Selbstheilende Schutzschicht im Motor

Motorteile, die nie abnutzen und sich selbst schützen? Das klingt utopisch, könnte aber Wirklichkeit werden. Denn US-Forscher haben entdeckt, dass bestimmte Metallverbindungen bei Reibung einen selbstheilenden, diamantähnlichen Kohlenstofffilm bilden. Dieser Film schützt nicht nur effektiver als jedes Schmiermittel – er bildet sich auch ständig von selbst nach, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Wenn sich Metallteile im Motor schnell gegeneinander bewegen, entstehen Reibung und Hitze. Diese jedoch greifen die Metallteile an und es droht schlimmstenfalls ein „Kolbenfresser“. Um das zu verhindern, werden den Motorenölen heute chemische Zusätze wie Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) beigemengt, die einen schützenden Schmierfilm um die beweglichen Teile legen sollen. Der Haken daran: Diese Zusätze sind nicht sonderlich umweltfreundlich.

Schwarze Schicht statt Abrieb-Schäden

Auf der Suche nach saubereren und gleichzeitig effektiveren Schmiermitteln haben Ali Erdemir vom Argonne National Laboratory und seine Kollegen eine überraschende Entdeckung gemacht. Für ihr Experiment beschichteten sie einen Stahlring mit einer Nanoschicht aus Molybdän-Nitrid und Kupfer. Diesen Ring bauten sie in eine Art Motor ein, gaben einfaches Öl ohne Zusätze hinzu und setzten ihn starker Reibung aus.

„Dieser Test erzeugt enorme Hitze und Drücke, die den Ring eigentlich erodieren lassen müssten und schließlich brechen“, erklärt Koautor Osman Eryilmaz vom Argonne Laboratory. Doch statt die erwarteten Schäden zu verursachen, schien die Reibung dem Ring nichts anhaben zu können. Er blieb intakt und entwickelte an der Kontaktfläche eine seltsam schwärzliche Ablagerung.

Durch chemische Reaktion mit dem Öl bildet sich eine extrem harte Schicht aus diamantählichem Kohlenstoff. © Argonne National Laboratory

Kohlenstoff in Diamantstruktur

Nähere Untersuchungen enthüllten: Diese schwärzliche Schicht besteht aus diamantähnlich strukturierten Kohlenstoff und hält enormen Drücken stand. „Das ist eine einzigartige Entdeckung und ziemlich unerwartet“, erklärt Erdemir. „Denn wir haben schon viele diamantähnliche Kohlenstoff-Beschichtungen entwickelt, aber noch nie eine gefunden, die sich von selbst bildet.“

Die diamantähnliche Schicht war demnach ein sogenannter Tribofilm – eine Schmierschicht, die sich durch chemische Interaktionen zwischen Öl und Metalloberfläche bei Reibung bildet. Die Nanopartikel der Metall-Nitrid-Beschichtung reagieren dabei mit dem Schmieröl und brechen seine Ketten in immer kürzere Moleküle herunter. Unter Druck entsteht so die Kohlenstoffschicht.

Selbstregenerierender Reibungsschutz

Der eigentliche Clou aber sind die Eigenschaften dieses neuentdeckten Tribofilms: Die diamantähnliche Kohlenstoffschicht senkt die Reibung der Motorteile um 25 bis 40 Prozent und damit stärker als bei gängigen Schmierölen mit ZDDP-Zusatz, wie die Forscher berichten. Der Abrieb der Metallteile verringere sich dadurch auf nicht mehr messbare Werte.

Zum anderen aber regeneriert sich diese Schutzschicht immer wieder von selbst: Sobald sie durch die Reibung abgetragen ist, kommt die Nanobeschichtung wieder in Kontakt mit dem Öl – und bildet einen neuen Schutzfilm. Er regeneriert sich demnach immer wieder von selbst. Dadurch hält der Schutz der Motorenteile erheblich länger an als bei allen bisher gängigen Beschichtungen und Schmierölvarianten, so Erdemir und seine Kollegen.

Länger haltbare Motoren

Für den Motoren- und Maschinenbau könnte dies enorme Bedeutung haben, wie die Forscher erklären. Denn Teile, die der Reibung ausgesetzt sind, werden zwar schon mit teuren und teils aufwändig produzierten Beschichtungen überzogen. Doch auch diese reiben sich mit der Zeit ab und halten daher nicht ewig.

Werden die Flächen der Motorenteile dagegen mit geeigneten katalytischen Nanometallen versetzt, schützen sich diese durch einen ständig neu produzierten Tribofilm. Dies könnte Motoren erheblich haltbarer machen. Und noch einen Vorteil hat die Neuentdeckung: Die umweltschädlichen Zusätze im Schmieröl könnten verringert oder sogar ganz weggelassen werden. Denn für die Bildung der schützenden diamantähnlichen Kohlenstoffschicht genügt Polyalphaolefin – einfaches Schmieröl ohne Beimischungen. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature18948)

(DOE/Argonne National Laboratory, 09.08.2016 – NPO)