A&T 03/2021 by A&W Verlag AG

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www.auto-wirtschaft.ch NEWS Elektrischer Heizkatalysator Wasserstoff aus der Kartusche

FACHWISSEN Zukunft des Verbrennungsmotors Auch wenn gewisse politische Kreise den Verbrennungsmotor noch und noch verteufeln, ist er in den nächsten Jahrzehnten kaum aus den Fahrzeugen wegzudenken. Wenn das hingegen politisch erzwungen würde, droht uns ein zusätzlicher CO2-Anstieg.

TECHNIK Mikroscannerspiegel für den Einsatz in Lidar-Systemen Ein neuer Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS ermöglicht in Lidar-Systemen durch die Lenkung des Abtastlasers die dreidimensionale Vermessung der Umgebung. So ersetzt er quasi das menschliche Auge und trägt entscheidend zum sicheren autonomen Fahren bei. Superkondensatoren sollen noch effizienter werden Forscher der Technischen Universität München haben einen hocheffizienten Superkondensator entwickelt, dessen Basis ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hy bridmaterial ist, das mit Batterien und Akkumulatoren vergleichbare Leistungsdaten aufweist.

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EBERSPÄCHER

ELEKTRISCHER HEIZKATALYSATOR «LAMELLA HEATER» Bild: Eberspächer

berspächer treibt mit seiner Active-Heating-Produktfamilie Konzepte zur wei teren Senkung von Schadstoffemissionen voran. Im ersten Schritt schöpfen die Experten das Potenzial zur Emissionsreduzierung in der Kaltstartphase aus und stellen den EHC Lamella Heater vor, einen elektrischen Heizkatalysator (Electrically Heated Catalyst), der den Abgasstrom über vorgeheizte Lamellen leitet. Er wird bei Dieselund benzinbetriebenen Fahrzeugen direkt vor den Katalysatoren eingebaut, um an der optimalen Stelle die nötigen Temperaturen zu erzeugen. Eine zusätzliche Control Unit startet, steuert und überwacht den Heizvorgang. Die Eberspächer-Lösung ist sowohl in Verbindung mit Metall- als auch mit Keramikkatalysatoren ein-

Der EHC Lamella Heater von Eberspächer wird direkt vor den Katalysatoren eingebaut, um an der optimalen Stelle die nötigen Temperaturen zu erzeugen.

setzbar. Durch den speziellen Aufbau wird der EHC Lamella Heater mit 48 V betrieben, kann jedoch für die Anwendung bei Hybridfahrzeugen für 400 V ausgelegt werden. Im Gegensatz zur Fuel-BurnerTechnologie kommt der elektrisch betriebene Heizkatalysator ohne Treibstoff und zusätzliche Zündquelle aus, und die volle Funktionsfähigkeit der Abgasreinigungsanlage wird bereits Sekunden nach dem Start des Motors sichergestellt. Wie unter geltenden Testbedingungen geprüft, reduziert die frühere Aktivierung des SCR-Systems beispielsweise die NOx-Emissionen um bis zu 90 Prozent. Die Lamellen lassen sich darüber hinaus katalytisch beschichten und leisten einen zusätzlichen Beitrag zur Reinigung der Abgase. (pd/sag)

FRAUNHOFER IFAM

orschende am FraunhoferInstitut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM haben mit der sogenannten Powerpaste eine Wasserstoff-Lösung entwickelt, die besonders für den Einsatz in künftigen Kleinfahrzeugen (E-Scooter, Roller usw.) mit Brennstoffzelle geeignet ist. Mit der auf dem Feststoff Magnesiumhydrid basierenden Paste lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck chemisch speichern und bedarfsgerecht wieder freisetzen. Ausgangsmaterial der Powerpaste ist pulverförmiges Magnesium, das bei 350 °C und fünf- bis sechsfachem Atmosphärendruck mit Wasserstoff zu Magnesiumhydrid umgesetzt wird; hinzu kommen noch Ester und Metallsalz.

