Immer auf dem Boden bleiben

Keiner entkommt ihr: kein Lebewesen, kein Element, kein Planet, kein Stern. Sie gibt die Richtung vor – ohne sie wäre der Kosmos Chaos, wüssten die Pflanzen nicht, in welche Richtung sie wachsen sollen, und würde der Regen nicht auf die Erde fallen. Wir wissen noch längst nicht alles über sie, aber eines steht fest: Da sie sich nicht abschirmen lässt, dominiert sie das Universum. Die Schwerkraft dirigiert die Welt.

Vor dem Trinity College in Cambridge steht vor dem Zimmer, in dem der englische Astronom und Physiker Isaac Newton lebte, ein Apfelbaum. Er soll ein Abkömmling jenes Baumes sein, der Newton im Jahr 1660 der Legende nach zu einer bahnbrechenden Erkenntnis inspirierte. Newton saß demnach im Garten seines Elternhauses und grübelte, wie meistens, vor sich hin, als ein Apfel vom Baum fiel. „Warum fällt der Apfel immer senkrecht zu Boden? Warum nicht seitwärts oder aufwärts, sondern immer konstant in Richtung Mittelpunkt der Erde?“ Newton erkannte, dass die Erde den Apfel anzieht – der erste Schritt auf dem Weg zum Gravitationsgesetz.

Gravitation, Schwerkraft, Anziehungskraft, Gewichtskraft – diese Begriffe werden meistens synonym verwendet. Schwerkraft bedeutet, dass zwei Massen sich gegenseitig anziehen. Je näher sich diese beiden Massen sind, desto stärker die Schwerkraft. Die Sonne zieht den nahen Merkur stärker an als die weit entfernte Erde. Entscheidend ist außerdem die Größe: Je größer ein Körper, desto stärker seine Schwerkraft. Der kleine Apfel wird also von der großen Erde angezogen. Als absolute Gigantin in unserem Sonnensystem zieht die Sonne alle Planeten an und zwingt sie auf eine gleichbleibende Umlaufbahn. In dieser Umlaufbahn entspricht die Fliehkraft der Planeten exakt der Schwerkraft der Sonne. Beide sind im Gleichgewicht. Die Fliehkraft verhindert, dass die Planeten so stark angezogen werden, dass sie in die Sonne stürzen.

Schwerkraft abhängig von der Masse
Ob Sonne, Mond, Venus oder Erde: Alle Körper haben also eine spezifische Schwerkraft, die ihrer Masse entspricht. Sie wirkt auf alle Körper gleich. Das bedeutet, dass beispielsweise die Erde eine Feder, einen Stein, einen Elefanten und auch den Mond gleichermaßen stark anzieht. Die Anziehungskraft der Erde ist sechsmal so groß wie die des Mondes, da die Erde viel größer ist als der Mond. Ein Astronaut kann daher auf dem Mond große, leichtfüßige Sprünge machen, was ihm auf der Erde nicht gelingt.

Wer jetzt denkt, er hat die Schwerkraft verstanden, hat die Rechnung ohne Albert Einstein und seine Allgemeine Relativitätstheorie gemacht. Das Physikgenie erkannte als Erster, dass die Schwerkraft keine Kraft ist, sondern eine geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit. Der Weltraum ist vierdimensional. Er besitzt die Richtungen Länge, Breite, Höhe – und als vierte Dimension die Zeit. Massen und alle Formen von Energie verursachen gewissermaßen Dellen in dieser Raumzeit. Entlang dieser Vertiefungen müssen sich alle Himmelskörper bewegen. Die gekrümmte Raumzeit bestimmt, wie wir uns bewegen.

Die Schwerkraft hat also einen gewichtigen Einfluss auf das Universum und unser Leben. Sie ist die Kraft, die uns am Erdboden hält und daher auch einen Gegenstand oder eine Person – entsprechend deren Masse – auf eine Waage zieht. Schwerkraft und Gewicht hängen entsprechend eng zusammen. In vielen Alltagssituationen machen uns viele Kilogramm das Leben schwer. Wer seinen Großeinkauf nach Hause oder einen neuen Kühlschrank in den dritten Stock tragen muss, hätte es wohl gerne leichter.

