Ein Luxus-Geländewagen in Weiß, 258 PS stark, fünf Meter lang und 2,2 Tonnen schwer. Für Nick Rogers, Entwicklungschef beim britischen Autohersteller Land Rover, sieht so die neue Leichtigkeit aus. Fast fünf Jahre lang hat er jedes überflüssige Kilo gejagt. Denn das größte Modell seines Arbeitgebers, der Range Rover, wog 2,6 Tonnen und musste schlanker werden: 420 Kilo hat er am Ende verloren. Sonderlich nachhaltig ist das tonnenschwere Gefährt zwar immer noch nicht. Aber so viel hat andererseits noch nie ein Auto abgespeckt. Das werden die Ingenieure der anderen Hersteller mit Interesse verfolgen.
Der Automobilindustrie steht eine Zeitenwende bevor. Jahrelang wurden Autos immer schwerer. Der VW Golf 1 von 1974 wog noch 750 Kilo. Heute bringt sein Nachfolger 1,2 Tonnen auf die Waage.
Mit welchen Materialien Autos leichter werden
Audi A8, Jaguar XJ und Range Rover haben eine Karosserie aus Alu. Andere verwenden das Material für Motorhauben, Heckklappen und Türen.
BMW macht aus dem Werkstoff der Luft- und Raumfahrtindustrie eine komplette Fahrgastzelle, andere Hersteller produzieren Dächer und Türen aus dem leichten, nicht rostenden und stabilen Material.
Es ist leichter als Aluminium und schmilzt bei niedrigeren Temperaturen. Bisher gab es Lenkräder, Felgen und Getriebegehäuse aus Magnesium, jetzt auch Türen und Motorhauben.
Ist immer noch das am weitesten verbreitete Material. Neu sind – etwa beim VW Golf 7 – sogenannte hochfeste Stähle, denen andere Metalle für höhere Stabilität und weniger Gewicht beigemischt werden.
Weil es bis zu 50 Mal teurer ist als Stahl, kommt es vor allem in Supersportwagen wie McLaren oder Bugatti Veyron vor.
Forscher wollen zeigen, dass Holz genauso gut ist wie Stahl oder Aluminium.
Türen aus Alu, Heckklappen aus Kunststoff, die Fahrgastzelle aus hochfestem Stahl: In Autos wie dem Porsche 911 finden sich verschiedene Werkstoffe.
Damit soll jetzt Schluss sein. Die Fahrzeuge müssen ihren Verbrauch und vor allem ihren CO2-Ausstoß senken: Fast überall auf der Welt drohen den Herstellern sonst harte Strafen. In Europa müssen Autobauer bis 2020 die durchschnittlichen CO2-Emissionen ihrer Fahrzeuge unter 95 Gramm pro Kilometer senken. Das entspricht einem Verbrauch von knapp vier Liter Benzin auf 100 Kilometern. Schaffen sie das nicht, drohen ihnen Bußgelder von bis zu 4000 Euro pro Fahrzeug.
Leichter gesagt als getan
Der einzige Ausweg: kleinere Motoren, alternative Antriebe – und vor allem leichtere Fahrzeuge.
Doch das sagt sich so einfach. Viele Techniken, die beim Sparen helfen, treiben gleichzeitig das Gewicht in die Höhe. Schon wenn Ingenieure den Verbrennungsmotor mit einer Start-Stopp-Automatik oder einem Turbolader ausrüsten, klettert das Gewicht des Fahrzeugs um 50 Kilogramm, bauen sie einen Elektroantrieb ein, steigt das Gewicht gar um 250 Kilo.
Dabei zahlen sich leichtere Autos sofort aus: 100 Kilogramm weniger Gewicht, so die Faustregel der Konstrukteure, senken den Verbrauch um bis zu einem halben Liter.
Um die Autos schnell leichter zu machen, testen die Hersteller daher unterschiedlichste Materialien: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind bereits vielen ein Begriff. Viele andere Materialien sind im Automobilbau bislang eher selten, darunter Stahl kombiniert mit Kunststoff, Titan und sogar Holz. Die WirtschaftsWoche hat sich die vielversprechendsten Entwicklungen angesehen.