Bild: Fraunhofer IFAM

ENERGIESPEICHER: WASSERSTOFF AUS DER KARTUSCHE

Mit der auf Magnesiumhydrid basierenden Powerpaste lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck speichern und bedarfsgerecht freisetzen.

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Um das Fahrzeug anzutreiben, befördert ein Stempel die Paste aus einer Kartusche heraus. Aus einem Tank wird Wasser zugegeben, und es entsteht gasförmiger Wasserstoff – die Menge wird hochdynamisch dem Bedarf der Brennstoffzelle angepasst. Nur die Hälfte des Wasserstoffs stammt jedoch aus der Paste, den Rest liefert das Wasser zu. So ist die Energiespeicherdichte der Powerpaste höher als bei einem 700-bar-Drucktank, verglichen mit Batterien hat sie sogar die zehnfache Energiespeicherdichte. Die Paste erfordert auch keine kostenintensive Infrastruktur: Jede beliebige Tankstelle könnte sie in Kartuschen oder Kanistern anbieten. Da sie fliessfähig und pumpbar ist, kann sie aber auch über einen normalen Tankvorgang getankt werden. (pd/sag)

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FACHWISSEN 3/21 91 Ausblick

ZUKUNFT DES VERBRENNUNGSMOTORS Auch wenn gewisse politische Kreise den Verbrennungsmotor noch und noch verteufeln, ist er in den nächsten Jahrzehnten kaum aus den Fahrzeugen wegzudenken. Wenn das hingegen politisch erzwungen würde, droht uns ein zusätzlicher CO2-Anstieg. Die Forscher des österreichischen Entwicklungszulieferers AVL haben das in Vorträgen erklärt. Text: Andreas Lerch | Bilder: AVL, Lerch

ie im österreichischen Graz beheimatete AVL ist nicht nur ein Entwicklungsdienstleister für die Automobilindustrie, sie sammelt auch automobiltechnische Daten in grosser Menge, verknüpft diese und versucht, mit entsprechenden Algorithmen Zukunftsprognosen zu erstellen. Da die «Denkfabrik» der Automobilindustrie nahesteht, versucht sie, Lösungen für die Mobilität zu finden, welche den Privatverkehr nicht ausschliessen. Weltweit beschäftigt die AVL 11’500 Mitarbeitende, und der Geschäftsführer Prof. Dr. h. c. Helmut List erklärte am Internationalen Motorensymposium 2019 in Wien, was die AVL unter dem Begriff «Zero Impact Emission» versteht und wieso die AVL diese Definition derart wichtig findet: Zero Impact Emission bedeutet, dass die von Verbrennungsmotoren ausgestossenen Schadstoffe die Umwelt nicht negativ beeinflussen, dass also die Emission der Schadstoffe nicht höher ist als die Immission der Umgebung. Nach Meinung der AVL-Entwickler ist das die einzige Möglichkeit, um Verbrennungsmotoren in der Zukunft mit gutem Gewissen noch einsetzen zu dürfen. Warum daneben die Elektromobilität nicht in allen Belangen nur positiv zu bewerten ist, erklärten Dr. techn. Paul Kapus am virtuell stattfindenden Motorensymposium Wien 2020 und Dr. techn. Günter Fraidl an einem virtuellen ÖVK-Vortrag im Dezember 2020.

Verbrauch und Kosten im Griff zu behalten. Gerade beim Thema Verbrauch ist es natürlich sehr wichtig, dass die Messmethode auf den ganzen Lifecycle oder CtG (Cradle to Grave – von der Herstellung bis zum Recycling eines Fahrzeuges) ausgedehnt wird. Nur so wird es möglich, die Verbesserungen auch in der Umwelt festzustellen. Im Bild 2 sind grau, blau und grün unterschiedliche Antriebsarten eingetragen. Deren CO2-Emissionen sinken im Tank-toWheel-Ranking durch technische Innovationen bis ins Jahr 2050 gegen null. Genau diese CO2-Emissionen sind auch von der Gesetzgebung zu den Fahrzeugen beeinflussbar, weil nur der letzte Schritt der Energieumwandlung berücksichtigt wird. Das grosse rote Feld darüber deutet auf Emissionen hin, welche bei der Herstellung der Fahrzeuge, bei der Herstellung und beim Transport der

