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Das Geheimnis der Kuhlen

Ideen in die Welt zu setzen ist leicht, sie zu verwirklichen eine Herkulesaufgabe. Den Unterschied machen Hartnäckigkeit, ein sehr langer Atem und das richtige Team. So war es jedenfalls bei den Entwicklern eines revolutionären Laserverfahrens, das den Ölverbrauch und Verschleiß von Automotoren drastisch reduziert.




Die Begeisterten Überraschenderweise gibt der eingefleischte Ingenieur Horst Joachim Lindner auf die Frage nach dem entscheidenden Faktor eine psychologische Antwort: Nicht Geld, nicht Genius, nein, die Chemie sei's gewesen. Die habe gestimmt zwischen den beteiligten Tüftlern. Deshalb sei man 14 Jahre in verschiedenen Instituten und Firmen bei der Sache geblieben und habe eine exotische Idee bis zur Anwendung getrieben. Das Ergebnis ist eine Lasermethode, die den Ölverbrauch von Dieselmotoren um bis zu 75 Prozent senkt und den Verschleiß um bis zu 90 Prozent. Im Audi-Motorenwerk Györ in Ungarn wird sie eingesetzt, andere Hersteller haben bereits bei den Entwicklern angeklopft.

Sehr zur Freude des Audi-Manns Lindner, der in der Fachhochschule Amberg-Weiden, der neuen Heimat der Laserforschung, an der Tafel steht. Und über Technik doziert, ohne sich aus dem Redefluss bringen zu lassen. Der Zweite im Bunde ist der Lehrstuhlinhaber Andreas Emmel, ein zurückhaltender Rheinländer, der das Projekt von Hans Wilhelm Bergmann geerbt hat, dem 2000 verstorbenen wissenschaftlichen Vater der Erfindung. Der Dritte ist der Physiker Robert Queitsch, der sich mit Lasertechnik auskennt wie kaum ein anderer. Drei Begeisterte, die bei der langwierigen Geburt ihrer Erfindung Freunde geworden sind.

Der Zufall Die Geschichte beginnt Ende der achtziger Jahre mit einer Zweckentfremdung. Siemens hat für die geplante Wiederaufbereitungsanlage in Wackersdorf einen Laser entwickelt, der Isotope trennen soll (das sind zu einem chemischen Element gehörende Atome, die sich durch ihre Masse unterscheiden). Dieser so genannte Eximerlaser kann sehr kurze, äußerst energiereiche Blitze abfeuern. Aus der Wiederaufbereitungsanlage wird bekanntlich nichts, das Vorhaben wird 1989 beerdigt. Stattdessen fallt die arbeitslose Anlage dem Werkstoffwissenschaftler Hans Wilhelm Bergmann von der Universität Erlangen in die Hände, Siemens stellt sie ihm gratis zur Verfügung. Was für physikalische Anwendungen geplant war, wird zu einem Spielzeug für einen Ingenieur. Der ist sehr angetan von dem neuen Gerät, mit dem er Untersuchungsobjekte in unvorstellbar kurzen Zeitintervallen mit ungeheuer viel Energie beschießen kann. Was dabei passieren wird, weiß niemand. Das reizt Bergmann, und er lasert mit seinem Team, "alles, was sich nicht bewegt", erinnert sich sein damaliger Diplomand Robert Queitsch.

Die Idee Das Ergebnis der Versuche: Der ultraviolette Lichtstrahl schmilzt die oberste Schicht von Metall, sie verdampft regelrecht. Wenn der Laserblitz vorüber ist, erstarrt die Oberfläche schlagartig. Als sich Bergmann irgendwann mit dem umtriebigen Verfahrensentwickler Lindner - dem sein Arbeitgeber viele Freiheiten lässt - über das Phänomen unterhält, kommt den beiden die Idee einer Anwendung. Im Motorenbau gibt es ein altes und scheinbar unlösbares Problem. Die Zylinderrohre, in denen sich die Kolben auf und ab bewegen, sollen einerseits so glatt wie möglich sein. Andererseits brauchen sie eine gewisse Struktur, damit das für die Schmierung notwendige Öl in der Zylinderlaufbahn gehalten wird. Deshalb werden die Rohre von den Motorenbauern seit jeher aufgeraut, im Fachjargon " gehont".

