Nanotechnologien im Automobil

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1 Hessisches Ministerium für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung Nnotechnologien im Automobil Innovtionspotenzile in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie Hessen Nnotech

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3 Nnotechnologien im Automobil Innovtionspotenzile in Hessen für die Automobilund Zuliefer-Industrie Bnd 3 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech

4 Impressum Nnotechnologien im Automobil Innovtionspotenzile in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie Bnd 3 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung Erstellt von: Dr. Mtthis Werner, Wolfrm Kohly, Mirjn Šimić NMTC Nno & Micro Technology Consulting Soorstrße 86, D Berlin Crl-Ernst Forchert, Wolf-Christin Rumsch, Veit Klimpel, Jessic Ditfe INPRO Innovtionsgesellschft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fhrzeugindustrie mbh Hllerstrße 1, D Berlin Redktion: Dr. Riner Wldschmidt (Hessisches Ministerium für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung) Alexnder Brcht, Mrkus Lämmer (Hessen Agentur, Hessen-Nnotech) Dr. Thorsten Rlle (TÜV Hessen, vormls TTN-Hessen, c/o IHK Offenbch) De Cie GmbH Herusgeber: HA Hessen Agentur GmbH Abrhm-Lincoln-Strße D Wiesbden Telefon Telefx Der Herusgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genuigkeit und die Vollständigkeit der Angben. Die in der Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der Meinung des Herusgebers übereinstimmen. Hessisches Ministerium für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung Refert Öffentlichkeitsrbeit Kiser-Friedrich-Ring 75 D Wiesbden Vervielfältigung und Nchdruck uch uszugsweise nur nch vorheriger schriftlicher Genehmigung. Gestltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Icons: RESOLUT DESIGN, Prof. Mühlenberend, Leipzig Druck: Werbedruck Schreckhse, Spngenberg Dezember 2006 Unveränderter Nchdruck April 2008 Abbildung Titel: DimlerChrysler (groß) Links: De Cie GmbH Mitte: NANO-X GmbH Rechts: Hereus Noblelight GmbH

5 Inhlt Nnotechnologien im Automobil mehr individuelle Mobilität für lle... 2 Zusmmenfssung... 4 Nnotechnologien ws ist ds? Funktionlitäten der Nnotechnologien... 8 Anwendungen der Nnotechnologien im Automobil Die Außenhut des Automobils Die Autokrosserie Ds Interieur des Automobils Fhrwerk und Reifen Elektrik und Elektronik Motor und Antrieb Ds wirtschftliche Potenzil der Nnotechnologien für die Automobil- und Zuliefer-Industrie Forschungsprogrmme, Finnzierungsmöglichkeiten und Netzwerke Regionle Aktivitäten und Netzwerke Weitere Netzwerke Stellungnhmen wichtiger Verbände Verbnd der Automobilindustrie (VDA) Kompetenzfeld Nnotechnik des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) ZVEI Zentrlverbnd Elektrotechnikund Elektronikindustrie e.v Anhng Glossr Internetlinks zu Nnotechnologien Literturverzeichnis

6 Nnotechnologien im Automobil mehr individuelle Mobilität für lle Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung Individuelle Mobilität ist ein Grundbedürfnis der Menschen und eine wichtige Grundlge für die Entwicklung moderner Gesellschften. Hiern ht ds Automobil uch in bsehbrer Zukunft entscheidenden Anteil. Nch einer Schätzung der Vereinten Ntionen wird sich der weltweite Fhrzeugbestnd bis zum Jhr 2030 von derzeit 750 Millionen uf rund 1,5 Millirden Pkw und Nutzfhrzeuge verdoppeln. Treibende Krft dieser Entwicklung ist die weiter wchsende Nchfrge nch Automobilen in schnell wchsenden Märkten wie Chin, Indien, Kore, Brsilien oder Russlnd. Der zunehmende Wohlstnd der Menschen in diesen Regionen wird dzu führen, dss uch sie die Möglichkeiten zu mehr individueller Mobilität nutzen wollen, dzu mehr Fhrzeuge kufen und diese immer häufiger benutzen werden. Mit dem erhöhten Verkehrsufkommen steigt ber uch der weltweite Bedrf n Energie und Rohstoffen. Es stellen sich zudem weitere drängende Frgen nch der Sicherheit der Insssen, intelligenten Verkehrsleitsystemen, der Reduktion von Schdstoffen und effektivem Recycling m Ende der Wertschöpfungskette zur Schonung knpper Ressourcen. Vor diesem Hintergrund bieten sich heimischen Automobilherstellern und -zulieferern einzigrtige Potenzile. Gleichzeitig werden sie zukünftig ber in einem zunehmend härter werdenden interntionlen Wettbewerb uch enormen Herusforderungen usgesetzt sein. Unternehmen und Wissenschft in ller Welt richten dher ihre Forschung und Entwicklung zunehmend druf us, die Sicherheit, den Komfort und die Umweltverträglichkeit des Automobils den zukünftigen Bedingungen so nzupssen, dss die Vorzüge individueller Mobilität nchhltig gesichert werden können. Nnotechnologie spielt dbei eine wichtige, wenn nicht gr die entscheidende Rolle. Sie liefert wesentliche Beiträge bei der notwendigen Entwicklung und Produktion innovtiver Mterilien und Prozesse im Automobilbereich. Moderne Reifen beispielsweise erhlten ihre hohe Lufleistung, Hltbrkeit und Strßenhftung durch nnosklige Rußprtikel und Kieselsäure. Mterilien mit Nnoprtikeln oder Schichten im Nnometermßstb erzeugen vorteilhfte Effekte n Innen- und Außenflächen, Krosserie oder in Motor und Antrieb. Weit wichtiger wird es jedoch sein, die bhnbrechenden Ergebnisse der Nnotechnologien in Produkte umzusetzen, die die Umweltverträglichkeit und Sicherheit der Fhrzeuge so erhöhen, dss Automobile individuelle Mobilität für breite Schichten bieten können, ohne die Lebensgrundlgen der Menschen zu gefährden. Nur mit Hilfe von Nnotechnologien erscheint es möglich, die Säulen des Prinzips Nchhltigkeit gleichermßen zu berücksichtigen: Ökologie durch die Schonung von Umwelt und knppen Ressourcen, Ökonomie durch die Schffung und Sicherung wettbewerbsfähiger Arbeitsplätze sowie Bereitstellung individueller Mobilität in ller Welt. 2

7 Für die heimische Industrie gilt es, diese einmligen Innovtionspotenzile der Nnotechnologien im globlen Meg-Mrkt Automobil zu nutzen und so ihre gute Ausgngsposition zu sichern und uszubuen. Leider sind die großen Chncen noch nicht überll in usreichendem Mße beknnt. Die vorliegende Broschüre soll dher ktuelle und zukünftige Trends von Nnotechnologien im Automobil ufzeigen und mit den Stärken heimischer Unternehmen uf diesen Gebieten zusmmenführen. Es ist mein Wunsch, erfolgversprechende Möglichkeiten der Nnotechnologien im Fhrzeugbu ufzuzeigen und dmit notwendige Innovtionsprozesse in hessischen Unternehmen der Automobilund Zulieferindustrie nzustoßen. Denn nur mit innovtiven Lösungsnsätzen werden hessische Anbieter zu den Gewinnern im globlen Wettbewerb um individuelle Mobilität gehören. Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschft, Verkehr und Lndesentwicklung 3

8 Zusmmenfssung Nnotechnologien gewinnen weltweit n wirtschftlicher Bedeutung. Zhlreiche Produkte enthlten bereits heute nnotechnologische Komponenten oder werden mit Hilfe der Nnotechnologien hergestellt. Die Vorzeichen für einen umfssenden industriellen Umbruch durch Nnotechnologien sind us nturwissenschftlicher Sicht seit den chtziger Jhren des zwnzigsten Jhrhunderts erkennbr. Heute herrscht ein llgemeiner Konsens drüber, dss Nnotechnologien mittel- bis lngfristig Einfluss uf prktisch lle Lebens- und dmit Wirtschftsbereiche gewinnen werden. Im Unterschied zu vielen nderen Hochtechnologien hben Nnotechnologien Querschnittschrkter und besitzen dmit ein sehr breites Anwendungspotenzil in vielen wirtschftlichen Bereichen. Nnosklige Füllstoffe wie Rußprtikel finden Einstz in Autoreifen, in Drucktinten oder Lcken. Die nnometergroßen Abmessungen von elektronischen Buelementen und funktionlen Schichten in Leseköpfen erluben eine drstisch verbesserte Leistungsfähigkeit von Festpltten. Ktlystoren und Luftfiltersysteme sorgen für subere Luft im und ußerhlb des Automobils. Optische Schichten zur Reflexionsminderung uf Armturenbrettern oder wsser- und schmutzbweisende esy-to-clen - Oberflächen uf Autospiegeln und Scheiben sind weitere Beispiele für Anwendungen von Nnotechnologien in Automobilen. Mit derrtigen Endprodukten werden bereits heute Millirden-Umsätze generiert. Nnotechnologien fließen dbei ls Bestndteil des Produktes oder in die Produktionstechnik ein. In der Produktionstechnik für den Automobilbu der Zukunft hben nnotechnologische Kleber ein enormes wirtschftliches Potenzil, d sich mit ihnen Energie bei Fügeprozessen einspren lässt. Eine interessnte Anwendung ergibt sich durch Klebstoffe, die mit mgnetischen Nnoprtikeln modifiziert sind. Die Einkopplung von thermischer Energie in Form von Mikrowellenstrhlung löst die für den Klebevorgng nötige chemische Rektion us. Mit Hilfe von Nno-Additiven in Kunststoffen können deutlich verbesserte Verrbeitungseigenschften in Spritzgießmschinen erzielt werden. Hier sind Energieeinsprungen von bis zu 20 Prozent möglich. Alterntiv lässt sich die Zykluszeit um bis zu 30 Prozent reduzieren. Formwerkzeuge können einfcher gestltet und neue Buteile dünnwndiger sein, so dss deutlich Mteril eingesprt wird. Außerdem wird die Menge n Ausschuss reduziert. Dieses gerde uch bei hoch belsteten Teilen wie Gehäusen und Funktionsteilen von elektrischen Antrieben, in Scheibenwischerrmen, Türgriffen, Scheinwerferstrukturen, Spiegelsystemen, Verbindungselementen, Schiebedchelementen, in Gehäusen für Schließnlgen und vielen weiteren Anwendungen. Prktisch lle physiklischen und chemischen Eigenschften eines Polymers können mit Füllstoffen modifiziert werden. Anreiz sind die erheblichen Eigenschftsverbesserungen wie Krtzfestigkeit oder eine größere mechnische Stbilität. Jüngste Entwicklungen erluben es, konventionelle Autoscheiben us Gls durch im Nnometerbereich beschichtete Kunststoffe zu ersetzen. Hierbei steht die Entwicklung trnsprenter, leichter, krtzfester und zugleich steifer Werkstoffe im Vordergrund. Eine weitere Möglichkeit Krftstoffverbräuche und Emissionen zu reduzieren sowie die Energieeffizienz zu steigern, besteht in der nnotechnologischen Beschichtung von Zylinderlufbhnen. Ddurch können die erheblichen Reibungsverluste in heutigen Motoren künftig deutlich reduziert werden. Die Brennstoffzelle ls lterntiver Antrieb und Versorger der Autoelektronik ist heute bei fst llen Automobilherstellern in der Erprobung. Nnotechnologien können uch hier entscheidende Impulse liefern. Beispiel sind die Zellenelektrode, die Diffusionsmembrn oder uch Systeme zur Wsserstoffspeicherung. Diese und weitere Beispiele werden in vorliegender Broschüre vorgestellt. Innovtionen und Spitzentechnologien sind zwingende Vorussetzungen, um die Wettbewerbsfähigkeit im Automobilbu zu erhlten. Zunehmende sttliche Reglementierungen bei Sicherheit und Umweltverträglichkeit sowie steigende Kundennforderungen in Bezug uf Leistung, Komfort und Design von Automobilen werden die künftigen Treiber für die Entwicklung innovtiver Technologien sein. Diese sind wesentlicher Bustein eines integrierten Mobilitätsmngements für die Zukunft. In Hessen wurde dzu die Inititive Stufreies Hessen 2015 ins Leben gerufen, um Konzepte zur Stuvermeidung und Verkehrssteuerung zu entwickeln. 4

