Biopolymere im Rennwagen: Nachhaltigkeit im Härtetest

Was verbindet Smudo, Frontmann der Band “Die Fantastischen Vier”, mit einem Experten für Biokunststoffe? Antwort: Sie setzen beide auf nachhaltige Mobilität. Der Musiker engagiert sich seit mittlerweile zehn Jahren mit seinem Rennteam Four Motors für mehr Nachhaltigkeit im Rennsport und startet mit dem so genannten Bioconcept-Car bei den Läufen zur VLN-Langstreckenmeisterschaft sowie dem legendären 24h-Rennen auf dem Nürburgring. Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres, Leiter des Instituts für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover, ist für die Materialauswahl und -entwicklung des Bioconcept-Car verantwortlich. Denn der Wagen – ein aufwändig umgebauter Scirocco 2.0l – fährt nicht nur mit einem innovativen Biokraftstoffmix auf Basis von nachhaltig zertifiziertem Rapsöl, sondern besteht zu großen Teilen aus neuartigen Biowerkstoffen.

Foto: FNR/Michael Hauri

Während die Heckklappe, Motorhaube, Türen und andere Karosserieteile aus einem pflanzenfaserverstärkten Duromer bestehen, kommen in den nächsten Monaten erstmals auch komplexer geformte Bauteile aus Biopolymeren oder naturfaserverstärkten Kunststoffen im Spritzgießverfahren hinzu. Damit wird Smudos “Bio-Rocco”, wie ihn Fans getauft haben, zu einem echten Hightech-Technologieträger. Auf der Arbeitsliste der Entwickler stehen unter anderem Spiegelgehäuse aus Bio-PTT (Polytrimethylterephthalat), ein Tankdeckel aus einem Bio-Polyamid-Composite, Luftleitungen aus thermoplastischen Bioelastomeren sowie Gehäuse für technische Baugruppen aus verschiedenen Biokunststoffen.

Gefördert wird das Bioconcept-Car vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Förderkennzeichen 22009811. “Das Projekt liefert Ergebnisse, die für Industrieunternehmen direkt anwendbar sind”, erklärt Dr.-Ing. Andreas Schütte, Geschäftsführer der FNR. “So geben wir starke Impulse für den Einsatz biogener Werkstoffe in der Serienproduktion”. Die FNR denkt dabei aber nicht nur an den Automotivsektor. “Das Bioconcept-Car veranschaulicht die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Biopolymeren und liefert Anstöße für alle Branchen. Denn ohne Kunststoffe wird weder ein Haus gebaut noch ein Smartphone produziert.”

Unternehmen den Weg in die Zukunft ebnen
Dennoch sind insbesondere Automobilhersteller an den neuen Biowerkstoffen interessiert, denn die Schläuche, Gehäuse oder Fassungen aus diesen Materialien werden im IfBB mit den gleichen Anlagen und Werkzeugen produziert wie die Originale aus fossilen Rohstoffen. Ein Katalog dokumentiert später alle Bauteile, Produktionsprozesse und verwendeten Materialien. Mit diesem Katalog soll der Automobilindustrie ein kompaktes Hilfsmittel zur Verfügung gestellt werden, anhand dessen dort die Prüfung der Verwendbarkeit der neuen Materialien leichter erfolgen kann. Allerdings ist es bis dahin ein langer Weg. Zunächst werden geeignete Biokunststoffe ausgewählt und für das jeweilige Anforderungsprofil durch Additive und Blending optimiert, bei Verbundwerkstoffen sorgen Kurzfasern von weniger als einem Millimeter Länge für Verstärkung.

Wichtig sind bei der Optimierung nicht nur die geforderten Gebrauchseigenschaften, sondern auch die Verarbeitungsfähigkeit. Denn die Biopolymere sind zum Beispiel in der Spritzgussanlage hohen Temperaturen und bis zu 1.000 bar Druck ausgesetzt. Zudem sollen sie sich perfekt an die Form schmiegen und nach wenigen Sekunden leicht wieder davon lösen. “Wir müssen die Verarbeitungseigenschaften der biogenen Werkstoffe an die vorhandenen Werkzeuge anpassen. So kann die Industrie ohne große Investitionen auf die Verarbeitung von Biokunststoffen umstellen”, fasst Prof. Endres zusammen.