Dabei entstehen kleine Furchen und zwei Probleme. Erstens sammelt sich in den Furchen relativ viel Öl, das mit der Kolbenbewegung in den Brennraum gelangt und von dort unter anderem in Form unverbrannten Kohlenwasserstoffs durch den Auspuff entweicht. Zweitens bilden sich beim Honen Ablagerungen im Zylinderrohr, ein so genannter Blechmantel, dem bislang nicht beizukommen ist. Die Folge: Verschleiß und der gewaltige Öldurst älterer Autos.

Vielleicht könnte man den Blechmantel mit dem Laser entfernen, denken sich Bergmann und Lindner. Sie schneiden ein Stück aus einer Zylinderwand und halten es in den UV-Strahl. Gleich der erste Schuss erweist sich als Volltreffer: Unter dem Mikroskop ist zu sehen, dass das ultraviolette Licht die oberste Schicht der Zylinderlaufbahn verdampft und darunter liegende Graphitablagerungen freigelegt hat. Dort sind mikroskopisch kleine Kuhlen zu erkennen, die sich viel besser eignen müssten, um Öl zu halten.

Das ist die Initialzündung im Jahr 1990.

Die Arbeit Aber es ist nur der Anfang eines langwierigen Forschungsprozesses. Der Laser hat nicht nur den Blechmantel beseitigt, sondern die Zylinderoberfläche in eine zerklüftete Berg- und Tallandschaft verwandelt. Daran muss also noch gearbeitet werden und auch sonst noch an so manchem. Bergmann, den seine Schüler als Arbeitstier und großen Motivator beschreiben, sagt voraus, dass das Verfahren zur Jahrtausendwende ausgereift sein werde. Der Laser wird in den folgenden Jahren unter anderem mit freundlicher Unterstützung von Siemens - wo man auf neue interessante Geschäftsfelder hofft - weiterentwickelt. Robert Queitsch zieht mit der Anlage mehrfach um, bis beide schließlich an der neu gegründeten Fachhochschule Amberg-Weiden bei Professor Andreas Emmel landen.

1991 bekommt Bergmanns Team das erste Versuchsobjekt vor den Laser: einen Sechszylinder-Ottomotor von Audi. Nach der Behandlung wird er auf dem Prüfstand vorsichtig einige Stunden laufen gelassen und genau unter die Lupe genommen. Es ist keinerlei Verschleiß an der Zylinderlaufbahn und den Kolbenringen zu erkennen. 50 Stunden Betrieb bei voller Leistung bringen dasselbe Ergebnis. Selbst 2000 Stunden, das entspricht einer Fahrleistung von 240 000 Kilometern, sind dem Motor nicht anzumerken. Außerdem braucht er nur ein Viertel der Ölmenge, die ein herkömmliches Triebwerk schluckt. Das ist sensationell. Lindner & Co. probieren weiter, nun mit einem Diesel, dessen Verschleiß wegen des höheren Drucks in den Zylindern und wegen des Rußes, der wie Schmirgel wirkt, normalerweise höher ist als bei einem Benziner. Aber auch der gelaserte Diesel erweist sich als nahezu unzerstörbar und sehr mäßiger Ölverbraucher.

Die Quadratur des Kreises - die Herstellung einer Oberfläche, die glatt wie ein Kinderpopo und doch porös ist - scheint gelungen. Audi lässt das Verfahren patentieren. Im industriellen Maßstab anwendbar ist es noch nicht, "denn wir waren mit unseren Ideen der Lasertechnik um einiges voraus" (Lindner).

Rückenwind Nach Abschluss der Tests bemüht sich das Team um öffentliche Mittel. Beim Bundesforschungsministerium gibt es ein Programm, mit dem Laser für industrielle Anwendungen serienreif gemacht werden sollen. Die Gruppe um Bergmann und Lindner bekommt 1994 eine Zusage, 1996 fließt das Geld. Während der gesamten Zeit wird weiter an dem Projekt gearbeitet. "Wir waren damals noch weit entfernt von einem Prozess, den man auch industriell einsetzen kann", sagt Queitsch.

Bei den ersten Tests dauert es drei Stunden, um einen Motor zu belichten - für die angestrebte Massenfertigung eine Ewigkeit. In den folgenden Jahren macht die Lasertechnik auch dank anderer Anwendungen, zum Beispiel bei der Produktion von Flachbildschirmen, große Fortschritte. Leistung, Taktzeiten und Optik werden erheblich verbessert. Auch die Wissenschaft kommt voran: An Bergmanns Lehrstuhl entstehen mehr als 20 Diplom- und Doktorarbeiten, die um die Frage kreisen, was eigentlich innerhalb der wenigen Nanosekunden (das sind Milliardstel einer Sekunde), passiert, in denen der Laserpuls auf Metall trifft - im Detail weiß man das übrigens heute noch nicht.