9 Nnotechnologische Kompetenz wird künftig zu einer Kernfähigkeit im Automobilbu gehören (Volkswgen 2003). Sie wird erforderlich sein, um die interntionle Wettbewerbsfähigkeit dieser für die deutsche Volkswirtschft wichtigen Brnche zu erhlten. Hessen setzt konsequent uf Nnotechnologien. Die Stndortbedingungen sind uch im weltweiten Vergleich hervorrgend. So hben verschiedene Großunternehmen der Chemiebrnche die zu den Weltmrktführern im Bereich Nnotechnologien gehören sowie interntionl renommierte Automobil- und Zuliefer-Unternehmen ihren Sitz in Hessen. Eine wchsende Zhl n kleinen und mittelständischen Unternehmen nutzten die Nnotechnologien für ihre Produkte beziehungsweise deren Produktion. Gerde kleinere Unternehmen hben unter Beweis gestellt, dss bereits heute Nnotechnologien zu trgfähigen unternehmerischen Konzepten führen können. Weit mehr ls 100 Unternehmen in Hessen setzen Nnotechnologien für ihre Produkte oder die Produktion ein. Mehr ls 20 Unternehmen dvon beliefern die Automobilindustrie mit Produkten, die den Nnotechnologien zuzuordnen sind. Gemäß der mtlichen Sttistik ist der Wirtschftsbereich Herstellung von Krftwgen und Krftwgenteilen mit rund Beschäftigten und einem Umstz von 12,3 Mrd. Euro im Jhr 2005 nch der Chemischen Industrie und dem Mschinenbu die drittgrößte Industriebrnche in Hessen (Buer 2006). In dieser Sttistik ist ber ein bechtlicher Teil der Automobilzulieferer und zwr Unternehmen, die den Großteil ihrer Produktion n die Automobilindustrie bsetzen, selbst ber sttistisch zu einer nderen Brnche zählen nicht enthlten und somit für die Gesmtbetrchtung noch hinzuzurechnen. Beispiele für derrtige Unternehmen sind Reifenhersteller (Gummi- und Kunststoffindustrie) oder Produzenten von elektronischen Bukomponenten sowie Mess- und Regeltechnik für ds Automobil (Elektroindustrie). Bezieht mn diese Zuliefererunternehmen mit ein, ist die gesmte Automobilindustrie mit etw Beschäftigten nch der Chemie sogr die zweitwichtigste Industriebrnche in Hessen. Automobilindustrie in Hessen uf die Herstellung von Krftwgenteilen und -zubehör usgerichtet. Ds Produktionsspektrum reicht von gnzen Systemen wie Chssis, Getrieben, Gelenkwellen und Reifen über kleinere Teile (zum Beispiel Bremsscheiben, Gleitlger und Schläuche) bis hin zu vielfältigen elektronischen Buteilen und Komponenten (zum Beispiel LCD-Anzeigen, Cr-Multimedi, Einspritz- und Telemtiksysteme). Die vorliegende Unternehmerbroschüre zeigt zhlreiche existierende und in der Forschung befindliche potenzielle Anwendungen von Nnotechnologien für die Automobil- und Zuliefer-Industrie uf. Ausgehend von wichtigen Funktionlitäten der Nnotechnologien werden verschiedene Anwendungsbeispiele für die Außenhut des Automobils, die Krosserie, ds Interieur, ds Fhrwerk sowie für den Motor und Antrieb beschrieben. Druf ufbuend wird uf ds wirtschftliche Potenzil eingegngen und es werden relevnte Forschungsprogrmme, Netzwerke, Ansprechprtner und Verbände drgestellt. Die Broschüre soll uch dzu dienen die Vielfältigkeit der Anwendungen der Nnotechnologien im Automobilbereich drzustellen, um dem Leser die Möglichkeit zu geben, für sein Betätigungsfeld mögliche Anwendungen und Potenzile zu identifizieren. Neben Opel sind uch ndere wichtige Automobilproduzenten wie zum Beispiel DimlerChrysler und Volkswgen mit Werken in Hessen vertreten. Dneben sind exemplrisch die Automobilzulieferer Siemens VDO, Continentl Teves, Fuld Reifen, Pirelli, Dunlop und Delphi zu nennen. Außerdem hben interntionle Konzerne wie zum Beispiel Hond, Mzd, Hyundi und Isuzu Forschungs- und Entwicklungsstndorte in Hessen. Generell ist die [ pixelquelle.de] 5

10 Nnotechnologien ws ist ds? Nnotechnologien sind Querschnittstechnologien und umfssen viele verschiedene Wissenschftsbereiche und Anwendungsgebiete. Dzu gehören klssische Fächer wie Chemie, Physik und Mschinenbu sowie neue Disziplinen wie die Nno-Biotechnologie und Teilgebiete der Mikrosystemtechnik. Die Nnotechnologien hben dbei in den letzten Jhren zunehmend n Bedeutung gewonnen. Bereits heute werden im Großmßstb Nnoprtikel mit neuen Eigenschften produziert und in Produkten verwendet. Die ktuell m Mrkt verfügbren nnotechnologischen Produkte sind in den meisten Fällen eher unspektkulär und n vielen Stellen fst unbemerkt ein Teil des Alltgs geworden. Gegenstnd der Nnotechnologien ist die Herstellung und Untersuchung von funktionlen Strukturen kleiner ls 100 Nnometer. Ein Nnometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Auf dieser Skl gewinnen mterilbhängig Grenzflächeneffekte und große spezifische Oberflächen n Bedeutung, die mn n größeren Strukturen nicht beobchten knn. In dieser Größenordnung treten Qunteneffekte in Erscheinung, in denen ein noch weitgehend unusgeschöpftes Potenzil n neurtigen Funktionlitäten liegt. Die kritische Größe unterhlb derer sich die Mterileigenschften ändern, ist vom Mteril selbst bhängig. Durch die Änderung der Größe derrtiger Busteine, die Kontrolle der chemischen Zusmmensetzung sowie die gezielte Beeinflussung der tomren Struktur ist es möglich, mkroskopische Mterilien mit völlig neuen Eigenschften und Funktionlitäten herzustellen. D Nnotechnologien usschließlich über die geometrische Längenskl und den dmit verbundenen physiklischen, chemischen oder biologischen Effekten definiert sind, sind fst lle technischen Brnchen dvon betroffen. Die spezifische Oberfläche von einem Grmm nnokristllinen Pulvers knn, in Abhängigkeit der Korngröße des Mterils, der Fläche eines Fußbllfeldes entsprechen. Allein die Zhl der heute uf dem Mrkt befindlichen Produkte uf Bsis synthetischer Nnoprtikel liegt schätzungsweise bei etw 500. Dzu zählen Sonnenschutzcremes mit hohem UV- Schutz, nnosklige Tonerprtikel für Kopierer und Drucker, krtzfeste Autolcke, wsser- und schmutzbweisende Textilien, Golf- und Tennisschläger mit verschiedenen Arten von Kohlenstoffbeimischungen mit erhöhter Stbilität, nnoprtikuläre Mterilien in Bbywindeln zur besseren Absorption der Feuchtigkeit sowie Frischhltefolien zur höheren Reißfestigkeit und Gspermebilität (BMU 2005). Ein Beispiel für die Anwendung von Nnotechnologien im Automobil sind Reifen. Heutige Reifen erhlten ihre hohe Lufleistung, Hltbrkeit und Strßenhftung durch feine Rußprtikel, die im Englischen Crbon Blck gennnt werden. Eine neue Fmilie dieses Stoffes, so gennnte Nnostrukturruße, erlubt es drüber hinus, die Lebensduer des Reifens noch weiter zu erhöhen sowie weitere Eigenschften, wie zum Beispiel Griffigkeit, zu verbessern. Nnostrukturruße werden durch thermische Zersetzung von Rußöl hergestellt. Hier hben Fortschritte VW-Käfer Mrienkäfer Nnoweb Eisentome Meter Millimeter Mikrometer Nnometer Größenvergleich 6

11 Festpltten ls Mssenspeicher werden in nher Zukunft verstärkt im Automobil eingesetzt werden. [ Western Digitl Corp.] der Anlyse- und Messtechnik sowie ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zur gezielten Modifizierbrkeit der Rußprtikel geführt. Dbei sind verschiedene Strukturen und Oberflächen einstellbr und dmit die Eigenschften steuerbr. Ein weiteres Beispiel ist der Einzug von Nnotechnologien in die Bereiche Fhrzeugnvigtion und Audiosysteme. So werden schon heute gezielt für den Einstz in Fhrzeugen entwickelte Festpltten produziert, uf denen sich Filme bspeichern lssen, die uf dem Nvigtionssystem ngesehen werden können. Diese neue Festplttentechnologie wird den speziellen hohen Anforderungen, die sie für die Verwendung im Automobil erfüllen müssen, immer mehr gerecht. Herusforderungen n die Festpltten sind unter nderem enorme Temperturschwnkungen im Fhrzeuginneren und hochfrequente Vibrtionen eines Automotors. Aber uch der Treibstoffverbruch und die Schdstoffemission von Dieselfhrzeugen knn durch Treibstoffzusätze und Abgsktlystoren, die die Verbrennungseffizienz durch nnosklige Ktlystoren erhöhen, verbessert werden. Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche der nnokristllinen Ktlystoren sind diese besonders rektiv. Optimierung der Verbrennungseffizienz und Reduktion des Treibstoffverbruchs von Dieseltreibstoffen durch Treibstoffzusätze und Abgsktlystoren. [ Oxonic] Nnosklige Füllstoffe wie Crbon Blck oder Silic sind Bestndteile moderner Autoreifen. [ Pirelli GmbH] 7

12 1 Funktionlitäten der Nnotechnologien Nnotechnologien können ufgrund ihrer Effekte und Funktionlitäten in fst llen Brnchen und Technologien zum Einstz kommen. Wegen des Querschnittschrkters sind Nnotechnologien besonders wichtig für viele Bereiche des Automobilbus. Die bisher erforschten Funktionlitäten nnotechnologischer Mterilien, Produkte und Verfhren bieten einen nwendungsorientierten Zugng zu den Nnotechnologien für Unternehmen (Heubch 2005). Diese Phänomene sind eng mit Produktnutzen und -funktion und dmit kundenorientierter Nchfrge verbunden und stellen ds Bindeglied zwischen den Nnotechnologien und dem Automobilbu dr. Für den Automobilbu relevnte Funktionlitäten werden im Folgenden vorgestellt (ngelehnt n TAB 2003). Mechnische Funktionlitäten Die deutlich verbesserten mechnischen Funktionlitäten nnostrukturierter Festkörper sind höhere Härte, Bruchfestigkeit und -zähigkeit bei niedrigen Temperturen oder Superplstizität bei hohen Temperturen. Grundlge der Effekte ist eine Verkleinerung der Korngröße, so dss Größen erreicht werden, unterhlb derer im Korn selbst keine plstischen Verformungsmechnismen mehr blufen können. Für Anwender ergeben sich hierus Nutzen wie zum Beispiel eine verlängerte Lebensduer von Produktionswerkzeugen oder uch effektivere Schmiersysteme und optimierte Leichtbuwerkstoffe. Geometrische Effekte Wesentliche Rektionen zwischen gsförmigen oder flüssigen Medien und festen Medien spielen sich häufig in Nnometer-Dimensionen n der Kontktfläche b. Die Wechselwirkung mit diesen Medien stellt dher n die Oberfläche von Prtikeln, Poren, Fsern, Hlbfertig- und Fertigprodukten besondere physiklische und chemische Anforderungen. Bei den Schutzfunktionen ist dies unter nderem die Beständigkeit gegen Oxidtion, Korrosion, mechnischen Verschleiß und hohe Temperturen (BMBF 2002). Aufgrund der geringen Größe von Nnostrukturen gewinnt ds extreme Oberflächen- zu Volumen-Verhältnis dieser Werkstoffe n Bedeutung. Die große spezifische Oberfläche und die Oberflächeneigenschften von nnostrukturierten Mterilien beeinflussen dher die chemische Rektivität. Bei Poren im Nnometerbereich in einem Werkstoff treten zum Teil vollkommen neue Effekte uf, die zum Beispiel in neurtigen Nnofiltern genutzt werden können. Elektronische / Mgnetische Funktionlitäten Im Nnometerbereich treten Qunteneffekte uf, die bei größeren Objekten nicht zu beobchten sind. Ldungsträger, die sich in Festkörpern nhezu ungehindert im gesmten Volumen bewegen können, werden durch die engen Dimensionen von Nnoobjekten in ihrer Bewegungsfreiheit strk eingeschränkt. In einem Mteril mit mkroskopischen Dimensionen, ds us nnokristllinen Kristlliten besteht, die durch Korngrenzen voneinnder getrennt sind, ist dieses Verhlten ebenflls zu beobchten. Durch die Streuung von Ldungsträgern n Grenzflächen ändern sich verschiedene elektronische Eigenschften. Dher sind häufig ein Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstndes und eine Änderung der Temperturbhängigkeit des Widerstndes im Vergleich zu einem Mteril mit Kristlliten im Mikrometerbereich zu beobchten. Die Mnipultion der Korngröße eines derrtigen Mterils erlubt lso die elektronischen Eigenschften entsprechend einzustellen. Zu den mgnetischen Eigenschften von Festkörpern gehören Prmgnetismus und Ferromgnetismus. Durch die Verringerung der Größe ferromgnetischer Domänen lssen sich mkroskopische mgnetische Eigenschften (zum Beispiel Sättigungsmgnetisierung, Remnenz) beeinflussen. In der Prxis genutzt wird der Riesen-Mgnetowiderstndseffekt (GMR-Effekt), der in Mgnetfeldsensoren zum Einstz kommt, in mgnetischen Speicherelementen (Mgnetic RAM, MRAM) oder in Klebstoffen, die mit mgnetischen Nnoprtikeln so modifiziert sind, dss die Hfteigenschften schltbr werden. Optische Funktionlitäten D Nnoprtikel deutlich kleiner sind ls die Wellenlänge sichtbren Lichts, tritt n ihnen keine Reflexion uf. Dispersionen von Nnoprtikeln us sonst undurchsichtigem Mteril können dher trnsprent erscheinen. Nnoprtikel können llerdings Streueffekte verurschen, bei denen kürzere Wellenlängen stärker ls längere bgelenkt werden, ws zu Frbeffekten führen knn (TAB 2003). Durch ds Mßschneidern der Größe von Nnoprtikeln lässt 8