Leichtbau bringt viele Vorteile
Das Gleiche gilt für industrielle Anwendungen. In so gut wie allen Branchen ist der Leichtbau daher heute von erheblicher Bedeutung, denn er bringt viele Vorteile. Sein Ziel ist es, bei der Herstellung, der Nutzung und der Verwertung eines Produkts in möglichst großem Umfang Rohstoffe, Werkstoffe, Energie, Emissionen und Kosten einzusparen. Kunststoffe punkten hier auf ganzer Linie, denn sie besitzen im Vergleich zu anderen Werkstoffen eine geringe Dichte. Polyethylen beispielsweise ist mit maximal 0,96 Gramm pro Kubikzentimeter leichter als Wasser und schwimmt.

Insbesondere bei bewegten Massen, wie beispielsweise Autos oder Flugzeugen, ist Leichtbau gefragt, denn mit ihm lassen sich die Betriebskosten und Emissionen senken. Ein weiteres gutes Beispiel sind Windkraftanlagen. „Diese Anlagen werden immer größer – und damit auch die Massen, die bewegt werden“, erläutert Dr. Axel Höfter, Director Corporate R&D bei Röchling Industrial. Die Rotoren haben Spannweiten von bis zu 130 Metern – nicht erst beim Aufbau einer solchen Anlage stellen diese Dimensionen eine gewaltige Herausforderung dar. Je leichter, desto besser, sollte man denken. Gleichzeitig aber müssen die Rotorblätter Windgeschwindigkeiten von bis zu 90 Kilometern pro Stunde und Blattspitzengeschwindigkeiten von bis zu 300 Stundenkilometer aushalten.

Woher kommt die Schwerkraft?

Die Schwerkraft steckt im Erdinneren verborgen. Nähert man sich über die Erdkruste und den Erdmantel nach etwa 3.000 Kilometern dem äußeren Erdkern, hat man es mit Temperaturen von 4.000 Grad Celsius und einem Druck zu tun, der 1,3 Millionen Mal so hoch ist wie der Atmosphärendruck auf der Erdoberfläche. Der äußere Erdkern besteht vor allem aus flüssigem Eisen. Darin eingebettet ist eine noch heißere und noch stärker unter Druck stehende Kugel aus festem Eisen und Nickel – der innere Erdkern. Obwohl er verhältnismäßig klein ist, macht er ein Drittel der Erdmasse von sechs Trilliarden Tonnen aus. Das macht die Erde schwer genug und die Anziehungskraft groß genug, um das Wesentlichste festzuhalten: die Luft zum Atmen. Die Erdatmosphäre, eine perfekte Mischung aus Stickstoff, Sauerstoff, CO2, Wasserdampf und Edelgasen, liegt wie ein schützender Schleier um unseren Planeten und hält ihn warm. Das „Wunder Erde“ ist also eng mit ihrem Innenleben verknüpft.

„Das, was wir bei unseren Entwicklungen daher immer im Blick haben, ist das Verhältnis von Gewicht und Steifigkeit“, sagt Höfter. Das bedeutet, dass die Rotorblätter beides sein sollen: leicht und und trotzdem stabil. Röchling Industrial hat deshalb für die Rotorblattgurte, die im Inneren der Rotorblätter als stabilisierende Elemente eingesetzt werden und extreme Zugkräfte aufnehmen, pultrudierte Profile entwickelt. Sie bestehen aus carbon- (CFK) oder glasfaserverstärktem (GFK) Durostone®. Die Profile reduzieren die Durchbiegung der Rotorblätter unter hoher Windlast und tragen zur Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit der Anlagen bei.

Es geht aber auch ein paar Nummern kleiner. Im Behälterbau hat Röchling mit Polystone® P CubX® eine Hohlkammerplatte mit einer einzigartigen inneren Würfelstruktur entwickelt. Sie hat eine geringe Dichte und verbindet das daraus resultierende geringe Gewicht mit einer hervorragenden Steifigkeit. „Behälterbauer können mit CubX® viel Zeit und Ressourcen bei der Fertigung sparen. Wir haben hier ein Produkt, das am Markt einzigartig ist“, unterstreicht Jens Korte aus der Abteilung Corporate R&D von Röchling Industrial. Auch das Handling der Platten und der fertigen Behälter ist aufgrund des geringen Gewichts deutlich einfacher. Rechteckbehälter, die mit herkömmlichen Vollkunststoffplatten konstruiert werden, müssen in der Regel aufwendig mit Stahl verstärkt werden. Aus Polystone® P CubX® hergestellte Behälter dagegen benötigen je nach Größe gar keine oder weniger Stahlverstärkungen.