Damit die neuen, nachhaltigen Werkstoffe in Kriterien wie Viskosität, Schwindungsverhalten und Gebrauchseigenschaften den fossilen Kollegen ebenbürtig sind, bieten sich Drop-In-Lösungen an: Dabei wird die chemische Zusammensetzung eines konventionellen Kunststoffs aus nachwachsenden Rohstoffen sozusagen nachgebaut. Vorteil: Die resultierenden Materialeigenschaften sind von Anfang an bekannt. Doch solche Drop-Ins sind nicht immer möglich. Oft müssen Prof. Endres und sein Team zunächst biogene und petrobasierte Stoffe kombinieren, um die Materialanforderungen zu erfüllen. Durch weitere Entwicklungsarbeit wird dann der Bioanteil Schritt für Schritt erhöht.

Umfangreiche Entwicklungsarbeit
Ist ein geeignetes Biopolymer in seiner Zusammensetzung bestimmt, folgt mit dem Compounding – dem Verarbeiten aller Bestandteile zu einer homogenen Masse – der nächste Entwicklungsschritt. Denn dabei darf beispielsweise durch die Knet- und Scherkräfte nicht zu viel Wärme entstehen, Blasen- oder Schaumbildung muss vermieden werden. Erst wenn auch dieser Prozess optimiert ist, wird am IfBB aus dem neuartigen Werkstoff ein Granulat hergestellt, aus dem schließlich im Spritzgießverfahren ein Probebauteil entsteht. Das muss sich bei Zugversuchen, Schlagzähigkeitstests, chemischen Untersuchungen und vielen weiteren Prüfungen bewähren, sonst sind weitere Feinabstimmungen nötig. Erfüllt der Kandidat schließlich alle Anforderungen, produziert das IfBB-Team aus dem neuen Werkstoff ein Fahrzeugteil. Es wird in das Bioconcept-Car eingebaut und am Ende des Projekts erneut geprüft, um zu dokumentieren, wie der Biowerkstoff auf die realen Belastungen im Renneinsatz reagiert.

Der gesamte Prozess verdeutlicht, wie viel Entwicklungsarbeit in jedem der neuen Biopolymere und biogenen Composites steckt. “Aber schließlich geht es darum, Werkstoffe aus strategisch sicheren und langfristig verfügbaren Rohstoffen herzustellen”, beschreibt Prof. Endres das übergeordnete Ziel. Durch steigende Ölpreise wächst der Druck auf Unternehmen, Alternativen zu petrobasierten Lösungen einzusetzen. Ebenfalls außer Frage steht, dass die ökologischen Vorteile nachwachsender Rohstoffe – etwa der Klimaschutz durch eine Verbesserung der CO₂-Bilanz – immer stärker in den Fokus rücken. “Im Energiesektor gehört den erneuerbaren Quellen unbestritten die Zukunft”, so Prof. Endres. “Genauso führt im Werkstoffbereich kein Weg an den biogenen Rohstoffen vorbei. Vorausgesetzt natürlich, dass sie nachhaltig erzeugt wurden. Nur so werden die aus ihnen hergestellten Endprodukte die erforderliche Verbraucherakzeptanz finden.”

Biopolymere aus nachwachsenden Rohstoffen
Die Ausgangsmoleküle für Biopolymere liefern Pflanzenstärke, etwa aus Mais, Kartoffeln oder Weizen, sowie Pflanzenöle (z.B. aus Raps, Rizinus oder Lein). Genutzt wird auch der Zucker aus Zuckerrüben oder Zuckerrohr. Aus diesen Grundstoffen werden durch verschiedene biotechnologische Prozesse und chemische Umwandlungen Alkohole, Fettsäuren und andere Rohstoffe für die Herstellung von Polymeren gewonnen. Als Verstärkung von Biokunststoffen kommen Kurzfasern, unter anderem von Flachs- und Hanfpflanzen, oder Holzfasern zum Einsatz.

Vermehrt setzen Wissenschaftler aber auch auf die Nutzung von Rest- und Abfallstoffen. In Frage kommen zum Beispiel Pflanzenreste aus der Futter- und Nahrungsmittelproduktion, Stroh, Abfallholz, Biomüll, cellulosehaltige Industrieabwässer oder Frittierfette. Diese zunächst stoffliche Verwertung hat den Vorteil des so genannten “Kaskadennutzens”: Aus Biomasse entstehen biogene Werkstoffe, die nach dem Recycling erneut als Polymerwerkstoffe dienen. Bei der Entsorgung können sie dann für die CO₂-neutrale Energiegewinnung genutzt werden.

Source

FNR, Pressemitteilung, 2012-10-10.

Supplier

Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB)
Universität Hannover

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