13 sich spezifisch ein schrf begrenzter Wellenlängenbereich (eine Frbe) einstellen, in dem ds Mteril Licht bsorbiert oder emittiert. Genutzt wird dies in trnsprenten Dispersionen von Nnoprtikeln oder in optisch funktionlen Oberflächen, wie zum Beispiel bei der Entspiegelung von Solrzellen oder im Bereich der optischen Anlyse und der Informtionsübertrgung. Ein weiteres zukünftig wichtiges Beispiel sind Quntenpunkte. Mit Hilfe von so gennnten Quntenpunkten können Lser konstruiert werden, deren Wellenlänge (Frbe) durch die Größe der Quntenpunkte in gewünschter Weise eingestellt werden knn. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoOptik, Bnd 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Chemische Funktionlitäten Die chemische Funktionlität von Nnoobjekten beruht wesentlich uf deren Oberflächenstruktur. Nnostrukturierte Mterilien weisen einen besonders großen Anteil n Oberflächentomen uf. Solche Atome sind ufgrund ihrer ungesättigten Bindungen besonders rektiv. Gitterverspnnungen beziehungsweise verzerrte Bindungswinkel führen zu einer erheblich vergrößerten Oberflächenenergie. Nutzbr ist dies für Oberflächen mit mßgeschneidertem Benetzungsverhlten, zur räumlichen Anordnung von funktionellen Gruppen, zur Erhöhung der chemischen Selektivität und Rektivität, ber uch der chemischen Stbilität in unterschiedlichen chemischen Verfhrensprozessen. Die nchfolgende Tbelle gibt einen kurzen Überblick über mögliche Anwendungsbereiche von nnotechnologischen Funktionlitäten im Automobilbu. In Zukunft ist mit einer Vielzhl weiterer Anwendungen zu rechnen, die nhezu lle Brnchen der Automobil- und Zuliefer-Industrie betreffen werden. Anwendungen der Nnotechnologie im Automobil Existierende Anwendungen Mögliche zukünftige Anwendungen Anwendung Funktionlitäten Außenhut Exterieur Krosserie Interieur Fhrwerk und Reifen Elektrik und Elektronik Motor und Antrieb Effekt Mechnische Funktionlität Härte, Reibung, tribologische Eigenschften, Bruchfestigkeit Nnoklrlck Reibungsrme Aggregtkomponenten Polymerverscheibung Nnosthl Crbon Blck in Reifen Nnosthl Geometrische Effekte Großes Oberflächen- zu Volumenverhältnis, Porengröße Geckoeffekt Nnofilter Geckoeffekt Supercps Brennstoffzelle Elektronische/ Mgnetische Funktionlität Größenbhängige elektrische und mgnetische Eigenschften Kleben uf Kommndo Schltbre Werkstoffe (Rheologie) GMR-Sensoren Solrzellen Piezoinjektoren Optische Funktionlität Frbe, Fluoreszenz, Trnsprenz Ultrdünne Schichten Antireflexbeschichtungen Elektrochrome Schichten Chemische Funktionlität Rektivität, Selektivität, Oberflächeneigenschften Pflege- und Versiegelungssysteme Umformung von hochfesten Stählen Korrosionsschutz Schutz vor Verschmutzung Wohlgeruch im Innenrum Ktlystoren Treibstoffzusätze [Icons: RESOLUT DESIGN] 9

14 2 Anwendungen der Nnotechnologien im Automobil Umwelt Ressourceneffizienz Wsserstoff- und Brennstoffzellen Ktlystoren Komfort Pssenger Wellness Produktttrktivität Leichte Pflege, Möglicher Einstz von Nnotechnologie im Auto Sicherheit Aktive Sicherheit Pssive Sicherheit Esy to clen, Zielrichtungen für den Einstz von Nnotechnologien im Automobil [In Anlehnung n Steingrobe 2006] Lut einer Studie des Büros für Technikfolgenbschätzung beim Deutschen Bundestg (TAB 2003) gehört nnotechnologische Kompetenz im Automobilbu der Zukunft zu den Kernfähigkeiten, die zum Erhlt der interntionlen Wettbewerbsfähigkeit unbedingt erforderlich sind. Ds Automobil ist Arbeits- und Freizeitmittel es sichert Individulität und grntiert Mobilität. Weltweit fhren circ eine dreiviertel Millirde Fhrzeuge, mit steigender Tendenz. Dher sind die Problemfelder Fhrzeugverbruch, Schdstoffusstoß, Recycling und Verkehrsufkommen uch gleichzeitig Chncen für die Industrie, sowohl für die interntionl strke deutsche Automobilindustrie ls uch für die strk mittelständisch geprägte Zulieferindustrie (BMBF 2004). Die Nutzung von nnotechnologischem Know-how für neue Funktionlitäten zielt uf die Optimierung von Umweltspekten Sicherheit Komfort b. Bereits heute gibt es eine gnze Reihe von nnotechnologischen Anwendungen in Automobilen. Die in untenstehender Abbildung drgestellten Anwendungen stellen dbei nur einige Beispiele dr. Winkel- Fest- bhängige Antireflex- Wärme- pltten beschichtung Frbe reflektierende verstärkte Verglsung Kunststoffe Metllisierung Krtzfeste Lcke von Reflektoren Ktlystor Beispiele für Anwendungen der Nnotechnologien im Automobil Krtzfestbeschichtung Hydrophobe Oberflächen [Icon Auto: RESOLUT DESIGN] Umformung Crbon Elektrochrome Li-Ionen-Btterien von Sthl Blck Rückspiegel für Hybridfhrzeuge 10

15 2.1 Nnotechnologien für die Außenhut des Automobils Im Bereich der Oberflächentechnik erluben nnostrukturierte Oberflächen zum Beispiel eine bessere Lckhftung. Die Selbstreinigung wird uf Autoscheiben und Außenhäuten, die Lösung heutiger technologischer Herusforderungen vorusgesetzt, zum Stndrd werden. Krtzfeste, schmutzbweisende oder selbstheilende Autolcke sind bereits existierende oder in der Entwicklung befindliche Anwendungen. Zu den Anwendungen der Nnotechnologien uf der Außenhut des Automobils gehören neben der Lckierung selbst, innovtive Verscheibungen oder ultrdünne Beschichtungen für Spiegel und Scheinwerfer sowie Pflege- und Versiegelungssysteme. Insbesondere bei den Pflege- und Versiegelungssystemen sind bereits zhlreiche Lösungen m Mrkt verfügbr. Die folgenden Anwendungen illustrieren den Stnd der Entwicklung von nnotechnologischen Anwendungen für die Außenhut des Automobils nhnd usgewählter Beispiele. Wertbeständigkeit und Krtzfestigkeit mit Nno-Klrlcken Eine mkellose Außenhut soll uch nch einer Vielzhl von Autowäschen und mehrjährigem Einstz gewährleistet sein. Gegenüber herkömmlichen Lcksystemen lässt sich mit Nno-Klrlcken eine höhere Krtzbeständigkeit und Lckbrillnz erzielen. Grundlge für diesen technologischen Effekt sind eingebettete Kermikprtikel in der bschließenden Klrlckschicht im Nnometermßstb. Eine zurzeit strk zunehmende Bedeutung erlngen Nnoprtikel wie AEROSIL R 9200 von Deguss für Automobilklrlcke, die entscheidend zur Verbesserung der Krtzfestigkeit beitrgen. Trditionell findet sich AEROSIL ber uch in nderen Schichten der Außenhut eines Fhrzeugs, wo es beispielsweise zur Pigmentstbilisierung, Rheologiesteuerung und dem Korrosionsschutz dient. Dbei hndelt es sich um besondere Formen von Silic die bei den innovtiven Automobillcken eine wichtige Rolle spielen. Grundlge dfür sind nnostrukturierte Pulver, die in einer Gsphsensynthese in der Flmme hergestellt und deshlb ls pyrogen bezeichnet werden. Ausgehend von Siliziumtetrchlorid entstehen durch Flmmenhydrolyse kleine, kugelförmige Silic-Primärteilchen mit einem mittleren Durchmesser von sieben bis 40 Nnometern (Oberholz 2006). Im flüssigen Zustnd des Lcks befinden sich diese Prtikel zunächst ungeordnet in der Lösung. Während des Trocknungs- und Aushärtungsprozesses vernetzen sie sich innig mit der Molekulrstruktur des Lckbindemittels. Ddurch entsteht n der Lckoberfläche eine sehr dichte und regelmäßige Netzstruktur. Die Folge ist eine Verbesserung der Krtzfestigkeit um ds Dreifche sowie eine erheblich verbesserte Lckbrillnz. Dieses neurtige Lcksystem ist von DimlerChrysler entwickelt worden. Diese Nno-Klrlcke werden bereits bei einigen Modellen der Mrke Mercedes-Benz eingesetzt. Mit Nno-Klrlck lckierter Mercedes-Benz-PKW [ DimlerChrysler AG] Oben: Konventionelle Lcke setzen sich im Prinzip us Bindemittel (ornge) und Vernetzern (rot) zusmmen. Unten: Nnolcke bestehen us orgnischem Bindemittel mit hoher Elstizität (gelb) und us norgnischen Nnoprtikeln mit hoher Härte (blu). Die sehr dicht gepckten Nnoprtikel mchen den Lck krtzfest. [ DimlerChrysler AG] 11

16 Ein Verfhren zur Härtung von Nnolcken, ds die erforderlichen hohen Aushärtetemperturen ufbringt, beruht uf der Verwendung von speziellen Infrrotstrhlern. Entwickler und Hersteller dieser Strhler ist ds in Hnu nsässige Unternehmen Hereus. Hessen ht eine führende Stellung bei der Herstellung von Nnolcken und deren Komponenten. Beispiele nsässiger Unternehmen sind Merck KGA, Solvdis AG, Lurgi Chemie und Hüttentechnik GmbH, DuPont de Nemours GmbH, Deguss AG, Deutsche Amphibolin-Werke, Cib Spezilitätenchemie, Akzo Nobel Powder Cotings GmbH sowie der Clrint GmbH. Ursprünglich für Blickfeldstudien entwickelt, zeigt ds Glskuppeluto mögliche Einstzgebiete der Nnotechnologien. [ DimlerChrysler AG] Moderne Nnobeschichtungen und spezielle Nnolcke können erfolgreich mit Infrrotwärme getrocknet oder usgehärtet werden. Ds zeigen Versuche im Anwendungszentrum des Spezillichtquellenherstellers Hereus Noblelight in Kleinostheim. [ Hereus Noblelight GmbH] Bei optisch hochwertigen Verglsungen, wie zum Beispiel bei den Fensterscheiben, kommt es uf einen extrem gleichmäßigen Auftrg der Krtzfestbeschichtung n. Dher werden derzeit Verfhren entwickelt, die Hrtstoffe direkt us der Gsphse uf die Polymergläser ufzubringen. Diese so gennnten PVD- (Physicl Vpour Deposition) und CVD- (Chemicl Vpour Deposition) Verfhren sowie die Plsmpolymeristion bilden in einem Vkuum- Beschichtungsprozess eine wenige Nnometer dünne hochvernetzte Polymerschicht mit orgnischen und norgnischen Bestndteilen. Krtzfeste Polymerscheiben für den Leichtbu Heute werden für ein Automobil bis zu 6 m 2 Gls verrbeitet dvon 1,2 m 2 llein für die Frontscheibe. Die Scheibenflächen werden us Designgründen in Zukunft eher noch zunehmen. Hierin steckt ein großes Leichtbupotenzil, ds sich durch den Erstz von Minerlgläsern durch Polymergläser erschließen lässt. Diese sind nun gegenüber Verkrtzungen, Abrieb und Witterungseinflüssen uszurüsten. Polymergläser, insbesondere Polycrbont mit hervorrgender Schlgfestigkeit und geringem Gewicht, werden bereits seit längerer Zeit für Scheinwerferbdeckscheiben beziehungsweise Scheinwerferstreuscheiben in Serie eingesetzt. Um sie krtzfester zu mchen, werden diese derzeit mit Acrylt- oder Polysiloxnlcken beschichtet. Bei diesen Lcken werden während des Aushärteprozesses extrem hrte Nnoprtikel us Aluminiumoxid in die Substrtmtrix eingelgert. Dmit wird eine große Verschleißfestigkeit bei guter Schlgzähigkeit erreicht. Durch die geringe Größe der Füllteilchen und die feine Verteilung ist uch diese Beschichtung hochtrnsprent. Krtzfeste hochtrnsprente Kunststoffe bieten neue Möglichkeiten, gerde in Verbindung mit modernen Spritzgußtechnologien. Die leichte Formbrkeit des Kunststoffs eröffnet völlig neue Designmöglichkeiten von trnsprenten Dächern und Außenhutteilen bis hin zu gesmten Fhrzeugmodulen us Kunststoff mit integrierten Leuchten und Aerodynmik-Elementen. Derzeit sind nhezu lle nmhften Automobilproduzenten in diesem Bereich enggiert. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoOptik, Bnd 5 sowie die Broschüre NnoProduktion, Bnd 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. 12

17 Ultrdünne Schichten für Spiegel und Scheinwerfer Moderne Spiegel und Scheinwerfer mit hoher optischer Qulität und Effizienz bsieren uf Gls- und Kunststoffformteilen, die mit einer ultrdünnen reflektierenden Schicht us Aluminium usgestttet sind. In den letzten Jhren wurden dnn bessere Auftrgsverfhren für hochreflektierende Schichten mit Dicken von weniger ls 100 Nnometer entwickelt. Öl H 2 O Endgruppe Kontktwinkel Molekülkette Gleitwinkel Ankergruppe chemische Bindung Substrt DURALON UltrTec Großtechnisch erfolgt ds Beschichten mit Aluminium in Vkuumverdmpfungsnlgen. Dbei wird Aluminium durch Wolfrmglühdrähte erhitzt und verdmpft. Neu entwickelte und speziell geformte Verdmpfungsstrukturen der Firm Cotec us Nidderu erhöhen die Aufdmpfrte erheblich. Sie sorgen somit für eine bessere Ausnutzung des Aluminiums und vermeiden Bedmpfungsfehler. Die Temperturbelstung der zu beschichtenden Teile ist bei diesem Verfhren niedrig, der pprtive Aufwnd und die lufenden Kosten vergleichsweise gering. Ein weiteres Anwendungsfeld für Verscheibungen und Spiegel im Automobilbu erschließt sich durch die Möglichkeit, Oberflächen wsser-, fett- und schmutzbweisend uszurüsten. Diese so gennnten hydrophoben und oleophoben Schichten werden mittels CVD- (Chemicl Vpour Deposition) Verfhren bgeschieden. Von Cotec wurde ein fluororgnisches Mteril entwickelt, ds nch der Abscheidung uf einem Werkstück sowohl hydrophobe ls uch oleophobe Eigenschften ufweist. Die Schicht führt mit einer Dicke von lediglich 5 bis 10 Nnometern zu einer supergltten Oberfläche, die sehr leicht von Verunreinigungen wie Wssertropfen, Öl, Stub, Schmutz, Schweiß und Fingerbdrücken zu reinigen ist. Aufgrund der guten Gleitreibungseigenschften ergibt sich bei der Reinigung eine nur geringe Abrsion, die zu einer lngen Lebensduer der Schicht führt. Diese Schicht besteht us Molekülketten, die n einem Ende eine Ankergruppe besitzen, mit der die Schicht n der Oberfläche des Substrtes eine chemische Bindung eingeht und sich dmit festkrllt. Am nderen Ende liegt die Funktionsgruppe, die für die wsser-, fett- und stubbweisende Wirkung verntwortlich ist. Ein besonders gutes Anwendungspotenzil wird für diese neue Beschichtungstechnologie für Polycrbontscheiben erwrtet. Die Schwerpunkte der Firm Cotec GmbH liegen in der Anwendung und der Weiterentwicklung von Nnotechnologien für die verschiedensten Anwendungsfelder, wie der Feinoptik und dem Automobilbu. Die von Cotec entwickelten Schichtsysteme werden von der Automobil- und Zuliefer-Industrie unter nderem für die Beschichtung von Spiegeln, Spritzgussteilen und Scheinwerfern eingesetzt. Neben der Cotec GmbH befsst sich die Genthe-X-Cotings GmbH in Goslr mittels einer nderen Technologie mit dieser Aufgbenstellung. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoOptik, Bnd 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Elektrochrome Schichten für blendfreie Rückspiegel Die Sicherheitsnforderungen für Automobile nehmen beständig zu. Im gleichen Mße steigt uch die Anzhl elektronischer Assistenzsysteme und Bedienfunktionen, die den Fhrer entlsten. D liegt es nhe, die menschlichen Sinne zu unterstützen, um größtmögliche Aufmerksmkeit für sicheres Fhren zu erzielen. Für eine optimle Sicht bei Dämmerung und Dunkelheit werden bereits heute in höheren Ausstttungsvrinten Rückspiegel utomtisch bgeblendet. Schemtische Drstellung der Wirkung einer perfluorierten Beschichtung zur Einstellung der hydrophoben und oleophoben Eigenschften [ Cotec] Einstellung der Oberflächeneigenschften uf Glsscheiben (oben unbehndelt; unten hydrophob) [ Cotec] Metllisierung von Scheinwerfergehäusen [ Cotec] 13

