Mit Graphen als Schmierstoff könnten Automotoren ewig halten
Motoren und Maschinen, die ewig halten, wären für Hersteller wohl eine Horrorvision. Und doch könnten Automotoren und Maschinen künftig fast ohne Reibung laufen, wenn es wirklich gelingt, Graphen als Schmiermittel einzusetzen.
Ein Graphen-Nanoband wird mithilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops über eine Goldoberfläche gezogen. Dabei werden nur extrem kleine Reibungskräfte beobachtet.
Foto: Universität Basel/Departement Physik
Automotoren begnügen sich mit weit weniger Sprit als heute, der Wirkungsgrad von Elektromotoren nähert sich der 99-Prozent-Marke und große Maschinen in Fabriken verbrauchen erheblich weniger Strom als heute: Eine solche Vision ist keineswegs mehr utopisch. Das oft als Wundermaterial bezeichnete Graphen gleitet nahezu reibungslos über andere Werkstoffe.
Theoretisch und praktisch haben das jetzt Wissenschaftler der Universität Basel und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) nachgewiesen. Ließen sich die beweglichen Teile von Lagern mit Graphen überziehen, sänke der Verschleiß auf nahezu Null. Zusätzliche Schmiermittel wären überflüssig. Automotoren etwa hielten problemlos viele Hunderttausend Kilometer durch.
Graphen ist reißfester als Stahl
Graphen ist eine besondere Form des Kohlenstoffs. Im Idealfall ist es eine Matte, die nur eine Atomlage dick ist. Sie besteht aus Kohlenstoffatomen, die im Sechseck angeordnet sind und einer Bienenwabe ähneln. Graphen ist reißfester als Stahl, lässt sich als Halbleiter einsetzen, ist hitzefest, beständig gegen Strahlung und viele Chemikalien sowie undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten. Und eben extrem gleitfähig.
Graphen-Nanoband unter dem Elektronenmikroskop.
Quelle: Universität Basel
Die Forscher in Basel stellten unterschiedlich große Matten aus Graphen her. Mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops, das bei normaler Anwendung Oberflächen abtastet und so gut sichtbar macht, dass selbst einzelne Atome erkennbar sind, zogen sie die Matten über eine Oberfläche aus Gold. Die dazu notwendige Kraft war unvorstellbar klein. Sie lag je nach Zugrichtung zwischen 2 und 200 Piconewton (ein Piconewton ist ein Billionstel Newton, ein Newton wiederum etwa ein Zehntel Kilogramm). Diese Kraft blieb bei allen Mattengrößen gleich.
Eierkartons zur Veranschaulichung
„Man kann sich Supergleitfähigkeit an Hand von Eierkartons verdeutlichen, die man gegeneinander bewegt“, schildert Professor Werner Meyer, der die Forschungsarbeit leitet. „Verkeilen sie sich, ist die Reibung extrem groß. Aber wenn man sie etwas dreht, haben sie nur noch wenige Berührungspunkte und eine viel geringere Reibung.“
Lookheed Martin hat einen Graphen-Filter entwickelt, der Wasser und Salz trennen kann. Das Verfahren braucht nur noch wenig Energie.
Quelle: Lockheed Martin
Dass sie die physikalischen Vorgänge der Supergleitfähigkeit verstanden haben, bewiesen die Forscher durch eine Computersimulation. Dabei bildeten sie die Oberflächen von Gold und Graphen mit mathematischen Algorithmen nach. Das Ergebnis stimmte fast hundertprozentig mit dem der Experimente überein. „Unsere Resultate ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien Beschichtungen“, schreiben die Wissenschaftler in ihrem Abschlussbericht. Jetzt wollen sie das Reibungsverhalten von Graphen auf den Oberflächen anderer Werkstoffe erforschen.
Graphen lässt sich aber nicht nur als Schmiermittel einsetzen. US-Forscher haben mit dem Kohlenstoff die kleinste Leuchte der Welt konstruiert. Graphen ist ideal als Flammschutzmittel und kann Oberflächen vor Korrosion schützen. Lockheed Martin will Meerwasser durch Graphen-Filter entsalzen, und der Autobauer Tesla soll an einer Batterie auf Graphen-Basis arbeiten.
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