Aluminium: Aufwendige Herstellung
Der neue Range Rover gibt die Richtung für schwergewichtige SUVs vor: Auch Audi verspricht, dass sein XXL-Geländewagen Q7, der 2014 herauskommt, mehr als 400 Kilogramm leichter wird. Der Ingolstädter Autohersteller, der sich zu den Pionieren in Sachen Leichtbau zählt, setzt auf Aluminium. Basis für den Q7 soll ein neuer Aluminium-Rahmen sein, der durch Kohlefaserteile und Glasfaserkunststoff verstärkt ist.
Der Haken an dem Leichtmetall: Aluminium ist bis zu fünf Mal so teuer wie Stahl, unter anderem, weil die Produktion rund zehn Mal so viel Energie verschlingt wie die von Stahlblechen. "Ob sich der höhere Energieeinsatz über den geringeren Benzinverbrauch rechnet, hängt von der Recyclingquote ab", sagt Nico Depner, Leichtbauspezialist der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Denn beim Recycling wird nur noch ein Zehntel der Energie eingesetzt, die zur Herstellung des Primäraluminiums nötig war.
Um Gewicht zu reduzieren, steigt der Alu-Anteil quer durch die Branche. Pro Auto hat er sich seit 1990 auf 140 Kilogramm fast verdreifacht, ergaben Berechnungen des US-Marktforschungsunternehmens Ducker Worldwide. Bis 2020 sollen es danach gar 180 Kilogramm sein. Dann folgen auch Klein- und Mittelklassewagen dem Alu-Trend der Spitzenmodelle.
Holz: Die Renaissance eines Werkstoffs
Der tief geduckte, zweisitzige Morgan 4/4 aus England ist ohne Zweifel ein Sportwagen. Doch das Bauprinzip haben seine Konstrukteure von Holzkutschen vergangener Tage abgeschaut. Seit 1936 gibt es das nur 800 Kilo schwere Modell, und seitdem besteht sein Rahmen aus Eschenholz. Das ist hart und gleichzeitig flexibel genug, um Schlaglöcher und schnelle Kurvenfahrten auf Landstraßen unbeschadet zu überstehen.
Jetzt schnitzen Forscher wieder am Auto der Zukunft. Wenn es nach Stefan Böhm von der Universität Kassel geht, soll Holz im Automobilbau eine Renaissance erleben. "Überall dort, wo es nach heutiger Kenntnis möglich wäre, kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe einzubauen, oder sie schon verwendet werden, könnten holzbasierte Multimaterialsysteme zum Einsatz kommen", sagt Böhm, der das Projekt mit dem sperrigen Namen "Holzformteile als Multimaterialsysteme für den Einsatz im Fahrzeugrohbau" (Hammer) koordiniert. Daran ist neben dem Fraunhofer-Institut für Holzforschung in Braunschweig auch Volkswagen beteiligt.
Aus Holz könnte unter anderem bald die B-Säule sein, die Verbindung von Autoboden und Dach zwischen Vorder- und Hintertür. Für Böhm bietet Holz viele Vorteile: Es wächst überall, ist CO2-neutral, braucht bei der Weiterverarbeitung wenig Energie und ist leicht wiederzuverwerten.
Entscheidend für den Erfolg ist die richtige Kombination der Hölzer wie Pappel, Esche oder Buche und die richtige Ausrichtung der Furnierlage. Zwischen den Holzschichten einlaminierte Metall- oder Polymerfolien sollen die Struktur zudem unfallsicher machen. Spätestens in eineinhalb Jahren soll der erste Prototyp mit möglichst vielen Holzteilen fertig sein.
