Wenige Atome bestimmen, ob Kraftwerke störungsfrei laufen oder Fahrzeuge energieeffizient unterwegs sind. Eine virtuelle Materialsonde macht tribologische Prozesse auf atomarer Skala sichtbar – und somit steuerbar. Für diese Entwicklung erhält ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes 2022.
Reibung und Verschleiß sind in mechanischen Bauteilen allgegenwärtig. In Gleitringdichtungen für Pumpen oder Kompressoren setzt man daher auf Diamantbeschichtungen: Das kristalline Material schützt die Komponenten, die gegeneinander reiben, lässt sie gut aufeinander gleiten und sorgt somit für eine hohe Lebensdauer. Allerdings kann es zu starken Reibwertschwankungen kommen, in seltenen Fällen sogar zum Ausfall der Anlagen, was Schäden in Millionenhöhe hervorrufen kann. Bislang war jedoch weder bekannt, wodurch solch hohe Reibwerte entstehen, noch welche Voraussetzungen es braucht, um die Reibung konstant auf niedrigem Niveau zu halten.
Ein Forscherteam hat dem Mysterium Diamantreibung nun seine Geheimnisse entlockt: Mit einer virtuellen Materialsonde, die Simulationen auf mehreren Größenskalen mit realen Experimenten kombiniert und während des Gleitens quasi in den Reibspalt hineinsehen kann – was weltweit einzigartig ist. Für die Entwicklung dieser Sonde erhalten Prof. Dr. Michael Moseler und Prof. Dr. Matthias Scherge vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes 2022. Als Dritter im Bunde wird Dr.-Ing. habil. Joachim Otschik von der EagleBurgmann Germany GmbH & Co. ausgezeichnet. Insbesondere die langjährige gemeinsame Forschungsarbeit des Trios, die die Entwicklung der Sonde begleitete und zum Verständnis der Reibungsphänomene in den Gleitringdichtungen führte, überzeugte die Jury.
Hilfreich ist die virtuelle Materialsonde überall dort, wo zwei Körper gegeneinander reiben und durch einen atomar dünnen Flüssigkeitsfilm geschmiert werden – sei es in Komponenten für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft, im Antriebsstrang von Elek-
trofahrzeugen oder in den Verdichtern von Wärmepumpen. »Über Experimente allein können wir weder die Reibungseffekte noch den Einfluss des hauchdünnen Schmierfilms verstehen – im tribologischen Kontakt ist es quasi dunkel«, erläutert Scherge.
Sein Kollege Moseler ergänzt: »Mit der virtuellen Materialsonde dagegen können wir von der Millimeterskala auf die atomare Skala zoomen, im Extremfall sogar auf die quantenmechanische Ebene der Elektronen, um die Bindungsverhältnisse im Reibspalt zu verstehen.« Dies ist keineswegs eine Spielerei: Schließlich kann bereits eine relativ kleine Anzahl von den richtigen oder falschen Atomen auf einer Bauteiloberfläche den Unterschied machen, ob eine Dichtung wunderbar läuft oder infolge hoher Reibung und Verschleiß versagt.
Möglich war die Entwicklung der virtuellen Materialsonde jedoch nur durch die Zusammenarbeit mit der Industrie: Seit mehr als 15 Jahren ist auch EagleBurgmann mit von der Partie. »Die Synergie zwischen dem Fraunhofer IWM und uns ist einmalig, sie wächst und nimmt zunehmend mehr Fahrt auf«, sagt Otschik. »Das breite und tiefe Verständnis der Kollegen hat absolutes Weltniveau. Mit der virtuellen Materialsonde konnten wir die Entwicklungszeit um mindestens 99 Prozent verkürzen und einen Millionenauftrag sichern«, freut sich Otschik. Doch das ist EagleBurgmann nicht genug: Das neue Tool soll ebenfalls dabei helfen, wassergeschmierte diamantbeschichtete Gleitringdichtungen zu entwickeln, die vollständig dicht, nahezu verschleißfrei und mit ultrakleiner Reibung betrieben werden können. Kurzum: Die virtuelle Materialsonde wird die Welt der Reibungsprozesse nachhaltig verändern.
Fraunhofer-Gesellschaft