18 Wirkung der elektrochromen Beschichtung m Beispiel des Rückspiegels [ Gentex GmbH] Normler Rückspiegel [ Gentex GmbH] Hierbei kommen so gennnte elektrochrome Gläser zum Einstz. Ds Spiegelgls wird hierfür mit einem funktionlen Schichtverbund versehen. Eine ngelegte Spnnung verschiebt Ldungen in der Zwischenschicht und bewirkt eine Veränderung der optischen Eigenschften. Die Ionen bilden n der Elektrode Frbzentren, die einfllendes Licht bsorbieren und nur einen kleinen Teil reflektieren. Der Effekt knn durch Umpolung der Spnnung rückgängig gemcht werden und ds Gls erhält die ursprünglichen Eigenschften zurück. Der Vorgng ist mit dem Lden und Entlden eines Akkumultors vergleichbr und es existieren uch Anlogien zur Überldung und zum Memory-Effekt, so dss eine entsprechende Steuereinheit die Regelung der Einfärbung übernehmen muss. Am Rückspiegel erkennt ein vorwärts gerichteter Sensor schwches Umgebungslicht und signlisiert dem System uf blendendes Licht zu chten. Für eine optimle Verdunkelung nimmt ein Hecksensor blendendes Licht der nchfolgenden Fhrzeuge whr und regelt die Intensität der Tönung. Ist ds Blendlicht verschwunden, wird der Grundzustnd des Spiegelglses wiederhergestellt. Die Gentex Corp. mit Sitz in den USA ht sich mit der erfolgreichen Entwicklung elektrochromer Schichten ein eigenes Mrktsegment geschffen und ist Mrktführer für utomtisch bblendende Spiegelsysteme. Pflege- und Versiegelungssysteme für subere Oberflächen Pflege- und Versiegelungssysteme werden für eine Reihe von Außen- und Innennwendungen im Automobil entwickelt und ngeboten. Links: Antifingerprint uf Edelsthl Rechts: Antiklk [ NANO-X GmbH] Speziell bei Anti-Beschlg- und Anti-Verschmutzungs-Produkten wird die Oberfläche mittels Nnoprtikeln wsser- und fettbweisend eingestellt. Anwendungen sind hier Scheiben und Spiegel, ber uch Kunststoffe und textile Oberflächen. Hierbei wird ds Prinzip der Selbstorgnistion genutzt, wobei sich nnosklige Komponenten während des Auftrgens eigenständig nordnen. Es entsteht eine unsichtbre ultrdünne Schutzschicht im Nnometerbereich, die verhindert, dss sich Öle, Fette, Wsser und Schmutz mit der Oberfläche verbinden. Derrtige Oberflächenversiegelungen bestehen us Nnoprtikeln, die sich mit dem Untergrund fest verbinden und nderen Komponenten, die der Beschichtung die notwendige Härte verleihen. Die für die wsser- und fettbweisenden Eigenschften verntwortlichen Komponenten richten sich zur Oberfläche hin us. Die meisten bislng beknnten Oberflächenmodifizierungen oder Beschichtungen gegen Verschmutzung sind hydrophob, lso wsserbweisend. Die Benetzbrkeit mit Wsser ist uf diesen Oberflächen so gering, dss bei einer entsprechenden Neigung der Fläche ds Wsser einfch bperlt und dbei den Schmutz mitreißen knn. Viele dieser Oberflächen sind gltt, einige funktionieren dgegen nch dem Prinzip des Lotus-Effekts. Es ht sich llerdings in der Prxis gezeigt, dss gerde die bperlenden Regentropfen beim Trocknen Schmutzreste uf Scheiben hinterlssen deutlich sichtbr ls Schlieren. Außerdem neigen die hydrophoben Wirkstoffe bei Verwendung in Reinigungsmitteln dzu, Streifen zu erzeugen. Wenn mn llerdings eine Oberfläche so modifiziert, dss Wsser sie gleichmäßig benetzen und schneller bfließen knn, können sich keine Regennsen bilden und die Oberfläche bleibt 14

19 länger suber. Dzu können hydrophile lso wsserliebende Nnoteilchen genutzt werden. Die Nnoteilchen werden dfür so usgewählt, dss sie besonders gut uf Gls hften. Die Teilchen werden beim Reinigen uf die Oberfläche ufgebrcht, wo sie sich selbstständig zu einer gleichmäßigen, nicht sichtbren Schicht nordnen. Ihre negtive Ldung hält die jeweiligen Nchbrteilchen uf Distnz und mcht die Oberfläche wsserliebend. Bereits heute ist diese Technologie Bestndteil von llen Fensterreinigern der Firm Henkel (Henkel 2005). Renommierter Hersteller von Pflege- und Versiegelungssystemen in Hessen uf Nnobsis ist unter nderem die De Cie GmbH. Derzeit wird die Bezeichnung Nno gerde bei Pflege- und Versiegelungssystemen infltionär gehndhbt. Mitunter werden Produkte mit Nno beworben, deren Wirkprinzipien gr nicht uf nnosklige Wirkmechnismen zurückzuführen sind. Zur Lckpflege setzt Arl ds Produkt NnoShine in Wschstrßen ein. Die Nnoteilchen in der Wschchemie bilden eine gltte Schicht, prktisch eine zweite Hut uf dem Autolck und nderen Flächen. Die Nnoprtikel füllen Unebenheiten und Hohlräume gleichmäßig us und erzeugen so eine extrem gltte Oberfläche. Ddurch werden Lichtstrhlen gleichmäßig reflektiert und die Brillnz der Frben erhöht. Verschmutzungsschutz uf Autofelgen mit dem Nno-Felgen-Protector (oberhlb der roten Mrkierung geschützt, unterhlb ungeschützt) [ De Cie GmbH] 2.2 Anwendungen der Nnotechnologien für die Autokrosserie Die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer ist ein wichtiges Entwicklungsziel für nnostrukturierte Mterilien und Werkstoffe. So könnten hochfeste ber flexible nnostrukturierte Krrosserieteile ls hocheffiziente Chrshbsorber eingesetzt werden. Ddurch knn Mteril und Gewicht und letztendlich Krftstoff eingesprt werden. Für die Zulieferindustrie sind die produktionstechnischen Aspekte kurzfristig m interessntesten. Nnosthl stbil und kostengünstig Sthl ist trditionell einer der wichtigsten Werkstoffe für den Autokrosseriebu. Es kommen in Krftfhrzeugen durch Erfordernisse des Leichtbus zunehmend uch Leichtmetlle und Kunststoffe zum Einstz, so dss der Sthlnteil in Krftfhrzeugen insgesmt bnimmt. Mitte der 70er-Jhre htte ein Mittelklsse-Automobil einen Sthlnteil von bis zu 75 % m Gesmtgewicht des Automobils. Inzwischen ht sich dieser im Schnitt uf unter 50 % reduziert und soll weiter sinken (Rudolph 2006). Die verwendeten Sthlsorten verschieben sich dbei kontinuierlich in Richtung hochfester Sthlgüten, um künftigen Anforderungen n Leichtbu und Crshsicherheit genügen zu können. Ein möglicher Weg solche hochfesten Sthlgüten zu erzeugen, knn mit Hilfe der Nnotechnologien relisiert werden. Eingelgerte Nnoteilchen us metllischen Crbonnitriden können die Duerbelstbrkeit von Sthl um ein Vielfches verstärken. Diese Eigenschft ist besonders bei lnglebigen Buten wie Hochhäusern oder Hängebrücken gewünscht, wo ds verwendete Mteril Temperturschwnkungen usgesetzt ist und uch über einen lngen Zeitrum nicht ermüden drf. Aber uch in der Automobilindustrie könnten ermüdungsfreie Nnostähle ngesichts des steigenden Güterverkehrsufkommens zum Beispiel im Nutzfhrzeugbereich sehr interessnt sein. 15

20 Bei einer Beschädigung der Chromtschicht knn drin enthltenes Chrom- VI durch chemische Rektion erneut eine gewisse Schutzschicht usbilden. Dreiwertige Pssivierungen zeigen normlerweise keine Selbstheilung. [Angelehnt n Lngner 2006] Einstzgebiete des nnotechnologischen Korrosionsschutzes [ Holzpfel-Metllveredelung GmbH] Verntwortlich für heute gängige hochfeste Sthllegierungen sind feine Prtikel, die über den Prozess der Dispersionshärtung gleichmäßig über die gesmte Mtrix verteilt werden. Dieser Prozess ist für die Produktion großer Sthlmengen jedoch nicht wirtschftlich. Dieser Nchteil könnte mit Nnoteilchen us metllischen Crbonnitriden der Vergngenheit ngehören. Ein von jpnischen Forschern hergestellter Sthl mit einem Chromgehlt von 9 % wurde zusätzlich mit Anteilen von Kohlenstoff, Stickstoff und weiteren härtenden Elementen vriiert (Tneike 2003). In Duerbelstungsversuchen von bis zu Stunden wurde festgestellt, dss ein 0,002 prozentiger Anteil n fein verteiltem Kohlenstoff die Stbilität des Sthls erheblich steigern knn. Für die herusrgenden Eigenschften wird die geringe Größe der nur fünf bis zehn Nnometer messenden Crbonnitridteilchen verntwortlich gemcht. Der große Vorteil liegt ber drin, dss ds neue, um ein Vielfches stbilere Mteril im Vergleich zu bisher verfügbren hochfesten Stählen in konventionellen Herstellungsprozessen deutlich kostengünstiger produziert werden knn. Korrosionsschutz ohne Chrom-VI Ein wichtiges Them im Automobilbu ist der Korrosionsschutz. Bei den hierzu häufig eingesetzten glvnischen Verfhren muss nch der EU-Altutoverordnung b 2007 uf die Verwendung von Chrom-VI-hltigen Elektrolyten verzichtet werden. Grund hierfür sind die Gesundheits- und Umweltgefhren, die von Chrom-VI usgehen. Allerdings gestltete sich in der Glvnotechnik die Umstellung uf Chrom-III-hltige oder chromfreie Pssivierungen problemtisch. Während die uf Chrom-VI bsierenden so gennnten Chromtschichten einen Selbstheilungseffekt ufweisen und so behndelte Teile, die während des Trnsports oder der Weiterberbeitung Verletzungen der Oberfläche erfhren, trotzdem usreichend vor Korrosion geschützt sind, hben mit Chrom-III pssivierte Oberflächen einen weniger guten Schutz. Im Gegenstz zum Chrom-VI entwickelt Chrom-III (chemisch: Cr 3+ ) keine Fernschutzwirkung. Mit Hilfe des Einstzes der Nnotechnologie ist es gelungen, diesen Nchteil zu beheben. Erreicht wird dies durch Siliziumdioxid (SiO 2 )-Nnoprtikel im Elektrolyten. Die durch den Glvnisierungsprozess erreichte Pssivierung besteht us einer Cr 3+ -reichen Schicht und einer Schicht us SiO 2 -Nnoprtikeln in einer Cr 3+ -Mtrix. Chromtierung enthält Cr 6+ Pssivierung enthält Cr 3+ jedoch kein Cr 6+ Chromtschicht Zinkschicht Sthl Pssivierungsschicht Zinkschicht Sthl Wenn die Zinkschicht durch eine Beschädigung freigelegt wird, bildet sich dort eine positive Oberflächenldung us. Die SiO 2 -Prtikel trgen eine negtive Oberflächenldung und wndern zu der Schdstelle. Dbei wird die Schdstelle bgedeckt. Es kommt zu einer Selbstheilung. Die Nnopssivierung ist geeignet für Zink und Zink-Eisen-Schichten. Die Schichtdicke beträgt circ 400 nm. Cr 3+ -reiche Schicht Zink Sthl Cr 3+ -reiche Schicht Zink Sthl Schdstelle nnoskliges SiO 2 Korrosionsschutz und Selbstheilung der Oberfläche. Wird die Zinkschicht durch eine Beschädigung freigelegt, wndern die SiO 2 -Prtikel zur Schdstelle und decken diese b. [ Lngner 2006] Bei der Holzpfel-Metllveredelung im hessischen Sinn und der Herborner Metllveredelung wurde ds spezielle Verfhren für trnsprente Zink-Eisen- Schichten erfolgreich zu einem für die Beschichtung von hochwertigen Mssengütern tuglichen Glvnikprozess integriert. Ds Verfhren ist für eine Beschichtung von Sthl und Sintermetllen geeignet. Im Sprühnebeltest hlten die beschichteten Teile 360 Stunden bis zum Weißrost und 720 Stunden bis zum Rotrost stnd (360 h WR / 720 h RR). Dbei tritt selbst bei einer Tempertur von 120 C über 24 Stunden kein Verlust n Korrosionsbeständigkeit uf. Ds Chrom-VI-freie Verfhren wird bereits heute für Teile im Bereich Fhrwerk, Bremsen und Türen erfolgreich eingesetzt. 16

