Woraus Autos bestehen: Sind leichte Autos billiger?

Früher schätzte man große Wagen - aus Gründen der Repräsentation und weil die Wagen beim Fahren besser "auf der Straße lagen". Das hat sich bis auf Ausnahmen ("S-Klasse") heute völlig geändert. Heute möchte man leichtere Autos fahren. Diese zeigen einen deutlich niedrigeren Benzinverbrauch - auch wenn der nicht mehr allein nur von der Masse des Wagens, sondern auch von seiner Form und von reibungsmindernden Konstruktionen abhängt. Und die Straßenlage hat viel mit Aerodynamik, Reifen und neuerdings auch mit Elektronik zu tun.
Entscheidend ist u. a. das "Leistungsgewicht", bei dem man die Leistung eines Wagens auf seine Masse bezieht. Das hat zur Folge, dass man alles tut, um die Masse des Wagens zu reduzieren. Hierbei gelten viele Überlegungen den Werkstoffen, aus denen die Autos gebaut werden. Dabei gibt es aber eine Menge an chemischen und physikalischen Problemen zu beachten.

Die wichtigsten Baumaterialien, bei denen Masse eingespart werden kann, sind Metalle und Kunststoffe. Dagegen können leider Glas wie auch das Gummi der Reifen, die bereits verwendeten Kunststoffe und die Lackierung aus praktischen Gründen in ihrer Masse nicht reduziert werden.

Metalle im Vergleich
Im Kfz-Bau finden vor allem Legierungen der Metalle Eisen und Aluminium sowie (im Flugzeugbau) Magnesium Verwendung. (Das giftige Beryllium und das hochfeste Titan gibt es nur in Rennautos.) Ihre Dichten verhalten sich etwa wie 7,8 : 2,8 : 1,8 g/cm3.
Um sie miteinander vergleichen zu können, muss man vor allem ihre Belastbarkeit mit einbeziehen. Deshalb nimmt man den Quotienten aus Masse und Belastbarkeit als Grundlage für weitere Überlegungen. Dieser Quotient bedeutet anschaulich gesprochen die Länge eines Stabs, bei der dieser frei aufgehängt unter seinem eigenen Gewicht zerreißen würde. Diese Zerreißlänge wird in Kilometern angegeben. Diese beträgt bei geschmiedeten Materialien über 20 km! Sie ist übrigens unabhängig vom Durchschnitt des Stabs. Es kommt also noch auf den inneren, kristallinen Aufbau der Metalle an.
Das reicht aber noch nicht aus: Man muss auch bedenken, dass das Material beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder Flugzeugs starken Schwingungen ausgesetzt ist. Deshalb muss man z. B. Bauteile aus Aluminiumlegierungen doppelt so stark machen wie aus Stahl.
Außerdem muss man besonders bei Kontakt verschiedener Metalle auch die chemische Stabilität einkalkulieren. Korrosion ist die Ursache von riesigen volkswirtschaftlichen Schäden. Korrosionsproblemen begegnet man heute vor allem mit Totalverzinkung der Karosserie.
Zur Zeit enthält ein Mittelklassewagen mit 1000 kg Trockengewicht (also ohne Tankfüllung und andere Flüssigkeiten) etwa 600 kg Stahl, 10 kg Gusseisen und 40 - 60 kg Aluminium. (Letzteres wird gegossen und ist vor allem im Motor, im Antriebsstrang und als Alu-Felgen eingebaut.)
Weiter muss auch der Aufwand an Energie zur Herstellung dieser Metalle in die vergleichenden Bilanzen eingehen. Der Gesamtenergieaufwand für 1 kg Metall beträgt für Stahl 9 kWh, für Gusseisen 6,5 und für Aluminium 17 kWh. Ersetzt man also Stahl durch Aluminium, so wird der Wagen zwar leichter, verbraucht also weniger Energie, wird aber in seiner Herstellung teurer. Das muss im Einzelfall gegeneinander aufgewogen werden. Hier ein Beispiel:
Ein Mittelklassewagen erfordert zur Herstellung seines Materials etwa 9000 kWh Energie, wozu noch 3000 kWh für die Fertigung im Werk kommen. Vergleicht man dies mit dem Aufwand an Energie für den Betrieb des Wagens, so sieht man, dass sich eine Gewichteinsparung doch bezahlt macht: Denn bei einer Laufstrecke von 100 000 km werden ca. 90 000 kWh an Betriebsstoffen verbraucht. Ist der Wagen um 17,5 % leichter, so bedeutet das eine Energieersparnis von 6 bis 7 % Treibstoff.

Kunststoffe
Kunststoffe haben eine durchschnittliche Dichte von 1 g/cm3. Viele hundert Bauteile des Autos sind daraus gefertigt. Heute beträgt der Anteil an der Trockenmasse des Autos 8 bis 10 %, wozu die fünf Reifen mit 3 % hinzuzurechnen sind.
Für die Überlegungen bezüglich der Stabilität der Kunststoffe gegenüber mechanische und chemische Belastung gilt das gleiche wie für die Metalle. Zwar unterliegen sie nicht der Korrosion, sind aber durch die UV-Strahlung und damit eingeleitete Oxidationsprozesse bedroht. Deshalb ist eine ausgefeilte Additivchemie vonnöten.
Durch Faserverstärkung von Bauteilen erreicht man besonders hohe Stabilitäten, die den Bau von Kunststoffkarosserien möglich machen. Hier nutzt man Verbundwerkstoffe, bei denen Glasfasern oder Carbonfasern (Kohlenstofffasern) in hochwertige Kunststoffe wie Polyester, Epoxide sowie Polyamide wie Kevlar eingebettet sind.
Nachteilig ist der große Zeit- und Platz-Aufwand zur Herstellung von Karosserien aus Kunststoff. Außerdem bereiten diese Stoffe beim Recyceln der Altfahrzeuge große Probleme.

(Bei dieser Webseite haben wir teilweise auf Texte der Adam Opel AG sowie des SPIEGEL zurückgegriffen, ohne wörtliche Zitate extra zu kennzeichnen.)


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Letzte Überarbeitung: 08. Februar 2012, Dagmar Wiechoczek