragende Kraftübertragung. Ohne maßgeschneiderte polymere Entwicklungen wäre diese Sportart bei Weitem nicht so dynamisch, athletisch und schnell.
Die Entwicklung des Balls, der heutzutage vollsynthetisch aus Kunststoff ist und geklebt statt genäht wird, ist eine Wissenschaft für sich. In dem Arbeitsprozess sind unter anderem Designer involviert, die von Anfang an schon Prototypen entwickeln. Hinzu kommen Materialexperten, die neue Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften testen. In Simulationen werden schon im Entstehungsprozess Funktionalitäten überprüft, dafür sind Ingenieure in Zusammenarbeit mit Universitäten tätig. Das Sport Research Lab von Adidas untersucht schließlich die Spielbarkeit der Bälle. Zumindest im Labor wird das von einem Roboter übernommen. Robi-Leg heißt dieser Roboter, der die Bälle mit bis zu 160 Stundenkilometer schießen kann.
Eine Wissenschaft für sich
Die entwickelten Fußbälle müssen bestimmten Normen entsprechen. So ist beispielsweise der Umfang vom Weltverband Fifa mit 69 Zentimeter vorgeschrieben und Abweichungen dürfen nicht größer als fünf Millimeter sein. Die Fifa schreibt sogar eine Art TÜV für Bälle vor: Bevor sie auf den Markt kommen, müssen sie die Prüfung der Schweizer Forschungseinrichtung Empa überstehen. Während der Testphase landen die Bälle sogar in der Waschmaschine. Ein paar Schleudergänge muss er aushalten. „Wir sind soweit, dass die Bälle null Gramm Wasser aufnehmen“, sagt Harald Koerger von Adidas.
Erstmals war ein Ball bei der Fußball-WM 1986 in Mexiko, vollständig aus Kunststoff gefertigt. Die Kugel der WM 2006 in Deutschland war die erste, bei dem die 14 miteinander verklebten Kunststoffpanels eine nahtlose Oberfläche gewährleisteten. Der offizielle Spielball für Südafrika 2010 erreichte dann dank nur acht neuartiger, thermisch verschweißter Panels eine bisher einmalige Rundheit. 2012 zur EM kam der Hightech-Ball mit dem Namen Tango 12 auf den Markt, auch ein Ergebnis der bewährten Zusammenarbeit von Adidas und Bayer Material Science. Ein Merkmal dieses Balles ist die Textur der Oberfläche, die an die Struktur von Jeans-Stoff erinnert. „Die äußere Hülle besteht aus insgesamt fünf Polyurethan-Schichten auf Basis von Rohstoffen unseres Impranil-Sortiments“, erläutert Thomas Michaelis, Projektleiter für die Ballentwicklung bei Bayer Material Science in Dormagen.
„Diese Schichten sorgen für einen guten Kontakt am Fuß des Spielers und für eine sichere Beherrschung des Spielgerätes bei allen Witterungsbedingungen.“ Die innerste Lage ist ein Haftstrich, der das textile Trägermaterial mit den darüber liegenden Schichten verbindet. Darauf folgt ein rund 1 mm dicker syntaktischer Schaum, in dem Millionen mit Gas gefüllter Mikrokügelchen integriert sind. Dadurch erhält der Ball nach der Verformung beim Schuss schnell wieder seine Kugelform für eine optimale Flugbahn zurück.
Den Abschluss bilden drei kompakte Polyurethan-Schichten mit unterschiedlicher Stärke. Sie verleihen der Oberfläche eine gute Beständigkeit gegen äußere Einflüsse und Abrieb, aber auch eine hohe Elastizität. Die einzelnen Panels der Ballhülle werden durch die patentierte Thermo-Bonding-Technologie verklebt und nehmen so gut wie keine Feuchtigkeit auf. Das Ergebnis: Der Ball wird selbst bei starkem Regen nur um maximal 0,1 % schwerer und ist nahezu wasserundurchlässig. Auch hier ist eine Rohstoffentwicklung von Bayer Material Science im Einsatz: Der thermo-aktivierbare Klebstoff basiert auf einer wässrigen Polyurethan-Dispersion des Dispercoll U Sortiments.