21 R R HO HO Si O Si OH OH 6 8 µm Substrt (Sthl) Kltumformschmierstoff (Wchs) Wrmumformschmierstoff (Grphit) Zunderblocker (Al-Prtikel) Anorgnisch-orgnische Mtrix Schemtischer Aufbu der Nnokompositbeschichtung für die Wrmumformung [ Universität Kssel] Nnotechnologien für die Umformung von hochfesten Stählen Im Bereich der Krosserieteilefertigung mussten Automobilhersteller in den letzten Jhren enorme Anstrengungen unternehmen, um den gestiegenen Anforderungen n Crshsicherheit und Insssenschutz gerecht zu werden. Gesucht sind innovtive Umform- und Fügetechnologien für höchstfeste Sthlbleche. Die Umformung hochfester Sthlwerkstoffe im klten Zustnd führt zu Problemen in der Mßhltigkeit und unerwünschten Rückfederungseffekten. Eine lterntive Möglichkeit, spezielle hochfeste Sthlsorten unter Vermeidung dieser Nchteile umzuformen, ist ds so gennnte Wrmumformen, bei der die Sthlpltinen uf fst 1000 C erwärmt und im Umformwerkzeug umgeformt und definiert bgekühlt werden. Mit diesem Verfhren lssen sich höchstfeste und pssgenue Teile, beispielsweise für eine Sicherheitsfhrgstzelle, herstellen. Für den Formhärteprozess wird ds Blech uf eine Tempertur von rund 950 C erwärmt und glühend vom Ofen in die Pressform überführt, wo es uf die Endgeometrie umgeformt wird. Die Härtung geschieht durch eine schnelle definierte Abkühlung uf Temperturen unterhlb von 200 C in der Form. Für die Beherrschung solcher Umformprozesse ist jedoch die Beschichtung der Pltinen wesentlich, die mehrere Funktionen erfüllen muss. Die Beschichtung muss, die durch den Wärmebehndlungsprozess verurschte Verunreinigung der Buteiloberflächen durch Oxidtion der Werkstückoberflächen Verzunderung gennnt verhindern. Weiter muss die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug verringert sowie ein nchhltiger Korrosionsschutz gewährleistet werden. Ausgehend von einem n der Universität Kssel konzipierten neurtigen Lösungsnstz wurde ein multifunktionles Beschichtungssystem entwickelt, ds in der Lge ist, die Problemtik der Verzunderung bei hohen Temperturen nchhltig zu lösen. Der multifunktionelle Schutzlck wurde durch Kombintion eines nnotechnologischen Mterilnstzes mit den Prinzipien konventioneller Lcktechnologie relisiert. Dbei werden gls- und kunststoffrtige Mterilien im Nnometerbereich miteinnder verbunden und gemeinsm mit Aluminiumprtikeln zu einer Schutzschicht zusmmengefügt. In einem Projektkonsortium der Prtner Presswerk Kssel der Volkswgen AG, ThyssenKrupp Steel AG, NANO-X GmbH, Dortmunder OberflächenCentrum GmbH und dem Fchbereich für Umformtechnik der Universität Kssel konnte diese Entwicklung unter Einbeziehung ller, innerhlb der Prozesskette von der Vormterilherstellung beim Sthlhersteller bis zur Anwendung in den Produktionslinien der Automobilherstellung, uftretenden Appliktionsfrgestellungen in nur sechs Monten zur Serienreife gebrcht werden. Auf 950 C vorerwärmte Blechbuteile [ Volkswgen AG, Presswerk Kssel] 17

22 Einbufertiger formgehärteter Tunnel des neuen VW Psst [ Volkswgen AG, Presswerk Kssel] Anwendungszentrum Metllformgebung (AWZ) Künftig dürften die Nnotechnologien mit dem im Jhre 2007, unter nderem mit Hilfe von Fördermitteln der EU und des Lndes Hessen, neu entstehenden Anwendungszentrum Metllformgebung (AWZ) in Buntl noch größere Bedeutung gewinnen. Ds AWZ ist der erste Abschnitt eines F&E-Zentrums für die nordhessische Mobilitätswirtschft. Hier sollen Metll verrbeitende Unternehmen ihre Produkte und Prozesse in der Fertigung durch innovtive Verfhren zum Beispiel us den Nnotechnologien verbessern, um kostengünstiger, schneller und qulittiv hochwertiger produzieren zu können. Ein Neubu für die Bereiche Technikum, Prüflbor und Werksttt ist geplnt. Neben regionlen Unternehmen stellt die Universität Kssel ls Huptgesellschfter einen Teil der Mschinenusstttung und des Personls. Die wissenschftliche Leitung wird Prof. Dr. Kurt Steinhoff, Lehrstuhl für Umformtechnik m Fchbereich Mschinenbu, übernehmen. Ds AWZ wird den rund 600 Metll verrbeitenden Unternehmen der gesmten Region zugute kommen, ber uch Dienstleistungen für überregionle Unternehmen nbieten können. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoProduktion, Bnd 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Ferrit-Dispersionen unterschiedlicher Konzentrtionen [ SusTech GmbH & Co. KG] Verkleben und Lösen von Buteilen uf Kommndo Ds Kleben gewinnt in industriellen Fertigungsprozessen zunehmend n Bedeutung, d unterschiedliche Mterilien miteinnder verbunden werden können und eine Nchberbeitung der Verbindungsstelle entfällt. Außerdem verspricht der Einstz von Klebeverbindungen uch Kostenvorteile. Besonders schnell wächst der Anteil n Klebungen im Automobilbereich. Klebeprozesse lssen sich uf vergleichsweise einfche Weise in utomtische Fertigungsbläufe integrieren. Anders ls gängige Klebstoffe härten viele Industrieklebstoffe normlerweise nicht bei Rumtempertur us. Zusätzliche Energie, meistens in Form von Wärme, muss von ußen zugeführt werden, um den Klebevorgng in Gng zu setzen. In der Prxis werden die zu verklebenden Teile bislng in einem Ofen oder mit Heißluftstrom bei circ 180 C behndelt. D die Klebeflächen häufig verdeckt liegen, werden hierbei uch die Fügeteile mit erwärmt. Entsprechend hoch sind der Energiebedrf und die thermische Belstung der Komponenten. Ein Lösungsnstz besteht drin, nur die Klebstoffschicht gezielt mit Hilfe von Mikrowellen zu erwärmen (SusTech 2003). Der Kleber wird hierzu mit speziellen Prtikeln versehen, die ls Antennen fungieren. Sie nehmen die elektromgnetische Energie uf, wndeln diese in Wärme um und geben sie n den umgebenden Klebstoff b. Dies wird uch Kleben uf Kommndo gennnt. Hier ist es notwendig, Prtikel bereitzustellen, die einerseits stofflich komptibel zum Klebstoff sind und ndererseits die physiklischen Anforderungen erfüllen, um effektiv die Energiestrhlung zu bsorbieren. Die Lösung sind Ferrite, lso dotierte Eisenoxide, die einen Prtikeldurchmesser von rund zehn Nnometern hben. Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche eignen sich diese Nnoferrite besonders gut für den Klebevorgng. Über die chemische Zusmmensetzung und über die Teilchengröße knn deren optimle Absorptionsfrequenz n die Strhlungsquelle ngepsst werden. Diese Nnoteilchen erwärmen die Klebstoffschicht gleichmäßig und gezielt. Ein weiterer Vorteil ist der eingebute Überhitzungsschutz. Je höher die Tempertur wird, desto geringer ist die Fähigkeit der Ferrite weitere Strhlung zu bsorbieren und Wärme zu erzeugen. Dieses verhindert, dss es in der Klebeschicht zu loklen Überhitzungen kommt. 18

23 Dieser neu entwickelte Prozess kommt mit deutlich weniger Energie us. Gleichzeitig wird der Klebevorgng beschleunigt und somit die Tktzeiten reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dss ufgrund der mterilschonenden Klebstoffushärtung zukünftig uch bereits vorlckierte Teile und wärmeempfindliche Kunststoffe verklebt werden können. Dies könnte gnz neue Konstruktionen im Sinne einer Leichtbuweise ermöglichen. Die Firm SusTech us Drmstdt ht hierzu erste Systemlösungen entwickelt, die nicht nur ds Kleben uf Kommndo, sondern uch für den umgekehrten Prozess, ds Lösen uf Kommndo, genutzt werden können. In der Regel sind dzu höhere Temperturen erforderlich. Wenn die Fhrzeuge usgedient hben, können die geklebten Teile uf Kommndo nch dem gleichen Prinzip wieder voneinnder gelöst werden. Fügeteile können so zerstörungsfrei getrennt werden. Dies ermöglicht den Austusch einzelner Buteile bei Reprturen, ein sortenreines Recycling oder sogr eine Wiederverwertung. P Mikrowellen Wärme Klebstoff/Ferrit-Komposit Ausgehärteter Klebstoff Prinzip der Mikrowellenverklebung [ SusTech GmbH & Co. KG] Ds Unternehmen SusTech wurde von sechs Wissenschftlern der Technischen Universität Drmstdt zusmmen mit der Henkel KGA gegründet. Der Fokus des Unternehmens liegt uf dem Gebiet der neuen Mterilien. SusTech Drmstdt ht ls gelungenes Public-Privte-Prtnership-Projekt bereits zhlreiche nnotechnologiebsierte Verfhren und Produkte in verschiedenen Anwendungsbereichen entwickelt. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoProduktion, Bnd 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Geckoeffekt für die Automobilproduktion Geckos sind whre Kletterkünstler. Sie können jede Wnd hinufklettern, kopfüber die Decke entlnglufen oder n einem einzigen Fuß n der Decke hinunterhängen. Spezielle Untersuchungen zur Abhängigkeit der Hftung von der Geometrie der Füße und zur Unbhängigkeit von der Oberflächenchemie konnten bestätigen, dss die mikroskopische Größe und die Gestlt der Fußhre des Geckos deren Hftverhlten bestimmen. Die Härchen sind ungefähr 100 Mikrometer lng und verzweigen sich in kleinere Härchen von ungefähr 10 bis 20 Mikrometer Länge. Diese enden in sehr dünnen so gennnten Terminlpltten von ungefähr zehn Nnometer Dicke. Durch diesen Aufbu wird die Kontktfläche n der Hftstelle enorm vergrößert. Es wird vermutet, dss die Kletterkünste der Geckos uf den schwchen molekulren Vn-der- Wls-Kräften beruhen. Durch die Anzhl der einzelnen winzigen Härchen und deren nnoskopischer Größenordnung, werden diesen strke dhesive Kräfte vermittelt. Allein der Kontkt von 10 % der Härchen reicht us, um den Gecko zu trgen. Aus Polydimethylsiloxn und Polyester wurden erste synthetische Geckohrspitzen produziert. Die Spitzen us beiden Mterilien hften wie die ntürlichen Vorbilder. Für diese biologisch inspirierten dhäsiven Mikrostrukturen lssen sich weitreichende Anwendungen in Produktion und Produkt denken, wenn uch Frgen bezüglich großserientuglicher Fertigungsverfhren und Zeithorizont für derrtige Strukturen weiterer Klärung bedürfen. Denkbr sind zum Beispiel universelle Greifer für Produktionsnlgen, die einen Wechsel der Greifzeuge erspren und uch weitgehend oberflächentolernt eingesetzt werden können. Möglich wäre uch der Einstz im Fügebereich, wo Klebestellen nun wieder lösbr sein würden und kein Klebstoff mehr erforderlich wäre. Links: Gecko uf einer Glsscheibe Rechts: Vergrößerung des Fußes [ Dr. Stnislv Gorb, Evolutionry Biomterils Group, MPI für Metllforschung] 19