Energie (Benzin, Diesel, elektrische Energie) und beim Fahrzeugrecycling anfallen. Darauf kann die (Fahrzeug-) Gesetzgebung nicht direkt Einfluss nehmen. Da herrschen andere Gesetze, welche angepasst werden müssten. Aus diesem Grund wird von der Autoindustrie seit längerem gewünscht, dass die Tank-to-WheelMessmethode endlich durch die nachhaltige Cradle-to-Grave-Methode ersetzt wird. Elektrofahrzeuge (BEV) Manche Leute meinen, mit demVerbot der Verbrennungsmotoren wäre das Problem gelöst. Diese Haltung greift etwas zu wenig weit. Zuerst müsste für die Elektromobilität die Huhn-oderEi-Frage gelöst werden: Muss zuerst die Infrastruktur für Ladestationen ausgebaut werden oder muss zuerst der Markt mit BEV überschwemmt werden? Einige Fahrzeughersteller

sind bereits dabei und stellen viele Elektrofahrzeuge dem Markt zur Verfügung. Für sie ist es interessant, denn mit den aktuellenTank-to-WheelEmissionsmessungen liegen sie mit den BEV bei 0 g CO2 pro gefahrenen Kilometer und ziehen den CO2-Wert der Flotte nach unten. Aber werden die Autos denn auch gekauft? Der Kunde muss sich zuerst informieren, wo er sein Auto überhaupt laden kann. Primärenergie Wenn es um die CO2-Emissionen geht, kommt es beim Elektrofahrzeug darauf an, woher der Ladestrom kommt und wie er erzeugt wird. Das ist das Hauptproblem. Wie erzeugen wir grünen Strom in ausreichender Menge? Im Bild 3 werden BEV und Hybridfahrzeuge miteinander verglichen. Es handelt sich um einen Lifecycle-Vergleich ohne das Recycling. Während ein Hybridfahrzeug bei der Produktion mit etwa 6 t CO2 zu Buche schlägt, liegt das BEV (wegen der Antriebsbatterie) bei der doppelten CO2-Masse. So beginnt das BEV sein Leben mit einem beträchtlichen CO2Rückstand. Das hybridisierte FahrBild 1. Mit Demonstrator-Fahrzeugen beweist die AVL, dass ihre Entwicklungen nicht nur in der S imulation oder auf dem Motorenprüfstand funktionieren.

Herausforderungen Es gilt in den kommenden Jahren, vor allem die drei Probleme Schadstoffe,

Prüfung und Instandsetzung von Common Rail Injektoren und Hochdruckpumpen

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Bild 2. Die Tank-to-Wheel-Emissionen sind gerade bei BEV nicht relevant. Dort kommt es darauf an, wie der Strom erzeugt wird. zeug stösst aber pro gefahrenen Kilometer (angenommene) 114 g CO2 aus (Bild 3, blaue Linie in allen drei Diagrammen) und holt das BEV nach gut 70’000 km ein. Die CO2-Kurve des BEV verläuft je nach Herstellungsart und Transportweite der elektrischen Energie flacher als jene des Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Die beiden anderen Diagramme simulieren die Situation 2025 und 2030. Da wird einerseits mit einer Weiterentwicklung der Batterieproduktion gerechnet, wodurch das Startdefizit der BEV verkleinert wird. Zudem wird der Strommix verbessert, was an der flacher verlaufenden grünen Kurve zu erkennen ist. Dadurch wird das BEV bezüglich der CO2-Gesamtemissionen schneller rentabel. (Dem Verbrennungsmotor

des Hybridfahrzeuges wird der Einfachheit halber keine Verbesserung zugestanden, deshalb weist die blaue Linie in allen drei Diagrammen die gleiche Neigung auf.) Aber es ist deutlich zu sehen: Es kommt auf die Qualität der Stromerzeugung an. Wenn die EU keine besonderen Massnahmen zur Beschleunigung der CO2-freundlichen Stromproduktion ergreift, dann gilt für die Zukunft ungefähr die rot gepunktete Kurve im rechten Diagramm (Bild 3). Werden grosse Anstrengungen unternommen, dann kann im besten Fall die durchgezogene Linie gelten. Natürlich sind dabei die Werte von Land zu Land immer verschieden.