Mehr als nur strapazierfähig
Natürlich sind auch Schuhwerk und Trikots dank maßgeschneiderter Entwicklungen aus Kunststoff auf die Bedürfnisse der Spieler ausgerichtet. Wasser- und schweißabweisende Trikots stellen einen hohen Tragekomfort über die gesamte Spieldauer sicher. Die aktuellen Fußballtrikots der Nationalmannschaften sind aus strapazierfähigem Kunststoff, reißfest und gleichzeitig leicht und aerodynamisch optimiert. Dank der speziellen Faserstruktur bleiben sie das ganze Spiel über atmungsaktiv und schweißabweisend. Aber auch die Unterkleidung soll leicht und bequem sitzen und viel Bewegungsfreiheit bieten, damit die Spieler im tropischen Klima Brasiliens nicht schwitzen.
Immer häufiger setzen Profi-Athleten sowie Amateur-Sportler auf Funktions- und Kompressionswäsche, die sie bei der Bewegung unterstützt, wie zum Beispiel Techfit Powerweb von Adidas. Durch die eingearbeiteten, elastischen Bänder, die mit einer speziellen Beschichtung auf Basis von Impranil Rohstoffen umhüllt sind, verbessern die Körperhaltung und verhindern ein vorzeitiges Ermüden. Gleichzeitig werden durch die Kompression unerwünschte Muskelvibrationen vermieden, die die Leistung ungünstig beeinflussen könnte. Impranil Polyurethan-Dispersionen sind auf rein wässriger Basis und enthalten keine Co-Lösemittel. Damit formulierte Textilbeschichtungen können deutlich abfallärmer verarbeitet werden als bei herkömmlicher Produktion. Die Beschichtungen behalten auch beim maschinellen Waschen und Trocknen ihre hervorragenden Eigenschaften bei.
Dies betrifft vor allem die Fähigkeit beschichteter Bänder, nach der Dehnung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Diese hohe Rückstell-Elastizität wird von Spannungs-Dehnungs-Tests eindrucksvoll belegt. So wollen der Sportartikel-Hersteller Adidas und der Chemiekonzern BASF künftig enger zusammenarbeiten. „Wir haben eine strategische Partnerschaft vereinbart“, sagte BASF-Chef Kurt Bock. „Bis hin zur gemeinsamen Arbeit im Labor“, ergänzte Adidas-Chef Herbert Hainer. Erstes konkretes Projekt war die Entwicklung des Laufschuhes Boost. Den neuartigen Rohstoff für die Sohle liefert BASF woraus die weiße Schaumkügelchen bestehen, die dem Läufer beim Auftreten wie eine Feder einen Großteil der Energie zurückgeben sollen. Die aus einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) Desmopan hergestellte Sohle ist langlebiger. Die Forscher haben diesen Kunststoff eigens für diesen Schuh entwickelt.
Auch neben den Platz in der Hauptrolle
Selbst der Bau der Spielstätten wäre ohne die polymeren Werkstoffe nicht mehr vorstellbar. Auffallende Beispiele sind das Nationalstadion in der brasilianischen Hauptstadt Brasília, die Arena Pernambuca in Recife und das neue Stadion in Porto Alegre. Mit dem Werkstoff Makrolon wurde das Dach des Nationalstadions in Brasília gedeckt. Bei der Planung des Stadiondachs mussten viele unterschiedliche Anforderungen berücksichtigt werden: Sicherheit, Witterungsbeständigkeit, Transparenz, Wirtschaftlichkeit und ein ansprechendes Design. Der Werkstoff Makrolon hat alle Eigenschaften, um diesen Spagat zu erfüllen. Die Polycarbonat-Platten sind robust, hoch schlagfest und bruchsicher.
Das Estádio Nacional in Brasilia hat ein kreisförmiges Hängedach mit einer Clamshell-Struktur, die an Ort und Stelle durch einen Druckring gehalten wird. Da das Wetter in Brasília rasch zwischen schweren Regenschauern und Sonnenschein wechselt, war ein Material mit hoher Witterungsbeständigkeit erforderlich. Mit einer Masse von wenigen Kilogramm pro Quadratmeter sind die Kunststoffplatten deutlich leichter als entsprechende Glaskonstruktionen, halten aber extremen Witterungseinflüssen stand und können leicht bearbeitet werden. Bei der Ausstattung mit einer speziellen UV-Absorberschicht wird zudem die schädliche UV-Strahlung der Sonne herausgefiltert. Zugleich sind die Platten sehr transparent und ermöglichen dadurch ein natürliches Wachstum des Spielfeldrasens. Die Sicherheit der Fußballfans wird durch die Erfüllung vieler internationaler Brandschutzbestimmungen gewährleistet.