24 2.3 Nnotechnologien für ds Interieur des Automobils Im Bereich des Interieurs spielen schmutzbweisende Sitze, Innenrumluftfilter zur Filtrtion von Prtikeln und gsförmigen Schdstoffen, ber uch Antireflexschichten von Instrumentenbdeckungen eine wichtige Rolle. Hier ist nicht nur ds Wohlbefinden, sondern uch der Gesundheitsspekt der Fhrzeuginsssen von entscheidender Bedeutung. Nnofilter für subere Innenrumluft Die Automobilindustrie ht ds Bestreben, ihren Kunden neben höherer Sicherheit und sinkendem Krftstoffverbruch vor llem uch steigenden Komfort zu bieten. Hier ist ds Rumklim unter nderem ein bedeutender Fktor. Dieses wird im Wesentlichen durch die Luftqulität beeinflusst. Zur Verbesserung der Innenrumluftqulität bei Automobilen wird heute der Filtrtion von Prtikeln und gsförmigen Schdstoffen eine große Bedeutung zugemessen. Kbinenluftfilter gehören nch den ersten Anwendungen vor über 10 Jhren mittlerweile zur Stndrdusrüstung bei neuen Fhrzeugtypen. Hochwertige Kfz-Innenrumfilter müssen sowohl Prtikel (zum Beispiel Pollen, Sporen, Industriestub) ls uch Gerüche in hohem Grd us der Zuluft entfernen. Der Filter muss in einem Temperturbereich zwischen 40 C und +100 C bei schwnkender Luftfeuchte funktionsfähig und gegenüber Vibrtionen, Wsser und mikrobiologischem Bewuchs beständig sein. Neurtige Luftfilter, die mit Nnofsern beschichtet sind, zeigen noch bessere Filtereigenschften im Vergleich zu konventionellen Lösungen. D sich die Fsergröße im Nnometerbereich bewegt, gelten die klssischen Gesetze der Strömungsmechnik nicht mehr. Drus resultiert ein geringerer Luftwiderstnd, wodurch Energie eingesprt und der Luftstrom fst ohne Druckverlust trnsportiert werden knn. Ds Erzeugen und Aufbringen der Nnofsern geschieht durch Elektrospinning, ein Verfhren, uf ds beispielsweise die Professoren Dr. Andres Greiner und Dr. Jochim Wendorff von der Philipps-Universität Mrburg spezilisiert sind. Luftfiltersysteme werden beispielsweise von hels-utomotive GmbH & Co. KG produziert. Nnofiltrtion wird uch in neu entwickelten Rußfiltern verwendet. Sie sollen die Schdstoffemissionen von Pkws und Lkws noch deutlicher senken ls bisher eingesetzte Filtersysteme. Rußprtikel werden dbei us dem Abgsstrom usgeschleust und uf einem metllischen Vlies gesmmelt und so us dem Abgs entfernt. In den winzigen Poren des Vlieses lgern sich die Prtikel n und werden b etw 200 C kontinuierlich verbrnnt. Beim Unternehmen Hollingsworth & Vose us Htzfeld / Eder wird seit einigen Jhren die Herstellung von Filtermedien mit der Produktion von Feinstfsern uf Nnotechnologie-Bsis kombiniert. Im Rhmen des Projekts NANOWEB wurden in Zusmmenrbeit mit der Philipps-Universität Mrburg spezielle Hochleistungsfilter über eine Veredelung durch Nnofsern entwickelt. Bei Hollingsworth & Vose kommt ds Elektrospinning-Verfhren zum Einstz. Ds Projekt NANOWEB wurde im November 2004 mit dem Hessischen Innovtionspreis usgezeichnet. Ein weiterer in Hessen nsässiger Spezilhersteller für Krftstofffilter ist die Fudi Avition-Fuel Filtrtion GmbH. Andere Entwicklungen betreffen die Zuführung der gefilterten und klimtisierten Luft in ds Fhrzeuginnere. Um die bennnte Zugluft durch die Klimnlge zu vermeiden, könnte künftig der Luftustritt großflächig us Spezilschumstoff m Fhrzeughimmel erfolgen. Mit Hilfe der Nnotechnologien lässt sich der Spezilschumstoff so usrüsten, dss die im Luftstrom befindlichen Schmutzteilchen nicht im Schumstoff nhften und somit zu seiner Verschmutzung führen. Auch die Wärmeisoltion von Ausschnittsvergrößerung eines Nnoweb -Filters [ Hollingworth & Vose] 20

25 Dämm-Schäumen wird durch Nnotechnologien deutlich verbessert. Durch Verringerung der Größe der Luftzellen in Schäumen von 0,1 Millimeter uf rund 100 Nnometer wird eine deutliche Reduktion Eine ndere Entspiegelungsmethode ist ds Erzeugen nnoskliger Lufteinschlüsse n der Oberfläche. Durch diese Absorption im Gls ~1% ~100% der Anzhl der Gsmoleküle pro Zelle erreicht. Die so m Ende vereinzelten Gsmoleküle hben keine Poren wird der Gesmtbrechwert der Schicht verringert. ~91% ~8% Gelegenheit mehr, ihre Energie n ndere weiterzu- Poren, die kleiner ls 1 / 20 der geben. Die für den Wärmetrnsport mitverntwort- Lichtwellenlänge sind, können lichen Zusmmenstöße von Gsmolekülen werden vom Licht nicht ufgelöst wer- ddurch weitgehend usgeschltet. Gewünschte den und erzeugen somit uch Wärmedämmeigenschften lssen sich ddurch mit erheblich geringeren Isolierschichtdicken erzielen. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoProduktion, Bnd 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. keine unerwünschten Streueffekte. Neben Frgen der optischen Eigenschften werden ktuell die Möglichkeiten der Integrtion in die bestehenden Fertigungsprozesse sowie die ~98% Absorption im Gls ~1% ~100% ~1% Antireflexbeschichtungen für bessere Sicht Eignung unter dem Aspekt der mechnischen Stbilität untersucht (Volkswgen 2003). Einen Beitrg zur Erhöhung der Sicherheit im Strßenverkehr liefert ds Vermeiden unerwünschter Reflexe uf Cockpit-Instrumenten und Frontscheibe. Durch eine Oberflächenbeschichtung im Nnometerbereich knn ds Eindringverhlten von Licht in trnsprente Werkstoffe gezielt beeinflusst werden. Durch eine Oberflächenstrukturierung im Mikrometerbereich werden in einem breiten Wellenlängenbereich Reflexionen unterdrückt. Dieses Funktionsprinzip wurde vom Mottenuge bgeschut. Eine zusätzliche Nnostrukturierung der Oberfläche bewirkt einen Grdienten des Brechungsindexes von ußen nch innen, so dss Lichtwellen prktisch nicht reflektiert werden. Technisch interessnt ist diese Oberflächenstruktur unter dem Aspekt der Kostenreduktion. Sttt mehrerer Beschichtungsschritte könnte diese spezielle Oberflächenstruktur mit einem Prozess-Schritt relisiert werden. Im Idelfll ist der Strukturierungsschritt sogr mit dem Herstellungsprozess des Buteils kombinierbr. Nicht nur für Instrumente ist die Entspiegelung von Interesse. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten ist die Vermeidung der Reflexion der Schlttfeloberfläche in der Frontscheibe. Je nch Lichtverhältnissen kommt es beim Einstz heller Instrumententfeln zu extremen Schleiern und Reflexionen in der Frontscheibe. Technisch wird dieses Problem durch den Einstz einer schwrzen oder zumindest sehr dunklen Instrumententfel gelöst. Gelänge es, die Reflexe uf der Windschutzscheibe strk herbzusetzen, so würden sich weitere ttrktive Möglichkeiten im Design ergeben. Eine usreichende Entspiegelung der Windschutzscheibe ist us physiklischen Gründen nur durch eine Beschichtung beider Seiten zu gewährleisten. Doch gerde die Außenseite der Windschutzscheibe unterliegt so extremen mechnischen Benspruchungen, dss kein zurzeit beknntes System für die hohen Qulitätsnforderungen der Automobilunternehmen usreichend geeignet erscheint. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoOptik, Bnd 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Verschmutzungsschutz und Neuwgenduft für Autositze Autositze kommen oftmls mit nsser oder verschmutzter Kleidung in Berührung. Beim Öffnen der Tür knn Regenwsser oder Schnee uf die Sitze gelngen. Die Folge sind Wsser- und Schmutzränder. Durch den Einstz von Mterilien zur Imprägnierung von Stoff- und Lederbezügen können diese unerwünschten Effekte weitgehend minimiert oder sogr vermieden werden. Derrtige Oben: Schemtische Drstellung der Funktionsweise der Antireflexbeschichtung uf Gls [ Volkswgen AG] Links: Antireflexbeschichtungen uf Gls [ Volkswgen AG] 21

26 Links: Öltropfen uf imprägniertem Gewebe [ De Cie GmbH] Rechts: Wssertropfen uf imprägniertem Leder [ De Cie GmbH] Imprägnierungsmittel hben in den letzten Jhren eine rsnte Verbreitung erfhren und werden von zhlreichen Zubehörherstellern in Sprühdosen oder ls Flüssigkeiten ngeboten. So gibt es Produkte für Gewebe, Leder, beziehungsweise Kunstleder, die uf norgnisch-orgnischen Hybridmterilien uf wässriger oder lkoholischer Bsis kommerziell ngeboten werden. Nch einer Tuch- oder Sprühppliktion bildet sich ein prktisch unsichtbrer Film, der die Fsern umschließt. Die imprägnierten Schichten zeigen einen signifiknten wsser- und fettbweisenden Effekt. Somit wird die Geschwindigkeit der Durchfeuchtung bei Wssereinwirkung und eine Verschmutzung reduziert. Ein ähnlich rffinierter Effekt wird zur Erzeugung von spezifischen Gerüchen uf Ledersitzen verwendet. Dispersionen mit Mikrokpseln, die ufgesprüht werden können, enthlten Duftstoffe. Wässrige Mikrokpseldispersionen bieten dmit die Möglichkeit, zum Beispiel Leder mit einer Vielzhl von Duftrichtungen zu versehen (Byer AG, 2005). Die Kpseln müssen dbei einerseits so klein sein, dss sie in ds Leder eindringen können, ndererseits ber groß genug sein, so dss sie zwischen den Fsern hften bleiben. Nch dem Einsprühen dringen die Kpseln unterschiedlich tief in ds Leder ein. Die Hülle der Kpseln ist nur wenige Nnometer dünn und besteht us Polyhrnstoff. Im Inneren ist der Duftstoff pltziert. Erst bei mechnischer Belstung der Kpsel pltzt der Nnofilm und setzt die Duftstoffe frei. Wird der Sitz nicht benutzt, bleiben die Kpseln intkt und der Duftstoff bleibt in der Kpsel erhlten. Ws bei Leder bereits funktioniert, lässt sich mittlerweile uch bei Textilien nwenden. Hersteller von us norgnisch-orgnischen Hybridmterilien bestehenden Imprägnierungsmitteln ist die hessische De Cie GmbH. Wässrige Mikrokpseldispersionen werden von der Byer AG produziert. 2.4 Fhrwerk und Reifen Reifen sind sicherlich die m häufigsten zitierte Anwendung von Nnotechnologien im Automobil. Hier werden bereits heute Umsätze in Millirdenhöhe erzielt. Nichtsdestoweniger sind Reifen High- Tech-Produkte, die stetig weiterentwickelt werden. Der Einstz von neuen nnoskligen Prtikeln lässt uch in der Zukunft weitere Verbesserungen der Lufeigenschften und Zuverlässigkeit erwrten. Den Kutschukmischungen kommt bei den Reifeneigenschften große Bedeutung zu. Sie bestimmen die Leistungsfähigkeit der Luffläche, die den Kontkt zur Fhrbhn herstellt. Üblicherweise enthält die Luffläche eines Autoreifens etw 30 Prozent Verstärkerfüllstoff, mit dem die erwünschten Eigenschften wie Hftung, Abriebsbeständigkeit, Einund Weiterreißfestigkeit überhupt erst erreicht werden (Klockmnn 2006). Für die Optimierung von Reifen müssen teilweise widersprüchliche Anforderungen erfüllt werden. Zum einen muss der Reifen gut uf der Strße hften, zugleich ber einen geringen Rollwiderstnd ufweisen. Ferner soll er verschleißrm sein, muss dbei ber gleichzeitig so griffig sein, dss ds Fhrzeug nicht ins Rutschen kommt. Die Mechnismen, die sich hinter diesen sich teilweise widersprechenden Reifeneigenschften verbergen, sind eine Fülle von hochkomplexen chemischen und physiklischen Wechselwirkungen zwischen dem Kutschuk und dem Füllmteril (Oberholz 2001). High-Tech-Reifen mit nnostrukturiertem Ruß Rechte Splte: Moderne Pkw-Reifen hier der Aufbu eines so gennnten RunOnFlt- Reifens von Dunlop sind sehr komplexe technische Produkte, deren Entwicklung und Produktion höchste Ansprüche n moderne Fertigungstechnologien stellen. [ Dunlop GmbH & Co. KG] 22

27 Grphit 0,34 nm Monomereinheit Aufbu einer Reifenluffläche. Größenvergleich der Einzelbestndteile. 0,81 nm [ Volkswgen AG] Primärprtikel nm nm Rußggregt nm Polymerknäuel 50 nm nm Rußgglomert nm Drei Spezilprodukte sind es, die die Eigenschften des Kutschuks wesentlich verbessern: Ruß, Silic und Orgnosilne. Rußprtikel werden wie Silic, die für die chemische Kopplung mit dem Kutschuk Orgnosilne benötigen, den Gummimischungen beigegeben, deren genue Zusmmensetzung geheim bleibt. Direkt nch ihrer Herstellung hben sowohl die Ruß- ls uch Silicprtikel Abmessungen im Nnobereich. Größe und Form der Prtikel sowie die Vernetzung mit den Kutschuk-Molekülen spielen für die Reifeneigenschften eine Schlüsselrolle. Reifenkomponenten: Ruß (Crbon Blck) oben, Silic unten links und Orgnosilne unten rechts [ Deguss AG] Ruß und Silic, die beiden wichtigen Verstärkungschemiklien in Reifen, htten ursprünglich verschiedene Aufgben: Während Silic für Pkw-Reifen gerde in der Luffläche die besten Resultte liefert, dominiert Ruß in Lkw-Reifen nicht zuletzt durch den exzellenten Abriebswiderstnd (Oberholz 2006). Durch die Verwendung von nnostrukturiertem Ruß ls Füllstoff in Reifen knn eine verlängerte Lebensduer und ein geringerer Benzinverbruch erreicht werden. Diese neurtigen Rußprtikel hben eine ruere Oberfläche ls bisher verwendete. Aufgrund der erhöhten Oberflächenenergie der Nnoprtikel verstärken sich die Wechselwirkungen mit den Kutschuk-Molekülen. Dieses führt zu einer verringerten inneren Reibung und somit zu einem besseren Rollwiderstnd. Gleichzeitig werden ddurch die bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten uftretenden Dehnungsvibrtionen im Mteril vermindert. Die Folge ist eine, insbesondere uf nssen Strßen, verbesserte Trktion. Zur Herstellung der nnostrukturierten Ruße wurde von der Deguss AG ein modifizierter Verbrennungsprozess entwickelt, der die Wirtschftlichkeit dieses Herstellungsverfhrens sicherstellt. Hessen ist im Bereich der Reifenhersteller und der Reifen-Zulieferindustrie für Automobile und Motorräder im bundesdeutschen Vergleich ußergewöhnlich strk vertreten. Neben führenden Reifenherstellern wie Goodyer Dunlop mit hessischen Werken in Fuld und Hnu, Pirelli in Höchst, Continentl in Korbch und Bridgestone Deutschlnd in Bd Homburg sind uch uf dem Weltmrkt führende Zulieferer für Reifenfüllstoffe wie Deguss und Cbot in Hessen nsässig. Fhrkomfort durch schltbre Werkstoffe Bei der Auslegung eines Automobil-Fhrwerkes ist jeweils der Zielkonflikt zwischen Fhrkomfort und Sicherheit zu lösen. Ein weiches Fhrwerk gilt ls komfortbel, ein hrtes dgegen ls sicher. Bei einstellbren Dämpfersystemen knn situtionsbhängig die jeweils optimle Härte eingestellt werden. Kern dieser einstellbren Dämpfersysteme sind so gennnte mgneto- oder elektrorheologische (MR / ER) Flüssigkeiten, die der Ktegorie der Intelligenten Mterilien zugeordnet werden. Bei diesen Flüssigkeiten lässt sich die Viskosität durch Anlegen eines mgnetischen oder elektrischen Feldes unmittelbr, stufenlos und reversibel verändern. Der Effekt beruht druf, dss sich polrisierbre Prtikel in der Trägerflüssigkeit entlng der Feldlinien usrichten und Ketten bilden. Hierdurch wird die wirksme Viskosität erhöht, d. h. der Durchflusswiderstnd der Flüssigkeit wird größer. Beim Entfernen des mgnetischen oder elektrischen Feldes zerfllen die Ketten und die Flüssigkeit wird wieder dünnflüssig. 23