Bild 4. Jeder Baustein stellt eine Tonne CO2 dar. Durch die Batterien haben BEV ein Handicap gegenüber Verbrennungsmotoren von sechs Bausteinen. Dafür sparen sie jährlich ca. 1 Tonne CO2 (je nach Herstellung der Energie).

Wechsel auf BEV Dr. Günter Fraidl hat zur Erklärung das Beispiel von einem KMU mit elf Fahrzeugen verwendet: Das KMU wechselt jedes Jahr ein verbrennungsmotorisch angetriebenes Fahrzeug gegen ein BEV aus. Dabei wird angenommen, dass das BEV einen negativen CO2-Rucksack von 6 Tonnen mitbringt. Dafür produziert es auf der jährlich angenommenen Fahrstrecke eine Tonne weniger CO2 als das ersetzte Fahrzeug. Im zweiten Jahr kommen wieder 6 t negativ dazu, dieses Mal werden bereits 2 t positiv wieder abgezogen usw. Man sieht im Bild 4 deutlich: Die CO2-Kurve steigt an, und erst in

elf Jahren ist die Umwelt bezüglich der CO2-Emissionen wieder am gleichen Ort wie heute. Wenn man den Wechsel aber durch gesetzliche Bestimmungen beschleunigt, werden plötzlich Autos mit Verbrennungsmotor verschrottet, welche noch verkehrstüchtig wären. In diesem Fall würde noch mehr Energie verbraucht und CO2 entstehen. Ganz wichtig ist in Bild 4 auch folgende Erkenntnis: Würde CO2-ärmere Energie eingesetzt, könnte das BEV pro Jahr vielleicht 2 t CO2 wettmachen. Dann wäre der Gleichstand zu heute bereits im Jahr 2024 erreicht. Erneut ein Beweis, dass es darum gehen muss, saubere Primärenergie in

Bild 3. Die Neigungen der Kurven stehen für die CO2-Emissionen. Während beim Verbrenner (blaue Kurve) immer die gleiche Neigung gewählt worden ist, wird die grüne Kurve für BEV immer flacher. Das heisst, die elektrische Energie wird immer ökologischer hergestellt.

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ausreichender Menge zu produzieren, bevor die Elektrifizierung des Verkehrs beschleunigt wird. Beschleunigter Ausstieg Die AVL-Forscher sehen nach heutigem Wissensstand ohne politische Beschleunigung ein Ende der Verbrennungsmotoren in den Autos knapp vor 2050. Fahrzeuge mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb würden danach gegen 2030 aussterben. Mild hybridisierte und voll hybridisierte Fahrzeuge würden auslaufen. Würde hingegen ein Exit der Verbrennungsmotoren politisch beschlossen, würde das in den Kurven Knicke verursachen, welche auf vorzeitiges Entsorgen noch funktionierender Fahrzeuge hindeuten, was an und für sich schon ein ökologisches Problem darstellt. Verbrennungsmotoren Neben diesen deutlichen Aussagen stehen die Referenten natürlich auch hinter dem Verbrennungsmotor und weisen darauf hin, dass CO2-neutral hergestellte E-Fuels von den Politikern plötzlich doch noch akzeptiert werden und damit die Lebenserwartung der Verbrennungsmotoren wohl noch ausgedehnt werden könnte. Daneben weisen sie den Verbrennungsmotoren noch grosse Entwicklungspotenziale zu. Die Forscher