Der Innenring des Stadiondachs besteht aus 110 t Makrolon UV 2099. Dank ihres relativ geringen Gewichts benötigen die Polycarbonat-Platten keine zusätzlich kostspieligen Unterkon-struktionen. Auch Außenhaut der Arena Pernambuco in Recife ist aus Kunststoff. Die Bremer Firma Vector Foiltec lieferte nicht nur die Stahlkonstruktion, sondern auch die 25.000 m² große Folienfassade aus Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE). Stefan Lehnert, einer der beiden Geschäftsführer von Vector Foiltec, nennt die Werkstofferfindung Texlo, dessen Vorteil die Leichtigkeit ist. Die Folien am Stadion in Recife sind 0,25 mm dick und wurden zu riesigen Luftkissen verschweißt. Die Fassade ist reißfest und mildert die erwarteten heißen Außentemperatur ab.
Chance für brasilianische Kunststoff-KMU
Brasilianische Klein- und Mittelunternehmen (KMU) aus der Kunststoffbranche sehen in der Fußball-Weltmeisterschaft auch neue Geschäftsmöglichkeiten. Wie Marcelo Chaves, kaufmännischer Leiter der in São Paulo ansässigen Gesellschaft Abrinde, bekannt gab, rechnet der gesamte Sektor bis Juni 2014 mit einem Umsatzplus von insgesamt 7 Mrd. BRL (2,49 Mrd. EUR). Als wichtigste Produkte führt er Behälter für Getränke oder Popcorn, Souvenirs, Geschenkartikel und Vuvuzelas an. So trägt das mittlerweile in Brasilien umstrittene Sportereignis zumindest bei den ansässigen Kunststoffverarbeitern zur Umsatzsteigerung bei.
Nachgehakt
Der Brazuca, offizieller Spielball der bevorstehenden WM, kommt auch ein stückweit aus dem Hause Bayer. Als Leiter Textilbeschichtung Europa bei Bayer Material Science begleitet Thomas Michaelis die Entwicklung schon seit vielen Jahren. Gemeinsam mit adidas stellt sich sein Team den Herausforderung, immer griffigere, rundere – also immer bessere Bälle zu jeder Europa- und Weltmeisterschaft zu präsentieren.
Plastverarbeiter: Herr Michaelis, wenn Sie zurückschauen in die Historie der Fußballentwicklung – welche Entwicklungssprünge hat es gegeben?
Als ich noch mit meinen Freunden auf der Straße gekickt habe, da spielten wir mit einem ledernen Ball. Bei Nässe vollgesogen mit Wasser, konnte man sich schon mal den dicken Zeh in Mitleidenschaft ziehen, so schwer war die Kugel. Womit wir beim Gewicht sind. 420 bis 445 Gramm, nicht mehr und nicht weniger, darf ein geprüfter FIFA-Ball wiegen. Da hat Naturprodukt Leder ausgespielt. Die gestanzten Elemente gleicher Größe, die zum Ball vernäht werden sollten, hatten bei Leder nie dasselbe Gewicht. Sie mussten zeitraubend zusammensortiert werden, damit das Gesamtgewicht zum Schluss stimmte. Das änderte sich komplett mit dem synthetischen Material. Die heutigen gestanzten Panele sind fast bis aufs Gramm gleich schwer. Ein großer Schritt hin zu einer effizienteren Produktion. Dank des synthetischen Materials wurde auch die Wasseraufnahme essentiell reduziert.
Plastverarbeiter: Wann stellten die Produzenten auf synthetisches Material um?
Das erfolgte zur WM 1986 in Mexiko. Zwei, drei Jahre hatte damals die Ball-Entwicklung gedauert. Adidas war damals an uns herangetreten. Zur WM 1998 kam erstmals eine neu entwickelte Schicht aus syntaktischem Schaum zum Einsatz – eine dichte, ebenmäßige Matrix aus Polyurethan, die aus sehr widerstandsfähigen geschlossenen Mikrokugeln besteht, die mit Gas gefüllt sind. Dieser Ball setzte damals neue Maßstäbe in Sachen Rücksprungverhalten, Passgenauigkeit und Lebensdauer. Die Hülle des Balls zur WM 2006 bestand aus vier verschiedenen Lagen des Polyurethans Impranil, insgesamt nur gut einen Millimeter dick.
Plastverarbeiter: Was bedeutet Rücksprungverhalten?
