Motorenentwicklung Es geht um Millionstel Millimeter und Millisekunden

Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren stößt an ihre Grenzen.

(Foto: STG)

Trotz Biodiesel und Elektromobilität: Ingenieure setzen immer noch auf Verbrennungsmotoren. Computersimulationen sollen nun die Entwicklung neuartiger Aggregate erleichtern.

Von Alexander Stirn

Als Carl Benz vor beinahe 130 Jahren mit seinem knatternden Motorwagen die ersten Runden drehte, musste er nicht lange über Treibstoff nachdenken: Sein Verbrennungsmotor schluckte Waschbenzin, und das gab es fertig gemischt in der Apotheke. Heute machen sich Ingenieure deutlich mehr Gedanken. Sie entwickeln völlig neue Treibstoffe, tüfteln an sauberen und sparsameren Aggregaten. Nur die Art und Weise, wie sie dabei vorgehen, hat sich kaum verändert. Noch immer brauen die Entwickler ihr Benzin aufwendig zusammen, noch immer bauen sie neue Motoren in Miniserien, in denen der Treibstoff dann verbrannt wird. Langsam stoßen sie mit diesen Methoden allerdings an ihre Grenzen.

"Ingenieure hätten am liebsten einen schwarzen Kasten, in den sie lediglich die Zusammensetzung ihres Benzins, die Verhältnisse in der Brennkammer sowie das Design des Motors eingeben müssen, und der umgehend ausspuckt, wie gut all das funktioniert", sagt William Green, Chemieingenieur am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Gemeinsam mit Kollegen hat Green vergangenen Monat beim Jahrestreffen des US-Wissenschaftsverbands AAAS in Boston neue Modelle vorgestellt, die die Vorgänge in Verbrennungsmotoren besser beschreiben sollen. Seine Botschaft: Die chemischen Simulationen kommen gut voran, es bleiben allerdings noch viele Herausforderungen.

Der Bedarf für solche Rechenmodelle ist groß. Etwa zwei Drittel des weltweiten Energieverbrauchs werde derzeit durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe gedeckt, sagt Katharina Kohse-Höinghaus, Chemikerin an der Universität Bielefeld. Selbst wenn künftig der Anteil regenerativer Energieträger steige, werde sich daran zunächst wenig ändern.

Hinzu kommt, dass insbesondere in den asiatischen Staaten gewaltiger Nachholbedarf an motorgetriebener Mobilität besteht. Dieser immense Bedarf könne derzeit nur mit bewährten, aber kontinuierlich verbesserten Methoden gedeckt werden, sagt Kohse-Höinghaus. "Zu denken, ganz Asien könnte seine Antriebsprobleme mithilfe von Biomasse in den Griff bekommen, ist einfach nicht realistisch."

Große Unsicherheitsfaktoren

Und selbst wenn das gelingen sollte, würde es die Probleme nicht lösen. Im Gegenteil: Biokraftstoffe sind chemisch noch weniger verstanden als die vergleichsweise simplen Kohlenwasserstoffe, die heutzutage verfeuert werden. "Viele dieser alternativen Treibstoffe wurden noch nicht in Motoren getestet, manche lassen sich nicht einmal in der dafür nötigen Menge herstellen", sagt William Green. Somit bleibt unklar, welche unerwarteten Schadstoffe dabei produziert werden könnten. Die Umweltauflagen dagegen werden bereits jetzt zunehmend restriktiver. "Allein durch simples Ausprobieren an den Motoren werden wir die politischen Vorgaben nicht mehr erfüllen können", sagt Kohse-Höinghaus. "Das geht nur mit fundierten chemischen Modellen."

Einfach wird das nicht. Verbrennung ist eine hochkomplexe Angelegenheit. Sie geht weit über die einfach erscheinenden Summenformeln aus dem Chemieunterricht hinaus, die lediglich besagen, in welchem Verhältnis Treibstoff und Sauerstoff - unter Freisetzung von Energie - zu Wasser und Kohlendioxid reagieren. Die wirklich interessanten Vorgänge laufen im Verborgenen ab: "Die Verbrennung folgt einer Kettenreaktion mit vielen Schritten und vielen reaktionsfreudigen Zwischenprodukten", sagt Kohse-Höinghaus.

So müssen bei einem Biotreibstoff allein für die Rußbildung mehr als 10.000 Reaktionen berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass die chemischen Reaktionen vom Druck und von der Temperatur im Motor abhängen - und dass keiner der Verbrennungszyklen, von denen es im Auto mehrere Tausend pro Minute gibt, dem anderen exakt gleicht. "Für die Entwicklung neuer Motoren wäre es daher schön, wenn man bereits am Reißbrett ermitteln könnte, wie effizient und schadstoffarm die Entwürfe sind", sagt die Bielefelder Chemikerin. "Das setzt allerdings voraus, dass bekannt ist, was bei jedem Knüpfen und Auflösen chemischer Bindungen während dieser Vielzahl an Reaktionen vor sich geht."