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prognostizieren einen thermischen Wirkungsgrad von >50 % bei einem dedizierten Verbrennungsmotor für den Hybridantrieb. Den «dedizierten Hybridantrieb» erklärt Dr. Paul Kapus als Verbrennungsmotor, welcher einen E-Motor braucht, um «gut zu funktionieren». Wahrscheinlich geht die Entwicklung der Verbrennungsmotoren in die Richtung, dass sie weniger dynamisch reagieren müssen. Für die Dynamik im transienten Betrieb werden immer mehr die elektrischen Antriebe herangezogen. Dadurch werden die Verbräuche geringer, die Wirkungsgrade höher und die Schadstoffe können besser im Griff behalten werden. Bezüglich der Entwicklung stellt Dr. Kapus die Basislinie auf 41 % thermischer Wirkungsgrad (Bild 5). Dieser Wert könne heute bei den besten Motoren in der Serie nachgewiesen werden. 2019 hat Dr. Fraidl am Wiener Symposium in einer Grafik den 2.5-l-Saugmotor von Mitsubishi mit einem Wirkungsgrad von fast 43 % erwähnt, welcher durch Aufladung auf 43.6 % und durch zusätzlichen Magerbetrieb auf dem Motorenprüfstand sogar auf 44.9 % gebracht werden konnte. Es werde im Moment ein Demonstrator aufgebaut, von dem man bei stöchiometrischem Betrieb einen Wirkungsgrad von 44.8 % erwarte.

Weitere Schritte seien erst in der Simulation erreicht und müssten noch entwickelt und in die Verbrennungsmotoren eingebaut werden. Mit optimal angepasster Aufladung und Magerbetrieb sind in der Simulation 47.3 % erreichbar, und bei 50 % verminderten Wärmeverlusten sollte der Wirkungsgrad auf 49.9 % gesteigert werden können. Die kombinierten Prozesse seien aber gemäss Dr. Kapus noch Zukunftsmusik. Da läge noch viel Arbeit vor ihnen, bis 51.4 % verkündet werden dürften. Schadstoffe Auf die genauen Schadstoffentgiftungsmassnahmen gingen die Referenten nicht ein. Für sie war die Erfüllung der zukünftigen Euro7-Norm eine Selbstverständlichkeit und die Zero-Impact-Emission das anzustrebende Ziel, welches jedoch mit dem nötigen Aufwand erreicht werden könne. Ein elektrisch beheizbarer 3-WegeKat mit zusätzlichem Gebläse und einem nachgeschalteten hocheffizienten 3-Wege-Kat sorgt für das Aufheizen der Abgasanlage vor dem Motorstart. Ein Partikelfilter mit sehr hoher Filtrationseffizienz sorgt für niedrigste Partikelemission. Nach einer weiteren Lufteinblasestelle sind ein passiver SCR-Katalysator und ein NOx-Speicherkat in die Abgasanlage

Bild 5. Das Entwicklungspotenzial von Verbrennungsmotoren ist immer noch sehr gross.

Bild 6. Vergleich zwischen Emission (rot) und Immission (blau) bei einer innerstädtischen Fahrt (grün) hinter einem Stadtbus. integriert. Der passive SCR-Katalysator reagiert mit im 3-Wege-Kat erzeugtem Ammoniak (NH3) und dem restlichen Stickoxid nach dem 3-Wege-Kat. Die letzten verbliebenen NOx werden im Speicherkat verarbeitet. Diese extrem aufwändige Anlage wurde in ein Testfahrzeug eingebaut, welches zusätzlich mit einer umfangreichen transportablen SchadstoffMesseinrichtung (PEMS) ausgerüstet war. Diese misst einerseits die angesaugte Luft an der Front des Autos bezüglich der NOx-Belastung und andererseits die ausgestossenen Abgase. Mit diesem Fahrzeug wurde ein Stadtbus (der neusten Generation) verfolgt und die gemessenen Daten aufgezeichnet (Bild 6). Zu erwarten ist, dass der Bus bei jeder Beschleunigungsphase nach einer Haltestelle, wenn die Motorlast angehoben wird, einen NOx-Peak erzeugt. Dieser Peak konnte vom nachfolgenden Messfahrzeug deutlich nachgewiesen werden und ist im Bild mit der blauen Kurve dargestellt. Interessant ist hingegen, dass bei den Abgasemissionen von diesen Peaks nichts mehr zu sehen ist. Die Schadstoffentgiftung des Testfahrzeuges hat nicht nur die eigenen, sondern auch die fremden NOx-Moleküle reduziert. Bezüglich der NOx-Werte sind also die Abgase (rote Kurve im Diagramm) sauberer als die angesaugte Frischluft.