Auf einen Fußball wirken extreme Kräfte ein. In Superzeitlupen kann man erkennen wie sich der Ball in dem Moment verhält, in dem er geschossen wird oder auf eine Wand trifft. Er verformt sich in ungeheurem Ausmaß – und springt dann zurück in seine Ausgangsform. Das nennt man Rücksprungverhalten. Je schneller es ist, umso besser für die Spieler. Fachlich ausgedrückt heißt dass, ein gleichmäßiger Rückprall ist für die Spieler insbesondere bei der Annahme von langen Bällen – sei es mit der Brust, dem Fuß oder dem Kopf – wichtig. Springt der Ball nicht wie erwartet ab, lässt er sich kaum kon-trollieren. Wir testen das schon in der Entwicklung durch.
Plastverarbeiter: Wie geschieht das?
Im Labor wird der Ball aus zwei Metern Höhe zehnmal auf eine Stahlplatte fallengelassen. Bei einer bestimmten Temperatur muss der Ball gleichmäßig abspringen.
Plastverarbeiter: Gibt es weitere Entwicklungssprünge?
Der Ball zur Europameisterschaft in Portugal, war der erste Ball, der nicht mehr genäht, sondern komplett thermoverklebt wurde. Er war dadurch akkurater und reaktionsschneller als je zuvor. Und beim Ball zur WM in Deutschland waren es nicht mehr Fünf- oder Sechseck-Elemente, die verklebt wurden, sondern zungen- und propellerförmige Panels. Das Ergebnis: ein noch runderer Ball, der noch präziser zu spielen war.
Plastverarbeiter: Was macht den aktuellen WM-Ball besonders?
Die Technologie, also das Mehrschichten-Konzept, ist so wie beim Vorgänger. Aber das Design unterscheidet sich enorm. Die eingesetzten Farben sind Grün, Orange, Blau und Schwarz – so bunt und fröhlich wie der Karneval in Brasilien.
Nachgehakt
Die Fußballweltmeisterschaft in Brasilien ist ein Ereignis, auf das die Welt blickt. Das Thema Kunststoffrasen kommt im Zusammenhang immer wieder hoch. Friedemann Söll, Produktmanager bei Polytan, Burgheim, nahm dazu Stellung.
Plastverarbeiter: Kunstrasen oder Naturrasen, eine unnötige Diskussion?
Gerade in Ländern mit klimatischen Extrembedingungen wie Brasilien haben Kunstrasenplätze viele Vorteile, da sie oftmals beständiger gegenüber Umwelteinflüssen als Naturrasen sind.
Plastverarbeiter: Wie ist ein solches Kunststoffrasen-System aufgebaut und welche Anforderungen muss es erfüllen, um zugelassen zu werden?
Polytan STI entwickelt und installiert moderne Kunststoffrasensysteme – der Systemaufbau spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die einzelnen Komponenten wie die vor Ort eingebauten (insitu) Elastikschichten, Kunststoff-Rasenbelag und Füllstoffe werden aufeinander abgestimmt. Selbstverständlich auf Grundlage der aktuellen Fassung der gültigen Normen DIN EN 15330-1 bzw. der E- DIN 18035-7. Das System setzt sich wie folgt zusammen: Die vor Ort eingebaute elastische Tragschicht bewirkt eine dauerhafte Schutzfunktion.
Sie ist für Kraftabbau und Deformation in einem exakt festgelegten Wertebereich verantwortlich. Ferner sorgt die Bauweise für eine absolut ebene Spielfläche und bleibt dauerhaft ohne Spalten und Lücken. Die Kunstrasenfasern (PE Monofilamente) stellen wir im eigenen Werk her und werden im Tuftverfahren zu einem Kunstrasenbelag verarbeitet. Hochwertige Rohstoffe sowie eine bestimmte Formulierung sorgen für Verschleißbeständigkeit und angenehme Weichheit. Diese chemische Formulierung und Konstruktion der Halme ist auch ein Garant für die Rücksprungfähigkeit der Halme – das frühzeitige Ablegen der Halme wird verhindert und die Spieleigenschaften bleiben langfristig erhalten. Das Einfüllgranulat ist eine äußerst wichtige Komponente unseres Systems, sodass mit Stollenschuhen wie auf Naturrasen gespielt werden kann. Ferner gibt es den Spielern bei Tempo- und Richtungswechseln den nötigen Halt und einen definierten Drehwiderstand.
Plastverarbeiter: Welche Monofilgarne und Polypropylene verwenden Sie?
Alle unsere Rasenfasern bestehen aus einer hochwertigen PE Polymer Formulierung, die zu 100% in unserer eigenen Forschungsabteilung entwickelt wurde. Diese exklusive Formulierung zeichnet sich selbst bei hoher Filamentdicke durch eine besonders weiche und hautfreundliche Oberfläche aus.
