Reifenentwicklung Neuer Synthesekautschuk überzeugt im Praxistest

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Die Vorkommen an natürlichem Kautschuk sind bedroht, doch synthetischer Kautschuk erreichte bislang kaum dessen Eigenschaften. Forscher bei Fraunhofer haben Anfang dieses Jahres einen neuartigen Synthesekautschuk vorgestellt, der das ändern soll.

Microcyclus ulei: So heißt der Pilz, der in Brasilien, dem Ursprungsland des Kautschuks, ganze Plantagen von Kautschukbäumen vernichtet. Zwar gibt es weitere Anbaugebiete in Asien – greift der Pilz aber auch hier über, ist die Weltproduktion für Gummi bedroht. Synthetischer Kautschuk ist eine Option, jedoch kann er mit seinen Eigenschaften noch nicht mit dem natürlichen Produkt mithalten, das aus dem Saft der Rinde der Gummibäume gewonnen wird. Die Laufflächen von Lkw-Reifen sind zum Beispiel überwiegend aus Naturkautschuk von Kautschukbäumen, weil das Material bislang die besten Abriebeigenschaften aufweist.

Optimierter Synthesekautschuk

Mehrere Fraunhofer-Institute haben deshalb gemeinsam an besserem Synthesekautschuk gearbeitet, mit Erfolg: „Unser Synthesekautschuk ‚BISYKA‘, kurz für ‚Biomimetischer Synthesekautschuk‘, hat sogar noch bessere Eigenschaften als Naturkautschuk“, sagt Ulrich Wendler, der das Projekt am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau leitet. Das Zentrum ist eine gemeinsame Initiative des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP und des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS.

„Die Reifen aus Synthesekautschuk verlieren 30 Prozent weniger Masse als das Äquivalent aus Naturkautschuk, der Profilverlust beträgt sogar nur die Hälfte“, beschreibt Wendler. „Zudem lässt sich der Synthesekautschuk mit Bestandsanlagen in großtechnischem Maßstab produzieren. Das heißt: Der Synthesekautschuk bietet eine hervorragende Alternative zum Naturkautschuk – auch für Hochleistungs-Lkw-Reifen.“

Um den Kautschuk synthetisieren zu können, untersuchten die Forscher der beteiligten Institute den Kautschuk aus Löwenzahn. Er besteht wie derjenige aus Kautschukbäumen zu etwa 95 Prozent aus Polyisopren, die verbleibenden Prozente aus Biokomponenten wie Proteinen oder Lipiden. Der Vorteil gegenüber dem Baum-Kautschuk: Statt sieben Jahren hat der Löwenzahn eine Generationenfolge von nur drei Monaten – eine sehr gute Voraussetzung, um den Einfluss der Biokomponenten auf die Kautschuk-Eigenschaften zu untersuchen.

Die Reifenfarbe ändert sich

Nachdem die für das Abriebverhalten wichtigen Biokomponenten identifiziert waren, synthetisierten die Wissenschaftler den Bisyka-Kautschuk – aus den jeweiligen Biomolekülen und funktionalisiertem, hoch mikrostrukturreinen Polyisopren. Um die Eigenschaften der daraus erhaltenen Kautschukvarianten zu untersuchen, nutzten sie die sogenannte Dehnkristallisation: Beim Dehnen von Naturkautschuk auf die dreifache Länge bilden sich kristalline Bereiche, der Kautschuk verhärtet sich. „Die Dehnungskristallisation von Bisyka-Kautschuk entspricht der des Naturkautschuks“, erläutert Wendler.

Und auch die Farbe des Reifens kann im übertragenen Sinn eine Rolle spielen: Für Lkw-Reifen wird der Kautschuk üblicherweise mit Ruß gemischt, daher kommt die schwarze Farbe. Der Trend geht laut Fraunhofer allerdings dazu, Silicate statt Ruß zuzumischen – neuartige Silicafüllstoffe könnten dabei helfen, Alternativen für Naturkautschuk in der Automobilindustrie zu finden.

Vielversprechende Praxistests

Anschließend unterzogen die Entwickler den Kautschuk einem Praxistest, den das Prüflabor Nord durchführte. Dazu wurden vier Pkw-Reifen gefertigt, deren Lauffläche aus dem synthetischen Kautschuk besteht, und mit solchen verglichen, deren Lauffläche aus Naturkautschuk gefertigt war.

Das Testfahrzeug fuhr anschließend 700 Kreise jeweils links- und rechtsherum. Das Ergebnis: Während der Naturkautschuk-Reifen nach dem Test um 850 Gramm leichter war und 0,94 Millimeter an Profil verlor, büßte der Bisyka-Reifen lediglich 600 Gramm Gewicht und 0,47 Millimeter Profil ein. Zudem ist der Rollwiderstand beim Synthesekautschuk geringer: Naturkautschuk liegt auf der Rollwiderstandsampel beim Wert „C“, der synthetische Kautschuk erreicht den besseren Wert „B“.

„Die ersten Tests mit der Reifenmischung verliefen äußerst vielversprechend. Jetzt wollen wir den Kautschuk weiter optimieren, vor allem hinsichtlich des Anteils und der Zusammensetzung der Biokomponenten“, beschreibt Wendler. „Parallel dazu passen wir die Rezeptur der Laufflächenmischung für Lkw-Reifen auf den neuen Kautschuk an.“ Aktuell suchen Ulrich Wendler und sein Team Kooperationspartner, die das Produkt auf den Markt bringen.

Automobilzulieferer

Continental forscht an Kautschuk aus russischem Löwenzahn

Alternative Kautschuk-Quellen

Reifenhersteller forschen ebenfalls an Alternativen für Kautschuk aus dem Kautschukbaum. Continental und das Fraunhofer IME wollen Naturkautschuk aus Löwenzahn herstellen. Erste Versuchsreifen, deren Laufstreifen vollständig aus Löwenzahnkautschuk bestanden, stellte Conti auf der IAA Nutzfahrzeuge 2014 vor. Ende 2018 eröffnete der Automobilzulieferer in Anklam in Mecklenburg-Vorpommern ein Forschungs- und Versuchslabor.

Dort geht es derzeit zum Beispiel um Extraktionsmethoden des Kautschuks aus der Pflanze, oder wie sich größere Pflanzen erzielen lassen; oder die trivial anmutende Frage, wie grundsätzlich die beste Anzucht der Pflanzen aussieht. Einen Zwischenerfolg konnten die Forscher bereits vermelden: In einer Kleinserie fertigten sie Fahrradreifen für sportliche Stadträder, deren Lauffläche aus dem Löwenzahnkautschuk besteht. Einen Einsatz im Pkw sehen die Wissenschaftler in etwa acht bis neun Jahren.

Michelin arbeitet seit mehreren Jahren mit dem Petrochemie-Unternehmen Axens und dem französischen Forschungsinstitut IFP Énergies Nouvelles daran, synthetischen Kautschuk aus Biomasse zu gewinnen. Bridgestone und das italienische Chemieunternehmen Versalis forschen daran, Naturkautschuk aus der Guayule-Pflanze zu gewinnen: Bridgestone hat bereits einen ersten Reifen hergestellt, bei dem der Naturkautschukanteil vollständig durch Guayule-Gummi ersetzt werden konnte. Bis zum Jahr 2050 will der Reifenhersteller zu 100 Prozent nachhaltige Materialien in seinen Produkten verwenden.

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