Materialmix: Bunt gemischt
Aber was tun, wenn sich Leichtbau mit vielen extrem teuren Materialien wie Aluminium, Magnesium oder gar Carbonfaserwerkstoffen verbietet, weil das Auto erschwinglich bleiben soll? Dann lohnt sich ein kluger Materialmix, wie etwa Volkswagen ihn im Golf 7 einsetzt.
Noch konsequenter setzt Mazda auf einen Materialmix: Nach dem Kleinwagen 2 präsentieren die Japaner Mitte 2012 den SUV CX-5 und jetzt die Mittelklasse-Limousine 6 mit einer ausgeklügelten Leichtbaustruktur aus sogenannten hochfesten Stählen. Je nachdem, ob das Fahrzeugteil besonders crashsicher, langlebig oder formschön sein muss, wählen die Konstrukteure das passende Material dazu aus: Türbeplankungen, die einem Seitencrash standhalten müssen bestehen aus Aluminium und Kunststoff, Instrumententräger aus stabilem Magnesium, die Motorhaube aus leichtem Aluminium und Innenverkleidungen aus Thermoplasten. Diese Kombination lässt alle drei Mazda-Modelle bis zu 100 Kilogramm leichter werden als ihre Vorgänger.
Magnesium: Fest und leicht
Der legendäre VW Käfer hatte die Zukunft bereits an Bord. Sein Boxermotor im Heck des Wagens besteht teilweise aus Magnesium. Der Stoff ist vier Mal leichter als Stahl und rund eineinhalb Mal leichter als das Leichtmetall Aluminium. Doch irgendwann wuchs bei den Kunden die Lust auf mehr Leistung. Dafür brauchten die Motor-Konstrukteure Materialien, die mehr Hitze aushalten konnten als Magnesium.
Erst als neue Legierungen, also Mischungen mit anderen Metallen, das Material fester machten, interessierten sich die Ingenieure wieder für Magnesium. Denn der Werkstoff hat einige gewichtige Vorteile: Er ist weltweit in großen Mengen verfügbar und ähnlich leicht und preisgünstig zu bearbeiten wie Stahl.
Magnesium-Lenkräder sind daher bereits Standard. Auch Felgen werden aus dem Werkstoff gefertigt. VW, Audi und Mercedes setzen zudem Getriebegehäuse aus Magnesium ein. Nun arbeiten Wissenschaftler daran, das Leichtmetall an weiteren Stellen einzusetzen, für leichtere Sitze etwa. Das Problem: Dafür brauchen sie Magnesiumbleche, die aber zwei- bis dreimal teurer sind als die Alu-Pendants.
Deshalb arbeitet Karl Ulrich Kainer vom Institut für Werkstoffforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht bei Hamburg an einem Verfahren, bei dem die Hersteller das Magnesium nicht mehr bis zu 40 Mal, sondern nur noch dreimal walzen müssen, bevor das Blech fertig ist. Das würde die Fertigung deutlich billiger machen.
Stahl: Bewährt und günstig
Die neue Konkurrenz durch Aluminium und Carbon aber hat auch die Stahlkocher aufgeschreckt. Auch sie bewegen sich daher, um ihr Material leichter zu machen. So setzt Volkswagen im Golf 7 auf sogenannte hochfeste und ultrahochfeste Stähle, mit denen die Wagen bis zu einem Drittel leichter werden als ihre Vorgänger. Ähnliche Stahlinnovationen setzen auch Mercedes in der A-Klasse und Mazda in seinem Mazda 6 ein.
In dem Feld tut sich gerade einiges: Der Stahlkonzern Salzgitter baut gerade eine Produktion für sein neues Produkt HSD-Stahl auf. Es ist eine manganhaltige Legierung, der die Stahlkocher Aluminium und Silizium beigemischt hatten. Damit ist der neue Stahl um bis zu einem Drittel leichter als herkömmlicher.