28 Steuerung der Viskosität durch Anlegen eines elektrischen Feldes [ Fludicon GmbH] Diese Veränderung knn sehr schnell vonsttten gehen. Im Millisekundenbereich knn somit us einer Flüssigkeit ein zähes Gel werden. Ein spezielles Öl der Firm Fludicon (Drmstdt) knn in einer Sekunde bis zu 1500-ml den Zustnd zwischen fest und flüssig wechseln. Solche Geschwindigkeiten sind besonders für hydrulische Systeme interessnt, schließen doch moderne Hochdruckventile heute nur 400- bis 500-ml je Sekunde. Ein weiterer Vorteil der intelligenten Flüssigkeitssysteme liegt drin, dss sie im Vergleich zu konventionellen Lösungen einfch und kompkt ufgebut werden können. Es werden weniger mechnische Teile benötigt, ws wiederum zur Gewichtsreduzierung beitrgen knn. Diese Eigenschft nutzend ht Fludicon Ventile entwickelt, die ohne bewegliche Teile uskommen. Klssische Anwendungsfelder im Automobil sind Dämpfer, Aktoren und Kupplungen. Im Bereich der Aktorik rückt der Trum eines ktiven Fhrwerkes näher. So können Fhrwerke relisiert werden, die sowohl Fhrbhnunebenheiten usgleichen, ls uch die Fhrdynmik kompensieren. Dieses wurde in dem BMBF-Projekt Adptronisches Trnsport System entwickelt. Im Rhmen eines weiteren BMBF/WING-Projektes erfolgte die Integrtion dptiver Systeme ins Fhrwerk. In der Forschung rbeitet ds Frunhofer LBF in Drmstdt unter Leitung von Prof. Hnselk, der uch ds BMBF-Leitprojekt Adptronik leitet, n dptronischen Systemen. Adptronisches Trnsportsystem zur Lgeerhltung eines Trnsportmediums [ Fludicon GmbH] 2.5 Elektrik und Elektronik Schon heute gilt die Elektronik ls der Innovtionstreiber im Automobilbereich, d immer mehr Komponenten elektronisch, elektromechnisch oder elektromgnetisch steuerbr werden. Nnostrukturierte Aktorkomponenten könnten beispielsweise heutige mikrosystemtechnische Lösungen im Bereich der Direkteinspritzsysteme ersetzen. Der Erstz von Glühlmpen durch sprsme und lnglebige Leuchtdioden wird schon heute prktiziert und wird sicherlich weitere Verbreitung finden. Alterntive Ansätze zu Fhrzeugntrieben, wie die bei fst llen OEMs in der Forschung & Entwicklung befindlichen Brennstoffzellentechnologien, könnten durch Lösungen us den Nnotechnologien ebenflls Innovtionsschübe erhlten, beispielsweise im Bereich der Wsserstoffspeicherung. Superkondenstoren ls effiziente Energiespeicher Mit der Verbreitung unterschiedlicher hybrider Antriebskonzepte werden uch die Systeme zur Rückgewinnung der Bremsenergie uch ls Rekupertion bezeichnet weiterentwickelt. Dbei wird die Bewegungsenergie des Fhrzeuges beim Bremsen über einen Genertor in elektrischen Strom umgewndelt und in Akkumultoren oder Superkondenstoren gespeichert. Diese Energie steht nun beim erneuten Anfhren zur Beschleunigung zur Verfügung. Prinzipbedingt können Kondenstoren gegenüber Akkusystemen sehr schnell und nhezu verlustfrei zwischenspeichern. Allerdings stnden bislng nur Kondenstoren mit vergleichsweise geringer Kpzität für den Einstz im Automobil zur Verfügung. Mit Hilfe der Nnotechnologien werden derzeit so gennnte Superkondenstoren bgekürzt Supercps, Ultrcps oder Scps mit hoher Energiekpzität entwickelt und relisiert. Supercps bestehen us metllischen Kontktfolien uf hochporösen Schichtelektroden mit Nnostruktur, Elektrolyten sowie einer Seprtor-Folie. Bei Superkondenstoren sind einige 10 bis mehrere 1000 Frd in einem Gehäuse untergebrcht. Weist zum Beispiel ein 100 Frd Superkondenstor die Größe einer Streich- 24

29 holzschchtel uf, so entspräche dieses einer Kpzität von 100 Millionen prllel geschlteter Stndrdkondenstoren mit einer Einzelkpzität von 1 Mikrofrd. Der Superkondenstor ist somit ds Bindeglied zwischen dem herkömmlichen Kondenstor und der Btterie (Fischle 2005). Er vereint den Vorteil des Kondenstors ls schnellen Stromliefernten mit dem der Btterie ls nennenswerten Energiespeicher. Im Vergleich zu konventionellen Kondenstoren wird sttt des nicht leitenden Elektrolyts ein Mteril eingesetzt, welches Ionen ber nicht Elektronen leitet. Die Ldungen smmeln sich dher uf beiden Seiten der Grenzfläche in einer sehr dünnen Schicht von etw einem Nnometer, die zu der hohen Kpzität führt. Zum nderen wird durch die Verwendung von hochporösen Schichtelektroden eine große wirksme Oberfläche erzielt, die ebenflls zu der hohen Kpzität beiträgt (Böcker 2006). Supercps weisen sehr hohe Leistungsdichten und geringe Innenwiderstände uf und sind für kurzfristige mximle Strombgben geeignet. Dmit sind sie flexibel einsetzbre Hochleistungsspeicher mit fst unbegrenzter Lebensduer und guter Energieund Ökobilnz. Aufbu eines Superkondenstors [ EPCOS AG] Mit dem Einstz größerer Stückzhlen von Supercps wird zukünftig in Hybridfhrzeugen gerechnet. Auch bei Brennstoffzellenfhrzeugen ergänzen Supercps die kurzzeitige Energieversorgung leistungsintensiver Fhrzustände. Weitere potenzielle Fhrzeugnwendungen finden sich in der Ergänzung der Btteriespeicher im zukünftigen 42V-Bordnetz. Eine zunehmende Anzhl von leistungshungrigen Verbruchern wie elektromgnetische Türschlösser und Ventilbetätigungen oder die Ktlystorvorheizung müssen kurzzeitig versorgt werden. Der Strt / Stop-Betrieb mit Strtergenertor erfordert ebenflls einen hohen kurzzeitigen Leistungsbedrf, der in Verbindung mit der Bremsenergierückgewinnung gedeckt werden könnte. Diesbezüglich werden erhebliche Krftstoffeinsprpotenzile vorusgesgt. Ionenleiter Elektronennreicherung Elektronenverrmung elektrisch isolierender Seprtor (durchlässig für Ionen) Elektrolyt-Ionen Stromkollektor Elektrode Nnotechnologien kommen uch bei leistungsstrken Lithium-Ionen-Btterien, der künftigen Energieversorgung von Hybridfhrzeugen, zum Einstz. Lithium-Ionen-Btterien gewinnen ls Energiespeicher immer mehr n Bedeutung, weil sie leichter, kleiner und leistungsfähiger sind ls Blei- oder Nickel-Metllhydrid-Vrinten. Als Seprtoren zum Trennen der Anode von der Kthode werden in Lithium-Ionen-Btterien bisher semipermeble Membrnen us Polymeren eingesetzt (Oberholz 2006). Derrtige Seprtoren hben llerdings einige grvierende Nchteile. So sind sie zum Beispiel nicht usreichend temperturstbil und sogr selbst brennbr. Der von Deguss entwickelte Seprtor SEPARION überwindet diese Probleme. Dbei hndelt es sich um eine doppelseitige kermische Prinzipbild eines Supercps. Durch die große spezifische Oberfläche der Elektroden und die Ausbildung von Doppelschichten n den Elektroden werden extrem hohe Kpzitäten erreicht. [Angelehnt n Buer 2005] Beschichtung einer PET-Polymermtrix, die eine entsprechend hohe chemische und thermische Stbilität ufweist, zugleich ber hoch flexibel ist. Ausgngspunkt für die kermischen Schichten sind nnosklige Pulver verschiedener Metlloxide. Auf diese spezielle Technologie hält Deguss inzwischen rund 25 Ptente, die sowohl ds Produkt ls uch Prozess und Anwendung bdecken. Von der Spezilppierfbrik Oberschmitten GmbH (SPO) hergestelltes Ppier für den Einstz ls Seprtormteril in Supercps. Ds Ppier zeichnet sich durch eine sehr feine und dichte Struktur bei gleichzeitig guter Durchlässigkeit für den Elektrolyten us. [ Spezilppierfbrik Oberschmitten GmbH] 25

30 Lenkwinkelsensor, der uf dem GMR-Effekt beruht. [ Robert Bosch GmbH] Nnosensoren für Automobilnwendungen Sensoren zur Erfssung des Fhrerwunsches und zur Überprüfung des Systemzustndes einer Vielzhl von Aggregten sind elementre Bestndteile heutiger mechtronischer Systeme im Fhrzeug. Bei bewegten Systemen kommt zum Beispiel Positions- und Winkelsensoren eine hohe Bedeutung zu. Um die Zuverlässigkeit mechtronischer Systeme zu steigern, werden vermehrt kontktlose Mgnetfeldsensoren eingesetzt, die uf Bsis des mgnetoresistiven Effektes rbeiten. Im Automobil gibt es eine Reihe von Anwendungen für diese Mgnetfeldsensoren. Beispiele dfür sind ds Antiblockiersystem, die Türfenster, ds Schiebedch, die Fhrdynmikregelung oder die Lenkwinkelsensoren. GMR-Sensoren lssen sich sehr viel kleiner buen ls konventionelle Mgnetsensoren. Weitere Vorteile des GMR-Sensors liegen in der geringen Stromufnhme und einer wesentlich geringeren Temperturbhängigkeit der Messsignle. Selbst bei großen Temperturschwnkungen liefern sie reltiv konstnte Messwerte und können dher uch bei hohen Temperturen lso zum Beispiel in Motornähe eingesetzt werden. Eine besondere produktionstechnische Herusforderung stellt die reproduzierbre Herstellung der nnometerdünnen Schichten dr, die bisher nur von wenigen Unternehmen bis zur Serienreife gebrcht wurde. Als erster europäischer Hersteller ht die Sensitec GmbH us dem hessischen Lhnu die Serienproduktion von GMR-Sensoren begonnen. Ds Unternehmen ht sich im Bereich mgnetoresistiver Sensorik erfolgreich in industriellen und utomobilen Appliktionen betätigt. Die Sensoren finden zum Beispiel Einstz in elektrischen Servolenkungen. Sensitec verfügt über die zurzeit leistungsfähigste Chipfbrik für Mgnetosensoren in Europ. Mgnetoresistiver GMR- Sensor, der mehrere Lgen mit Schichtdicken von 2 nm ufweist und der mittels Flip-Chip- Montge umgekehrt mit vier 300 µm dicken Bleikugeln uf eine Pltine gesetzt wird. [ Sensitec GmbH] Die Duerfestigkeit und die Alltgstuglichkeit des Brennstoffzellenutos HydroGen3 wurde von GM und Opel durch eine Mrthonfhrt erfolgreich getestet. Auf der km lngen Fhrt durch Europ im Juni 2004 km der Prototyp durch 14 Länder. [ Adm Opel GmbH] Ds Messprinzip eines Mgnetfeldsensors besteht in der Umwndlung einer Positions- oder Bewegungsinformtion eines Mgneten in ein elektrisches Signl. Hierbei wird der Riesenmgnetowiderstndseffekt beziehungsweise Gint-Mgneto- Resistive-Effect (GMR) genutzt. Der GMR-Effekt tritt nur in extrem dünnen Schichtsystemen uf. Die Dicke dieser Schichten beträgt nur wenige Nnometer. In seiner einfchsten Form schließen zwei mgnetische Schichten eine nicht-mgnetische Lge ein. Sind die beiden Deckschichten entgegengesetzt mgnetisiert, ist der elektrische Widerstnd im Schichtsystem höher, ls bei gleichgerichteter Mgnetisierung. Aufgrund dieser deutlichen Widerstndsänderung, der in der Prxis bis zu 50 % betrgen knn, wird dieser Effekt ls Gint bezeichnet. Brennstoffzellen für ds Automobil der Zukunft Einer der wesentlichen Innovtionstreiber mit immer neuen Anwendungen ist die Elektronik im Automobil. Der Stromverbruch in Automobilen ht dher in den letzten Jhren drstisch zugenommen. Neben der Unterhltungselektronik hben uch neue Sicherheits- und Komfortfunktionen n Bedeutung gewonnen. Diese Stromverbrucher belsten zunehmend die Energieversorgung des Automobils. Auch wegen des geringen Wirkungsgrdes muss bis zu einem Drittel der Motorleistung heute schon für die Stromversorgung eingesetzt werden. Wegen der zunehmenden Verknppung fossiler Brennstoffe und den dmit verbundenen hohen Benzinpreisen kommt lterntiven und effektiven Energiequellen eine immer größere Bedeutung zu. Brennstoffzellen könnten hier eine Reihe von Problemen lösen. Der vielleicht wichtigste Vorteil ist der hohe Wirkungs- 26