Dieses Fahrzeug zeigt, dass heute Schadstoffentgiftungen bis zu Zero Impact Emissionen möglich sind. Die Frage stellt sich natürlich, ob diese aufwändigen Anlagen auch bezahlbar sein können. Grundsätzlich kann aber festgehalten werden, dass sich die Verbrennungsmotoren bezüglich CO2 und Schadstoffe nicht (mehr) verstecken müssen. Wenn dazu auch der Treibstoff klimaneutral hergestellt wird (E-Fuel), dann sollten die Politiker die Verbrennungsmotoren wieder wohlgesinnter betrachten. FRAGEN 1. W as wird unter «Zero Impact Emission» verstanden? 2. W as wird unter einem dedizierten Verbrennungsmotor verstanden? 3. B estimmen Sie für das Hybridfahrzeug (blaue Linie in Bild 3) die ausgestossenen CO2-Emissionen in g/km.

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Der Mikroscannerspiegel verteilt Laserstrahlen in 2 Dimensionen und bündelt das Licht in der aktuell gemessenen Position.

Lidar

MIKROSCANNERSPIEGEL FÜR DAS DREIDIMENSIONALE «SEHEN» Ein neuer Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS ermöglicht in Lidar-Systemen durch die Lenkung des Abtastlasers die dreidimensionale Vermessung der Umgebung. So ersetzt er quasi das menschliche Auge und trägt entscheidend zum sicheren autonomen Fahren bei. Bilder: Fraunhofer IPMS

in Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden hat mit einem neuartigen Mikroscannerspiegel eine wichtige Komponente für Lidar-Systeme entwickelt, die das digitale Sehen in drei Dimensionen ermöglicht. Das Bauteil trägt durch die Lenkung des Abtastlasers zur dreidimensionalen Vermessung der Umgebung bei, wie Dr. Jan Grahmann, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS, erklärt: «Mit unserer Technologieplattform können wir den jeweiligen Designbedürfnissen für die Entwicklung von Mikroscannerspiegeln für Lidar gerecht werden. Lidar-Systeme können die Umgebung dreidimensional erfassen und sind so in der Lage, Fussgänger, Radfahrer oder andere Fahrzeuge zu detektieren. Dabei verteilt unser

MEMS-Spiegel (MEMS: Mikrosystem, Anm.d.Red.) Laserstrahlen in zwei Dimensionen und bündelt das Licht in der aktuell gemessenen Position. Mit der Laufzeit des reflektierten Lichts wird die Entfernung zum Objekt als dritte Dimension gemessen.» Funktion und Aufbau Das Licht, das von einer Laserdiode oder Laserquelle gesendet wird, trifft zunächst auf den Mikroscannerspiegel, der sich auf der Sendeeinheit des Lidar-Systems befindet. Der Spiegel scannt die Szenerie zweidimensional ab. Die dritte Dimension wird anhand des vom Objekt reflektierten Lichts von einem Lidar-Sensor auf der Empfangsseite eingefangen. Dabei gilt: Je mehr Licht auf dem Sensor auftrifft, desto