So entsteht aus einer neuen Anwendung auch neue Grundlagenforschung.

1999 ist das Forschungsprojekt erfolgreich abgeschlossen. Das überraschendste Ergebnis: Gelaserte Motoren arbeiten nicht nur praktisch verschleißfrei, sie werden beim Gebrauch sogar besser. Lindner nennt das eine " tribologische Revolution" (Tribologie = Reibungslehre) und wirft noch ein paar Linien an die Tafel. Der Laserblitz verwandelt die metallische Oberfläche in eine sehr feine Struktur. Die Wärme, die später beim Laufen des Motors entsteht, macht diese feine Schicht noch feiner. Sie bekommt " superplastische" Eigenschaften, ist also sehr stark verformbar und daher enorm verschleißbeständig.

Eine faszinierende Perspektive nicht nur für die Autoindustrie, sondern auch für die Hersteller anderer Maschinen, bei denen Metall auf Metall reibt. Lindner rechnet vor, dass allem der deutschen Volkswirtschaft pro Jahr verschleißbedingte Kosten von knapp 100 Milliarden Euro entstehen. Ein interessanter Markt.

Der Praxistest Doch zuerst muss sich die Technik bewähren - und die Entwickler müssen sich in Geduld üben. Sie fiebern dem Praxistest entgegen - den Bergmann nicht mehr erleben wird. Weil es viel zu aufwändig wäre, das neue Verfahren in eine bestehende Motorenproduktion zu integrieren, müssen die Tüftler auf eine neue hoffen. Und sie haben Glück: Audi ist dabei, einen neuen Drei-Liter-Dieselmotor zu entwickeln, der in Ungarn gebaut werden soll. Das ist die Gelegenheit, die Laser-Behandlung gleich mit einzuplanen. Dass es dazu tatsächlich kommt, hat zwei handfeste Gründe. Der Laser macht Diesel sauberer und könnte ein Mosaikstein sein, um die voraussichtlich 2008 in Kraft tretende scharfe Euro-5-Abgasnorm zu erfüllen. Außerdem ist das Verfahren kostenneutral: Der Mehraufwand lässt sich durch Einsparungen bei den Kolbenringen kompensieren, die dank der veredelten Oberflächen weniger robust sein müssen.

Vorsprung durch Technik, die nichts kostet, ist ein schwer zu entkräftendes Argument.

So gibt es grünes Licht für die Serienproduktion und noch eine Menge Probleme zu lösen, als die Erfindung aus dem intimen Kreis ihrer Fans in die raue Wirklichkeit entlassen wird. Von den üblichen Kalamitäten beim Übergang in die Serienproduktion abgesehen, sei das Projekt, aber "so glatt gelaufen, dass es schon beinahe unheimlich ist", resümiert der 63-jährige Lindner. "Alles, was wir unternommen haben, hat geklappt." Der Ritterschlag Im Januar 2004 läuft die Produktion in Györ an, Audi hat 4,8 Millionen Euro in die Laser-Anlage investiert. Sie feuert Laserblitze in Motoren für den A8, A6 und demnächst auch für den A4 und den VW Touareg. Für sechs Zylinder braucht der Roboter gerade mal drei Minuten. Weil sich Innovationen in der Autoindustrie schnell verbreiten, werden wohl bald auch andere Hersteller Laserlicht ins Dunkel ihrer Zylindergehäuse bringen.

Nun gibt es auch öffentliche Anerkennung: Mit drei weiteren Forschergruppen wird das Laser-Team für den Deutschen Zukunftspreis nominiert, eine Art Technik-Oscar des Bundespräsidenten. Lindner & Co. haben Gelegenheit, ein breiteres Publikum in das Geheimnis der Kuhlen einzuweihen - und verschmerzen es, dass die Auszeichnung an einen Mitbewerber geht.

Von der Idee bis zur Serie dauerte es vier Jahre länger, als der Spiritus Rector Bergmann prophezeite. Dennoch lag er nicht schlecht, denn die meisten Geistesblitze verglühen folgenlos. Rund 500 000 Euro hat die Entwicklung gekostet, etwa zwei Dutzend Menschen in sechs verschiedenen Instituten und Unternehmen haben wichtige Beiträge dazu geleistet. "Das Entscheidende aber", wiederholt Lindner, "ist die Chemie gewesen." Man könnte auch sagen: Es gab erstaunlich wenig Reibungsverluste.