Gewichtsersparnis ist das Zauberwort in der Fahrzeugindustrie. Egal, ob es um geringeren Verbrauch und damit verbesserte CO2-Werte bei Verbrennungsmotoren oder um größere Reichweiten bei Elektrofahrzeugen geht. Im Rennsport, wo es auf Hundertstel-Sekunden ankommt, sind Leichtbaukarosserien seit Jahrzehnten die Regel. In länger zurückliegenden Zeiten wurden dafür zunächst Leichtmetalle verwendet. Seit mehreren Jahren kommen stattdessen Kohlefasern zum Einsatz, die zwar ein High-Tech-Image haben, aber teuer sind und in der Regel aus fossilen Rohstoffen bestehen.

Deutlich billiger – aber auch schwerer – sind Glasfasern. Als Alternative bieten sich Naturfasern an. Sie wiegen weniger als Glasfasern und kosten ­einen Bruchteil von Karbonfasern. „Deshalb fördern wir die Weiterentwicklung und Erprobung von natur-faserverstärkten Kunststoffen im Fahrzeugbau“, erklärt Dr. Andreas Schütte, Geschäftsführer der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), Gülzow-Prüzen. Und zwar dort, wo der Leichtbau seine Wurzeln hat: im Rennsport. Im Auftrag des Bundes­ministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unterstützt die FNR als Projektträger das Vorhaben Bioconcept-Car des auf nachhaltige Mobilität spezialisierten Rennteams Four Motors. Prominenter Fahrer des Bio-Scirocco 2.0 TDI ist Smudo, Frontmann der Band „Die Fantastischen Vier“. Der Musiker gehört mit Four Motors seit 2003 zu den grünen Pionieren des Rennsports. Er startet mit dem Bio-Rocco bei den Rennen der VLN-Langstreckenmeisterschaft und beim ADAC-24h-Rennen auf der Nordschleife des Nürburgrings.

„Das Projekt ist so angelegt, dass die unter den extremen Bedingungen des Rennsports gewonnen Erkenntnisse unmittelbare Relevanz für die Automobilindustrie haben“, erklärt Schütte. Neben Biopolymeren für dreidimensionale Bauteile setzen die Ingenieure erstmals flächige, naturfaserverstärkte Duromere für die Karosserie ein. Verantwortlich für die Materialauswahl und -entwicklung für das Bioconcept-Car ist Prof. Dr. Hans-Josef Endres vom Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover. Für ihn besteht ein besonderer Reiz darin, die biobasierten Bauteile nicht nur im Labor, sondern auch im Renneinsatz zu testen: „Temperaturschwankungen, Druckbelastungen, Steinschlag, Feuchtigkeit, Vibrationen, Crashs – solche Bedingungen lassen sich im Labor nicht hundertprozentig simulieren“, führt Endres aus.

Bio-Composite aus Flachs und Pflanzenöl

Die Karosserieteile bestehen – vereinfacht gesagt – aus Gewebematten, die die Wissenschaftler in eine Form legen und mit Harz tränken, das anschließend aushärtet. Nach ersten Versuchen mit einem Hanf-Flachs-Gewebe entschieden sich die Materialingenieure aus Hannover für ein reines Flachsgewebe. Flachsfasern sind zugfest, verfügbar, sehr fein, homogen, flexibel und drapierfähig, das heißt, sie passen sich den Formteilen gut an. So entstehen exakte Kanten, die für die Maßhaltigkeit und Verarbeitungsqualität der Bauteile eine wichtige Rolle spielen. „Wir haben außerdem mit verschiedenen Webtechniken experimentiert, um die Drapierfähigkeit der Naturfasergewebe zu verbessern und gleichzeitig ein optimales Flächen­gewicht im Verhältnis zur Belastbarkeit zu erreichen“, erklärt Endres.

Wichtig für die Stabilität der Naturfaser-Composites ist das kontrollierte Aushärten des Harzes im Ofen. Die chemische Reaktion muss vollständig abgeschlossen sein. Andernfalls würde der Prozess später zum Beispiel durch Motorwärme oder Sonneneinstrahlung wieder in Gang gesetzt, und die Karosserieteile würden sich verformen. Je nach Bauteil und eingesetztem Harz dauert das Aushärten im Ofen einige Stunden.

Da das Bioconcept-Car während der Projektphase bei den VLN-Rennen startet, geht das Team von Endres schrittweise vor und entwickelte zunächst ein praxistaugliches Gewebe aus Pflanzenfasern. Die Wissenschaftler verarbeiten es mit einem petro-chemischen Harz, dessen technische Eigenschaften wie Schwindungsverhalten oder Aushärtetemperatur bekannt sind. Erst in einem weiteren Schritt setzen sie in Kombination mit den Naturfasern eine biogene Matrix ein. „So minimieren wir die Unwägbarkeiten durch erstmals eingesetzte Komponenten und können gewährleisten, dass die Bauteile den Renn­belastungen auf jeden Fall standhalten“, erläutert Endres. Als Rohstoff für ein geeignetes Bioharz kommen beispielsweise verschiedene Pflanzenöle wie Lein- oder Sonnenblumenöl in Frage, um die geforderten Eigenschaften wie Härte, Viskosität oder eine schnelle Aushärtung zu erhalten und die in Kombination mit den Naturfasern zu den gewünschten Ergebnissen führen.

„Im Rahmen des FNR-Projekts optimieren wir aber nicht nur die Materialkomponenten selbst, sondern ermitteln zunächst anhand von Prüfplatten zum Beispiel auch das optimale Faser-Matrix-Verhältnis, um die im Labor angestrebte Stabilität bei möglichst geringem Gewicht zu erreichen“, erklärt Endres. Anschließend unterzieht das Team die Probeplatten Tests wie Zugprüfung, Schlagprüfung oder Crashverhalten, bevor sie aus den Werkstoffen die Bauteile für den Renn-einsatz herstellen.

Diät erfolgreich: 60 Prozent weniger auf der Waage

Ergebnis der Entwicklungsarbeit: Durch Heckklappe, Motorhaube und Türen aus natur-faserverstärktem Duromer wiegt der Bio-Scirocco 67 kg weniger als das Serienmodell. Im Vergleich zu den entsprechenden Bauteilen aus Stahl entspricht das einer Gewichtsersparnis von rund 60 Prozent. Einige Bauteile wiegen knapp 64 Prozent weniger: So brachte die Serientür 38,5 kg auf die Waage, aus dem pflanzenfaserverstärkten Werkstoff hergestellt noch 14 kg.

Durch das geringere Gewicht kann Smudo mit dem Bio-Scirocco noch schnellere Rundenzeiten fahren. „Wenn man bedenkt, dass bei einem Serienfahrzeug 100 kg weniger Gewicht eine Kraftstoffersparnis von ­circa einem halben Liter pro 100 km bedeutet, wird die Relevanz unseres Projekts für die Automobilindustrie deutlich“, erläutert Endres. Technisch ist es möglich, naturfaserverstärkte Duromere in Serienproduktion zu produzieren. Zum Abschluss des Projekts erstellen die Ingenieure deshalb einen Katalog, der die Bauteile, die verwendeten Materialien und Produktionsprozesse detailliert aufführt sowie Anwendungsempfehlungen für die Biowerkstoffe enthält.

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Über den Autor

Dr. Gabriele Peterek ist Referentin für Öffentlichkeitsarbeit bei der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) g.peterek@fnr.de