31 Vorbereitung der MEA-Herstellung in der Produktionsnlge [ PEMEAS GmbH] grd der Brennstoffzelle, wodurch der Krftstoffverbruch deutlich reduziert werden knn. Kombiniert mit einem Akkumultor könnte sie gleichmäßig usreichend Strom für ds Bordnetz erzeugen und den Motor entlsten, der ddurch kleiner dimensioniert werden knn. Reine Brennstoffzellenfhrzeuge verzichten gnz uf den Verbrennungsmotor und setzen uf eine Kombintion von Brennstoffzelle ls Energiewndler und Elektromotor beziehungsweise mehreren Elektromotoren für den Antrieb. Der Akkumultor oder uch ein Superkondenstor nimmt die Leistungsspitzen uf, während die Brennstoffzelle gleichmäßig läuft und die Btterie wieder uflädt. Besonders ussichtsreich ist hier die Hochtempertur-PEM Brennstoffzelle, die bei 160 bis 180 C rbeitet, Verunreinigungen im Wsserstoffgs toleriert und uch einfch gekühlt werden knn. Im Kern der Brennstoffzelle, der Membrn-Elektroden-Einheit (MEA), findet die eigentliche elektrochemische Rektion von Wsserstoff und Suerstoff zu Hochporöse Nnowürfel zur Strom und Wärme Wsserstoffspeicherung [ BASF AG] sttt. Die Spltung der Wsserstoffmoleküle n der Anode in Ionen und Elektronen und der Suerstoffmoleküle n der Kthode findet zwischen der Gsdiffusionselektrode mit Ktlystor und Membrn sttt. Entscheidend für die Aktivität der MEA und dmit für die Leistung des Gesmtsystems ist eine möglichst große Oberfläche des Ktlystors. Durch nnosklige Pltinmoleküle knn die benötigte Vergrößerung der ktiven Oberfläche gewährleistet werden. Für die effektive Einbindung der Pltintome gibt es verschiedene Konzepte. Die Herusforderung besteht drin, diese winzigen Prtikel gleichmäßig zu verteilen, die Oberfläche frei zu hlten und eine Agglomertion über die Betriebsduer zu verhindern. Aber uch die effektive Speicherung von Wsserstoff stellt eine Herusforderung dr, die nch heutiger Auffssung nur durch nnokristlline Mterilien gelöst werden knn. Auch wenn sich der Einstz von Brennstoffzellen in Fhrzeugen immer wieder verzögert ht, werden Brennstoffzellen bereits vielfch in Prototypen und Testfhrzeugen erprobt. Die Frnkfurter Firm PEMEAS ht sich ls führender Anbieter von Kernkomponenten und Subsystemen für die schnell wchsende Brennstoffzellenindustrie etbliert. Sie knn uf eine mehr ls 10jährige Erfhrung zurückblicken, d sie die Brennstoffzellenktivitäten der früheren Hoechst AG, die bereits 1994 ins Leben gerufen wurden, fortführt. PEMEAS verbessert fortlufend Membrn und Ktlystoren, um die Brennstoffzelle leistungsfähiger, robuster und kostengünstiger zu mchen. Als wichtiger Hersteller für MEAs ist uch ds Unternehmen Umicore mit Stndort in Hnu weltweit ktiv. Wsserstoff Bipolrpltte (Anode) 2H 2 e e e e e H H H H 2H 2 4H + + 4e O 2 + 4e 2O 2 Membrn Schemtische Drstellung der Funktionsweise einer Brennstoffzelle [ PEMEAS GmbH] e H 2 O Gsdiffusionselektrode mit Ktlystorschicht Wärme Gsdiffusionselektrode mit Ktlystorschicht In der Hochschulforschung befsst sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Fröb von der Justus-Liebig- Universität Gießen unter nderem mit der Synthese und Chrkterisierung von nnoporösen Mterilien zur Gsspeicherung. An der Fchhochschule in Wiesbden rbeitet ein Tem von Fru Prof. Dr. Scheppt n verschiedenen Aspekten der Brennstoffzellentechnologie. e e O O O 2 Suerstoff Bipolrpltte (Kthode) 27

32 Eine 150 Nnometer dünne Schicht us Siliziumdioxidkugeln verringert die Oberflächenreflexion uf Gls von cht uf zwei Prozent. [ Merck KGA] Solrenergie im Automobil Zur Ergänzung der Stromversorgung der elektrischen und elektronischen Komponenten im Automobil werden Solrzellen seit längerem diskutiert. Um us Sonnenlicht elektrischen Strom zu gewinnen, werden derzeit in der Regel Solrzellen uf Siliziumbsis verwendet. D die Hlbleitermterilien für diese Anwendung äußerst reine Atomgitter ufweisen müssen, ist ihre Herstellung kostspielig und mcht die Verwendung im großen Mßstb kompliziert km eine uf biologischen Prinzipien bsierende Solrzelle des Chemikers Michel Grätzel der Eidgenössischen Hochschule Lusnne in die Schlgzeilen. Er prophezeite dmls niedrige Herstellungskosten und Lnglebigkeit. Die ls Grätzelzelle bezeichnete Zelle orientiert sich n der Photosynthese der Pflnzen zur Energiegewinnung us Sonnenlicht. Bei herkömmlichen Solrzellen liefert ds Silizium bei Sonneneinstrhlung die benötigten Elektronen. Diese können dnk der elektrischen Leitfähigkeit des Hlbleiters zu den Elektroden fließen. In der Grätzelzelle werden diese beiden Funktionen jeweils von einem nderen Stoff übernommen. Ein orgnischer Frbstoff übernimmt ähnlich dem Chlorophyll die Elektronenbereitstellung. Für die Weiterleitung zu den Elektroden wird eine nnoporöse Titnoxid-Schicht mit großer Oberfläche genutzt. Der Aufbu besteht us zwei Glspltten, die jeweils mit einer trnsprenten Elektrode versehen sind. Pltte 1 trägt die mit dem Frbstoff sensibilisierte Titnoxid-Schicht. Pltte 2 ist mit Pltin ls Ktlystor beschichtet dzwischen befindet sich eine Elektrolytlösung. Die geringere Lichtusbeute im Vergleich zu Silizium- Solrzellen wird durch die spezifische Eigenschft kompensiert, uch bei schwchem Licht Strom zu liefern. Aufgrund der einfchen Buweise, der Möglichkeit uch große Flächen zu relisieren sowie der geringen Umweltbelstung bei der Herstellung wird der Reflexion Einstrhlung Reflexion Solre Trnsmission: > 90% >95% Im Autodch integrierte mikrostrukturierte Solrzellen könnten in der Zukunft durch Nnosolrzellen ersetzt werden. [ DimlerChrysler AG] Grätzelzelle erhebliches Zukunftspotenzil bescheinigt. Die Herstellungskosten in einer zukünftigen Großserie werden mit circ 20 % derer für Silizium- Solrzellen bgeschätzt. Weitere Informtionen zum Them enthält die Broschüre NnoOptik, Bnd 5 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nnotech. Ein Problem bei konventionellen Solrzellen ist der Wirkungsgrdverlust durch die Reflexion von Licht n der Solrglsscheibe. Dieser Verlust liegt selbst bei hochwertigen Solrgläsern bei fst 10 %. Hierbei ist es den Firmen Merck KGA und Centrosolr Gls GmbH & Co. KG gelungen, gemeinsm mit den Frunhofer Instituten ISC und ISE eine Glsbeschichtung uf Bsis einer Sol-Gel Technologie zu entwickeln. Die Beschichtung mindert die Reflexion des Sonnenlichtes und steigert ddurch die Energieusbeute von Solrnlgen um bis zu 6 %. Ds besondere Know-how der Merck-Forscher lg in der Entwicklung des Sols: Es besteht us einer Mischung von Siliziumdioxid-Kügelchen in 2 Größenklssen, die in einem Lösungsmittelgemisch verteilt sind. Durch die Kombintion von Prtikeln mit einem Durchmesser von 10 nm und 35 nm ergibt sich in der Anwendung die gewünschte nnoporöse Schicht, die die Oberfläche breitbndig entspiegelt. Um die Glsscheiben mit dem SiO 2 -Hybridsol Solrpur TM zu beschichten, werden sie in einen Behälter mit dem Sol getucht und mit konstnter Geschwindigkeit wieder herusgezogen. Über die Ziehgeschwindigkeit lässt sich die Schichtdicke der Antireflexbeschichtung beeinflussen, wobei eine Dicke von 120 nm für solre Anwendungen ls optiml gilt. Beim Trocknen der Scheiben entsteht us dem Sol über ein Gel die gewünschte nnoporöse Schicht, die bei C gemeinsm mit dem Gls gehärtet wird. Der niedrige Brechungsindex der Schicht (von nur 1,25) bewirkt eine Reflexionsminderung über ds gesmte energetisch nutzbre Spektrum des Sonnenlichts von 400 nm bis 2500 nm. Die solre Trnsmission (AMI 1.5) steigt dmit von 90 % (hochwertiges Solrgls) uf über 95 %. Antireflex- Schicht Photovoltikmodul oder Sonnenkollektor 28

33 2.6 Nnotechnologien für den Motor und den Antrieb Vorbereitung des Motorblocks für eine Nnobeschichtung (links) und Beschichtung des Motorblocks (rechts) [ DimlerChrysler AG] Mßnhmen zur Verbesserung der Verbrennungswirkungsgrde, wie vollvrible Ventilsteuerungen oder ultrpräzise Krftstoffeinspritzungen optimieren den Verbrennungsvorgng und führen so zu einem reduzierten Benzinverbruch. Aber uch die Minimierung der Motorreibung durch neue Nno- Schichtsysteme knn zukünftig zur Krftstoffeinsprung beitrgen. Reibungsrme Aggregtekomponenten zur Krftstoffeinsprung Der Krftstoffverbruch wird bei modernen Pkw- Motoren zu etw % von der Motorreibung bestimmt. Verntwortlich hierfür sind Reibungsverluste n den bewegten mechnischen Buteilen der Motoren. Dies sind neben der Kolbengruppe, bestehend us Zylinderwndung und Kolben, die Elemente des Kurbeltriebes (Kurbelwelle, Pleuel und Lgerungen) sowie die Ventiltriebsgruppe mit Nockenwellen und Ventilen. Die Kolbengruppenreibung verurscht dbei den größten Anteil n den mechnischen Reibungsverlusten. Nnotechnologien können dbei helfen, durch Verminderung der Reibung Krftstoffeinsprpotenzile zu relisieren. Nnokristlline Beschichtungswerkstoffe, ufgetrgen uf die Zylinderinnenwnd, verringern Reibung und Verschleiß und dmit den Krftstoffverbruch. Die DimlerChrysler AG strtete mit nderen industriellen und universitären Prtnern im Rhmen der Leitinnovtion Nnomobil des BMBF ds Forschungsprojekt Nnokristlline Composit-Beschichtungen für Zylinderlufbhnen mit nnostrukturierter Oberfläche und Verschleißvorhersge für hochbelstete Benzin- und Dieselmotoren NCoLb. Projektziel ist, die Zylinderlufbhnen des Aluminium-Kurbelgehäuses direkt mit Nnowerkstoffen zu beschichten. Ddurch könnten die bisher in Aluminium- Kurbelgehäusen notwendigen Lufbuchsen eingesprt werden. Beschichtungswerkstoffe mit eingelgerten Nnokristlliten der Größe von 60 bis 130 Nnometern uf der Bsis von Eisencrbid und Eisenborid führen zu extrem hrten und gleichzeitig reibungsrmen Oberflächen. Piezo-Injektoren für die ultrpräzise Krftstoffeinspritzung Moderne hocheffiziente Dieselmotoren rbeiten mit Hochdruck-Einspritzsystemen. Bei der Direkteinspritzung but eine Pumpe zunächst einen hohen Druck uf und schießt dnn den Krftstoff über eine Düse fein dosiert in die Brennkmmer des Zylinders ein. Die Präzision mit der dies geschieht, beeinflusst direkt den Verbrennungsvorgng. Je höher der Druck und je gezielter die Dosis und der Zeitpunkt des Einspritzens gesteuert wird, desto effizienter und dmit umweltschonender verbrennt der Krftstoff. Piezokermische Werkstoffe ermöglichen es, höhere Kräfte und Geschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Stellern für Krftstoffeinspritzungen zu relisieren und dmit deren Verbruch, Schdstoffusstoß und Geräuschentwicklung deutlich zu reduzieren. Dbei wird der piezoelektrische Effekt genutzt, um den Öffnungsund Schließmechnismus des Einspritzventils zu betätigen. Der piezoelektrische Effekt bewirkt durch ds Anlegen einer elektrischen Spnnung eine geometrische Veränderung oder umgekehrt durch eine mechnische Verformung eine Ldungsbewegung. Legt mn n einen derrtigen Werkstoff eine elektrische Spnnung n, verformt er sich sehr schnell. Dbei entstehen hohe mechnische Kräfte, die sich zum Steuern Piezo-Injektor für die Benzin-Direkteinspritzung [ Robert Bosch GmbH] 29