genauer lässt sich die Entfernung bestimmen – eine Aufgabe, die ein Auswertealgorithmus übernimmt. Die Abstandsinformation für jede gescannte Position in der Szenerie ergibt eine 3D-Punktwolke, die den Sichtbereich des Lidars darstellt. Der MEMS-Scanner wird aus einkristallinem Silizium hergestellt. Dieses Material ist ermüdungsfrei, robust und zeichnet sich durch hohe Schock- und Temperaturfestigkeiten aus. Auf dem Silizium befindet sich eine reflektierende Beschichtung, die die Reflexion des Lichts verstärkt. Dank einer in den Chip integrierten Positionsdetektion lässt sich zu je dem Zeitpunkt bestimmen, wo der Spiegel das Laserlicht hinlenkt und welche Position im Bild gemessen wird. Dies wiederum ermöglicht Korrekturen des Arbeitspunkts. Im Fahrzeug befindet sich der Lidar-Sensor in der Regel hinter dem Rückspiegel und scannt die Szenerie direkt durch die Frontscheibe. Neben der normalen Wahrnehmung durch das Auge des Passagiers bzw. Fahrers kann auf diese Weise die 3D-Messung im Infrarotbereich realisiert werden. Die Mikroscannerspiegel des Fraunhofer IPMS arbeiten beispielsweise

mit den für Lidar typischen Wellenlängen von 905 bis 1550 nm und beeinflussen durch ihre Öffnungsweite die Reichweiten massgeblich. Verwendet werden sie bereits vom Unternehmen AEye. Der Spezialist für Lichterkennungsund Entfernungsmesssysteme für autonome Fahrzeuge setzt sie in seinem Lidar-Sensor 4Sight ein, mit dem hohe Reichweiten von mehr als 200 m möglich sind. Erste Fahrtests des Unternehmens mit den im Lidar-System eingesetzten MEMSScannern des Fraunhofer IPMS sind erfolgreich abgeschlossen. «Unsere MEMS-Spiegel sind typischerweise bis zu etwa fünf Millimeter gross. Grössere Spiegel sind in Spezialfällen möglich, verlieren aber mit zunehmender Grösse die Vorteile von MEMS. Wir bieten zusätzlich zu den Mikroscannerspiegeln auch das erforderliche Packaging sowie die Antriebselektronik an», sagt Dr. Grahmann und betont die Relevanz der Technologie hinsichtlich des autonomen Fahrens: «Aktuell ist Lidar als Fahrassistenzsystem zu sehen, das mehr Komfort und Sicherheit bietet. Bis das vollautonome Fahren Realität wird, wird noch einige Zeit vergehen, aber mit unserer Technologie können wir das Thema vorantreiben.» Im nächsten Schritt sollen die Mikroscannerspiegel in einer grösseren Stückzahl produziert und in die Grossserie überführt werden. (pd/sag)

Eine 3D-Punktwolke stellt den gesamten Sichtbereich des Lidars dar.

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Anzahl von Ladungsträgern innerhalb eines Materials ansammeln. Den Forschern gelang es, durch geschicktes Materialdesign die Graphensäure chemisch mit den MOFs zu verknüpfen. Die entstehenden Hybrid-MOFs haben sehr grosse innere Oberflächen von bis zu 900 m2/g und sind als positive Elektrode in einem Superkondensator extrem leistungsfähig.

Graphen-Hybride aus metallorgani schen Netzwerken und Graphensäure als positive Elektrode.

Energiespeicherung

SUPERKONDENSATOREN WERDEN NOCH EFFIZIENTER Forscher der Technischen Universität München haben einen hocheffizienten Superkondensator entwickelt, dessen Basis ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges GraphenHybridmaterial ist, das mit Akkus vergleichbare Leistungsdaten aufweist. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Dr. Jayaramulu Kolleboyina / IITJ

uperkondensatoren werden bereits seit einiger Zeit auch in Automobilen eingesetzt, so beispielsweise in Mazdas i-ELOOP-System zur Bremsenergierückgewinnung. Ihr grosser Vorteil gegenüber Akkumulatoren gleicher Masse ist die hohe Leistungsdichte: Superkondensatoren können viel schneller ge- und entladen werden. Allerdings bieten sie nur um die 10 Prozent der Energiedichte von Akkus – Lithium-Ionen-Akkumulatoren erreichen eine Energiedichte von bis zu 265 Wh/kg. Ein Team um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der Technischen Universität München (TUM) hat nun ein neuartiges, leistungsfähiges und dabei nachhaltiges Graphen-Hybridmaterial für Superkondensatoren entwickelt, das als positive Elektrode im Energiespeicher dient und mit einer schon bewährten, auf Titan und Kohlen-