Spagat zwischen leicht und fest
Auch für Fahrzeugaufbauten, etwa bei Pferdetransportern, oder für sogenannte Flightcases (s. Bericht S. 26) hat Röchling Industrial den Spagat zwischen leicht und fest gemeistert. Mit Foamlite® steht sogar eine ganze Produktlinie im Zeichen des Leichtbaus. Die aufgeschäumte Platte hat gegenüber einer kompakten Platte mit gleichen Abmessungen einen Gewichtsvorteil von 30 Prozent. Mit 0,6 Gramm pro Kubikzentimeter ist das Produkt noch einmal deutlich leichter als vollverdichtetes Polyethylen oder Polypropylen. Die Platte lässt sich überdies einfach mit Holzbearbeitungswerkzeugen verarbeiten, hat eine hohe mechanische Stabilität, eine lange Lebensdauer, eine hochwertige Oberfläche sowie gute Isolationseigenschaften.

Diese Aufzählung zeigt: Röchling macht mit einem einzigen Werkstoff vieles möglich. Am Ende jedoch gilt es immer, einen optimalen Kompromiss der Werkstoff­eigenschaften zu finden. Soll ein Kunststoff beispielsweise besonders gleitfreudig sein, kann man seinen Reibungskoeffizienten reduzieren, indem man Öl zur Kunststoffrezeptur hinzugibt. Dadurch nimmt jedoch automatisch auch die Festigkeit ab. Wird also an einer Stellschraube gedreht, hat das auch einen Einfluss auf die anderen Parameter. „Unsere Experten ermitteln gemeinsam mit den Kunden die konkreten Anforderungen. Wir kennen die Grenzen des Machbaren genau und beraten entsprechend“, so Höfter. Röchling Industrial kann dabei auf ein fundiertes Fachwissen, eine große Industrieexpertise und ein breites Materialangebot zurückgreifen – Duroplaste und Thermoplaste gehören genauso dazu wie Materialkombinationen.

Intelligenter Materialmix
Auch der Unternehmensbereich Automotive setzt auf einen intelligenten Materialmix, zu dem duroplastische und thermoplastische Kunststoffe, Faserverbundstoffe und Metalle gehören. Die Produkte und Lösungen von Röchling Automotive überzeugen dabei in vielerlei Hinsicht, unter anderem wegen ihrer Akustik- und Aero­dynamikeigenschaften. Der Einsatz von Kunststoff, der per se ein Leichtbauwerkstoff ist, sorgt vor allem aber auch für weniger Gewicht, was wiederum weniger Spritverbrauch und weniger Emissionen bedeutet. An diesem Thema kommen Automobilhersteller und ihre Zulieferer nicht mehr vorbei.

Ein wahres Leichtgewicht hat Röchling Automotive mit Stratura® Hybrid entwickelt. Der Werkstoff kombiniert leichtgewichtige, akustisch wirksame und thermisch isolierende glasfaserverstärkte Thermoplaste (LWRT) in Presstechniken mit Aluminiumschichten. Dieser neuartige Ansatz erreicht hinsichtlich Steifigkeit und Belastbarkeit die Werte von Karosserieblech und reduziert durch die Integration akustischer Eigenschaften das Gewicht des Fahrzeugbodens um 50 Prozent oder sogar mehr. Ein Anwendungsbereich von Stratura® Hybrid ist der Integrated Sandwich Floor (ISF), ein mehrlagiger integrierter Boden, der den klassischen Karosserieboden ersetzt. Über die Variation der Materialdicke kann der Automobilentwickler ganz gezielt die Festigkeitskennwerte, die Akustik und die thermischen Isolationseigenschaften beeinflussen. „Stratura® Hybrid bietet uns die Möglichkeit, hochsteife, sehr leichte und auch noch akustisch wirksame Bauteile zu erzeugen“, erläutert Markus Sattel, Head of Product Line Structural Lightweight.

