Schmierstoffe sollen die Motoren von Fahrzeugen schützen. In der Regel gelingt dies hervorragend – außer bei Elektrofahrzeugen. Hier schützen herkömmliche Schmiermittel zwar vor klassischem Verschleiß – dafür aber können Sie elektrische Entladungen begünstigen. Die Konsequenz sind oftmals beschädigte Lager. Neue, leitfähige Schmierstoffe sollen da Abhilfe schaffen. Allerdings muss vorher sichergestellt werden, dass sie Mensch und Umwelt nicht gefährden. Neuartige Computertechniken unterstützen die Suche nach einem geeigneten Schmierstoffmix.

»Läuft wie geschmiert« – was bei einem herkömmlichen Fahrzeugmotor ausreicht um zu bestätigen, dass die beweglichen Teile des Motors bestmöglich gegen Verschleiß geschützt sind, greift bei den »Elektrischen« zu kurz. Für den Funktionserhalt der Motorenlager ist es zwar auch bei Elektromotoren notwendig, dass das Schmiermittel einen durchgängigen Schutzfilm bildet und so die Reibung minimiert. Allerdings ergibt sich aus genau diesem Umstand eine neue Verschleißgefahr: Die Antriebe von Elektro- und Hybridfahrzeugen arbeiten mit Spannungen von 400 Volt.

Es entstehen entsprechend starke elektrische Wechselfelder. Und da das Schmiermittel zwischen den Motorkomponenten auch als Isolator wirkt, kann es zu elektrischen Aufladungen kommen. Wird dann der Spannungsunterschied in einem Kugellager zu hoch, überbrücken oder besser: »durchqueren« die Ladungen den isolierenden Schmierfilm. Dabei entsteht so starke Hitze, dass sie das Metall schmelzen und die Kugel- oder Gleitlager schädigen kann. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte deshalb das Projekt »SchmiRmaL«. Hier entwickelten verschiedene Industrie- und Wissenschaftspartner neue Schmierstoffe, die durch Beimischung ionischer Flüssigkeiten leitfähig werden und so den unerwünschte Spannungsaufbau zwischen den Motorteilen verhindern.

Die dynamische Simulation vom Fraunhofer SCAI zeigt zum Beispiel, wie sich die Ionen (weiß und grün) einer ionischen Flüssigkeit an der Membran (orange) anreichern. Bild: Fraunhofer SCAI

»Die ausschließlich aus Ionen bestehenden Flüssigkeiten ergänzen die Schmierstoffe ideal. Ihre Eigenschaften lassen sich durch Verändern der Ionenkombinationen exakt anpassen, sie verdunsten nicht und weisen hohe Leitfähigkeit und Viskosität auf«, erklärt Dr. Thorsten Köddermann vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI.

Giftigkeitsanalysen am PC

Für einen Einsatz in der Praxis müssen die Beimischungen allerdings nicht nur die gewünschten Eigenschaften erfüllen. Entscheidendes Kriterium ist auch, dass die neuen Schmiermittel Mensch und Umwelt nicht gefährden. Konkret bedeutet das unter anderem, dass zwei wichtige Fragen beantwortet werden müssen: Wie schnell können unterschiedlichen Ionenmischungen in eine biologische Zelle eindringen? Und wie stark könnten sich die Chemikalien dort anreichern? Experimentell lässt sich beides nur schwer beantworten, weil dem Schmiermittelmix nur kleinste Spuren der ionischen Flüssigkeiten beigefügt werden sollen. Die Forscher von Fraunhofer SCAI benutzen deshalb eine Simulationsmethode, mit der sie die Eigenschaften und die Auswirkungen der ionischen Flüssigkeiten und der Schmierstoffgemische berechnen und deren Giftigkeit abschätzen können. Als Basis für die Stoffsimulationen verwenden die Forscher die am Institut entwickelten Software Tools »Wolf2Pack« und »GROW«. »Damit sind wir in der Lage, sowohl die Wechselwirkungen innerhalb als auch zwischen den Molekülen chemischer Stoffe exakt darzustellen sowie die Wirkung ihrer Eigenschaften nicht nur statisch, sondern auch dynamisch zu simulieren und zu bewerten«, so Köddermann.

Mehrwert aus Erfahrungswissen

Die Forscher unterstützen die Suche nach geeigneten Ionenmischungen für die leitfähigen Schmierstoffe zusätzlich mit speziellen – und ebenfalls am Institut entwickelten – Big-Data-Verfahren. Die Datengrundlage bilden die Ergebnisse von Experimenten mit den chemischen Stoffen oder auch Erkenntnisse aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Mit Hilfe der chemischen Strukturen und Informationen über deren Giftigkeit können sie schon früh im Entwicklungsprozess abschätzen, welches Additiv sich wie auf Mensch und Umwelt auswirken kann. (stw)

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