stoff basierenden negativen Elektrode kombiniert wurde. Der Superkondensator erreicht damit eine Energiedichte von bis zu 73 Wh/kg – ungefähr den Wert eines NickelMetallhydrid-Akkus – und bietet mit 16 kW/kg auch eine höhere Leistungsdichte als die meisten anderen Superkondensatoren. Hybridmaterialien Das Geheimnis des neuen Superkondensators ist die Kombination verschiedener Materialien; Chemiker nennen den Superkondensator daher «asymmetrisch». Um die Leistungsgrenzen herkömmlicher Materialien zu überwinden, setzten die Forscher auf sogenannte Hybridmaterialien, wie Roland Fischer erklärt: «Die Natur ist voll von hochkomplexen, evolutionär optimierten Hybridmaterialien – Knochen und Zähne sind Beispiel dafür, ihre mechanischen Eigenschaften wie Härte oder

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Elastizität hat die Natur durch Kombination verschiedener Materialien optimiert.» Als Grundlage der neuartigen positiven Elektrode des Speichers verwendeten die Forscher chemisch verändertes Graphen, das sie mit einer nanostrukturierten metallorganischen Gerüstverbindung, einem sogenannten metal organic framework (MOF), verbanden. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der GraphenHybride sind einerseits eine grosse spezifische Oberfläche und steuerbare Porengrössen, andererseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Dies wurde mit der Kombination des mikroporösen MOFs mit der leitfähigen Graphen-Säure erreicht. Bekanntlich ist auch eine grosse Oberfläche für gute (Super-)Kondensatoren wichtig, denn dort kann sich eine entsprechend grosse

Hohe Langzeitstabilität Dies sind jedoch noch nicht alle Vorteile des neuen Materials, wie Roland Fischer ausführt. Will man ein chemisch stabiles Hybrid haben, braucht man starke Bindungen zwischen den Komponenten. Und die Bindungen seien dieselben wie die zwischen Aminosäuren in Proteinen, so Fischer: «Tatsächlich haben wir die Graphen-Säure mit einem MOF-Amin verknüpft – dabei entsteht eine Art Peptid-Bindung.» Diese stabile Verbindung zwischen den nanostrukturierten Komponenten hat grosse Vorteile bezüglich der Langzeitstabilität der Kondensatoren, denn je stabiler eine Verknüpfung ist, umso mehr Lade- und Entladezyklen sind möglich, ohne wesentlich an Leistung einzubüssen. Der neue Superkondensator derTUM-Forscher behält denn auch noch nach 10’000 Zyklen fast 90 Prozent der Kapazität, während beispielsweise ein klassischer Lithium-Ionen-Akku eine Lebensdauer von ungefähr 5000 Zyklen aufweist.

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FACHWISSEN Steer-by-Wire Während Flugzeuge schon lange mittels «By-Wire»-Systemen gesteuert werden, geht das bei Personenwagen bisher noch kaum. Die Hersteller sind bereit und verleihen den Fahrzeugen für einen möglichen Notfall eine mechanische Verbindung. Lesen Sie im «Fachwissen» über den Aufbau, die Eigenschaften und die Sicherheitsmassnahmen von Steer-by-Wire-Fahrzeuglenkanlagen.

Spot Repair / Werkzeuge und Maschinen Kleine, kosmetische Schäden blieben früher oft unbehandelt, weil Aufwand und Kosten zu hoch waren. Mittlerweile bieten Lackhersteller viele praktische Produkte für die sogenannte Spot Repair an, die sich einfacher und kostengünstiger verarbeiten lassen. Die Arbeit des Schleifens, Polierens und Trennens ist zwar seit Jahren gleich. Die dazu benötigten Werkzeuge und Maschinen werden aber immer besser. Die AUTO&Carrosserie-Ausgabe 2/2021 erscheint Anfang Juni.

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