Auch in Elektrofahrzeugen punktet Stratura® Hybrid. Der Werkstoff eignet sich hervorragend als Schutz von Batteriesystemen in einem Crashfall, da das Material eine hohe Elastizität und eine große Reißdehnung aufweist. Stratura® Hybrid ersetzt Metallgehäuse, wodurch Kosten und Gewicht gesenkt werden.

Was fällt schneller – ein Hammer oder eine Feder?

Wie ist das: Fällt ein Körper mit einem höheren Gewicht, wie zum Beispiel ein Hammer, schneller auf den Boden als ein Körper mit einem geringeren Gewicht, wie zum Beispiel eine Feder? Diese Frage hat schon den italienischen Universalgelehrten Galileo Galilei (1564 – 1642) beschäftigt. Er soll Fallexperimente am Schiefen Turm von Pisa durchgeführt haben, um zu testen, ob Gewicht oder Dichte eines Körpers darüber entscheiden, wie schnell er auf die Erde fällt.

Die Frage nach der Fallgeschwindigkeit lässt sich nicht ohne den Unterschied zwischen Masse und Gewicht klären. Die Masse eines Körpers ist ortsunabhängig – sie bleibt dieselbe auf der Erde, auf dem Mond und im gesamten Universum. Das Gewicht dagegen ist abhängig von der Anziehungskraft, die auf den Körper wirkt. Ein Körper mit einer Masse von 120 Kilogramm wiegt auf der Erde 120 Kilogramm. Auf dem Mond wiegt derselbe Körper nur 20 Kilogramm, da die Anziehungskraft des Mondes nur ein Sechstel der Erdanziehungskraft beträgt. Im Weltraum ist der Körper schwerelos, da keine Anziehungskraft auf ihn einwirkt. Der Körper hat aber gleichbleibend eine Masse von 120 Kilogramm.

Die Geschwindigkeit, mit der ein Körper fällt, hängt von der Kraft ab, die auf ihn einwirkt und die ihn beschleunigt. Auf der Erde beträgt dieser Beschleunigungsfaktor im Durchschnitt 9,81 Meter pro Quadratsekunde. Die Fallgeschwindigkeit lässt sich – ohne Berücksichtigung des Luftwiderstands – aus dem Beschleunigungsfaktor und der Fallzeit oder der Fallhöhe berechnen. Masse oder Gewicht spielen in dieser Gleichung keine Rolle. Das bedeutet: Hammer und Feder fallen gleich schnell. Der Astronaut Dave Scott hat dies im Rahmen der Apollo-15-Mission auf dem Mond anschaulich bewiesen. Er ließ dort, wo es keine ­Atmosphäre und somit keinen Luftwiderstand gibt, eine Feder und einen Hammer fallen. Tatsächlich landeten beide gleichzeitig auf dem ­Boden. Auf der Erde fällt eine Feder also nur deshalb wesentlich langsamer als ein Hammer, weil ihr die Luft einen Widerstand entgegensetzt. ­Dabei spielen Luftdichte, Volumen und Thermik eine Rolle. Würde man aber die Feder in eine kleine Kiste und den Hammer in eine identisch geformte Kiste legen, hätten beide Kisten auch auf der Erde dieselbe Fallgeschwindigkeit.

Tapes verstärken Bauteile gezielt
Für Strukturbauteile im Auto hat Röchling Automotive ganz aktuell Kunststofflösungen entwickelt, die mit Tapes verstärkt werden. Diese Tapes bestehen aus Polypropylen oder Polyamid in Kombination mit Glas-, Kohle- oder Aramid-Endlosfaser. „Sie ermöglichen es uns, mit minimalem Materialeinsatz ein Bauteil gezielt zu verstärken. Das bringt nicht nur Kosteneinsparungen, sondern reduziert gleichzeitig das Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Verstärkungsstrukturen“, sagt Dirk Montan, Head of Advanced Development Aerodynamics & New Mobility.

Ob Kühlungssysteme, Klimaluftführungen, Luftansaugstrecken oder Unterbodenverkleidungen – Röchling Automotive überzeugt seine Kunden seit vielen Jahren mit unterschiedlichsten gewichtsreduzierenden Bau­teilen und Anwendungen. Und auch künftig ist in Sachen Leichtbau noch vieles vom Experten für Automobilkunststoffe zu erwarten.

 
 

Christiane Müller

Freelance Journalist

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