Konkurrent ThyssenKrupp dagegen setzt auf eine Sandwich-Konstruktion von zwei dünnen Stahldeckblechen, die einen Kunststoffkern umschließen. Damit wollen die Entwickler die Festigkeit von Stahl mit dem geringen Gewicht von Kunststoff verknüpfen. Um zu zeigen, wie leicht der Werkstoff ist, hat ThyssenKrupp daraus ein Ultraleichtbaufahrzeug entwickelt. Das Elektroauto namens Ineco wiegt mit Batterien weniger als 900 Kilogramm.
Karbon: Schwarz und stark
Das Sandwich ist außen pechschwarz, zwischen den zwei dünnen Lagen quillt ein fingerdicker weißer Schaumkern heraus. Das Sandwich ist nicht essbar, es erleichtert vielmehr Autos um etliche Kilo. Es kombiniert kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff mit einem preisgünstigeren Hartschaumstoffkern. Das Konstruktionsprinzip des Essener Konzerns Evonik hat sich bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Yachtbau als steif und fest erwiesen.
Die Gewichtsunterschiede sind enorm: Die herkömmliche Heckklappe eines VW Golf 5 wiegt 23 Kilogramm, eine mit dem Evonik-Material hergestellte gerade noch 3,84 Kilogramm – mehr als 80 Prozent weniger. Das Sandwich-Material setzen im Moment vor allem die Hersteller von Supersportwagen wie McLaren ein.
Die Autowelt beobachtet derweil genau, ob es BMW wirklich gelingt, 2013 das neue Elektroauto i3 in Serie zu bauen. Der Wagen soll einen Rahmen aus Leichtmetall und einen Aufbau aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff erhalten. Das macht die Karosserie um 300 Kilogramm leichter als ein normaler Kompaktwagen. Und zum ersten Mal im Automobilbau wollen die Bayern den anspruchsvollen Werkstoff in einer Serienfertigung verwenden. Gelingt ihnen das, könnten sie das Material in vielen weiteren Fahrzeugen einsetzen.
Titan: Ultraleicht und superteuer
Der Traum aller Ingenieure ist gleichzeitig der Albtraum aller Kosten-Kontrolleure: Titan. Der Werkstoff ist zwar korrosionsfrei, extrem fest und langlebig. Doch ein Titanblech ist mindestens zehn Mal so teuer wie ein Stahlblech.
Deshalb bleibt sein Einsatz bis jetzt auf Superrennwagen wie den 1001 PS starken Bugatti Veyron oder den Elektro-Flügeltürer für Superreiche, Mercedes SLS E-Cell, beschränkt. Im Bugatti findet sich mehr als 50 Kilogramm des wertvollen Materials, beispielsweise an Bremsen, Hitzeschilden, Schrauben und Bolzen. Auch der SLS E-Cell, ein Elektroauto mit Formel-1-Technik und 533 PS Leistung, nutzt Titan für die korrosionsempfindlichen Verbindungsstellen zwischen Carbon und Alu. Der SLS soll 2013 für rund eine Viertelmillion Euro zu kaufen sein – da spielt der hohe Titanpreis nur eine untergeordnete Rolle.
Noch experimentieren die Konstrukteure, welches Material am besten Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit vereint. Derzeit kommen in Karosserien, dem schwersten Einzelteil der Autos, laut der Unternehmensberatung PricewaterhouseCoopers zu 70 Prozent Stahl, 20 Prozent Aluminium und acht Prozent Magnesium zum Einsatz.
Nach einer McKinsey-Studie werden sich bei Klein- und Mittelklassefahrzeugen mittelfristig hochfeste Stähle durchsetzen, in der Oberklasse soll ein Mix aus Kunststoff, Aluminium und Magnesium überwiegen, in der Luxusklasse kommen die teuren Karbonfasern zum Einsatz.
Wie Abspecken auf die ganz einfache Art geht, zeigt Peugeot gerade mit dem neuen Kleinwagen 208. Der wiegt 173 Kilo weniger als sein Vorgänger. Der wichtigste Grund für den Gewichtsverlust: Statt wie sonst bei jedem Generationswechsel in die Länge zu gehen, haben die Franzosen den 208 um sieben Zentimeter gekürzt.
