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Rutschen auf dem Wasser

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Maschinenlager werden in der Regel mit verschiedenen Ölen geschmiert. Aber auch heute noch gelangen große Mengen dieser Öle in die Umwelt. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, MicroTribology Centrum μTC, hat ein Verfahren entwickelt, das es in Zukunft ermöglichen wird, Gleitlager mit Wasser zu schmieren, ein wesentlich umweltfreundlicheres Verfahren.

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Die Schmierung der Lager erfolgt in der Regel mit Schmierstoffen auf Mineralölbasis, wodurch ein Verschleiß des Lagers durch Metall-auf-Metall-Kontakt vermieden wird. In Deutschland werden jährlich rund eine Million Tonnen Schmierstoff verbraucht. Die Herstellung, Anwendung und Entsorgung von Öl ist eine Belastung für die Umwelt.

Die Einführung von wasserbasierten Schmierstoffen würde dem Umweltschutz sehr zugute kommen. Bislang war jedoch die Tatsache, dass Metallteile korrodieren, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, ein großes Hindernis. Einer Arbeitsgruppe am Fraunhofer IWM, MicroTribology Centrum μTC, in Freiburg ist es gelungen, mit Additiven Wasser so zu verändern, dass es irgendwann einmal als Schmiermittel eingesetzt werden kann. Für Dr. Tobias Amann und seine Kollegen am Fraunhofer IWM bedeutete dies einen doppelten Erfolg: Erstens ist die erreichte Schmierung viel besser, da Wasser nicht so viskos ist wie Öl. Zweitens wird Korrosion verhindert.

Die Forscher entwickelten die Details ihres Verfahrens mit einem Gleitlager, einem Lager, das einem Ring ähnelt, der eine rotierende Stahlwelle umgibt. Der Ring besteht aus mehreren Schichten, die von außen nach innen wie folgt aufgebaut sind: eine das Lager umgebende Hülse, eine Aluminiumschicht und eine Sintermetallschicht, die die Welle selbst umgibt. Der Trick besteht darin, dass die innere Sinterschicht von einem kleinen Kanal durchzogen wird, der Wasser zwischen der rotierenden Welle und der äußeren Aluminiumschicht fließen lässt. Diese direkte Verbindung ist entscheidend für den elektrochemischen Prozess, da zwischen einem Basismetall wie Aluminium und einem Edelmetall wie Eisen eine elektrische Spannung entsteht, auch ohne dass ein externes elektrisches Feld angelegt werden muss.

Umwandlung von Wasser in Schmiermittel

Mit dieser elektrischen Spannung, die zwischen dem Aluminium im Gleitlager und dem Eisen im Schaft entsteht, verwandeln die Forscher das Wasser in ein Schmiermittel. "Wir mischen so genannte ionische Flüssigkeiten in das Wasser", erklärt Dr. Tobias Amann. "Die ionischen Flüssigkeiten sind flüssige Salze, die Anionen und Kationen enthalten." Diese Ionen werden im elektrischen Feld neu angeordnet und sammeln sich dann auf der Innenseite des Sintermetallringes so, dass ihre Enden nach oben zur rotierenden Welle zeigen. Dadurch entsteht eine Art galvanisch erzeugte Schutzschicht, auf der die Welle gleiten kann.

Das Forschungsteam hat die Machbarkeit des Prozesses bereits nachgewiesen. Amann und sein Team suchen derzeit Partner in der Industrie, mit denen sie die ionischen Flüssigkeiten weiter optimieren wollen. "Eine Herausforderung ist, dass die Bewegung der Welle Wärme erzeugt, die das Wasser verdunstet", sagt der Wissenschaftler. "Jetzt suchen wir nach ionischen Flüssigkeitsgemischen, die die Verdunstung hemmen."

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Das Ionen-Wasser-Gemisch ist umweltfreundlicher als Öl und trägt dazu bei, Gleitlager noch effizienter zu machen. Amann weiter: "Der Schaft gleitet besser, wenn er mit Wasser benetzt ist. Dies reduziert den Energieverbrauch im Vergleich zum Betrieb mit wesentlich dickflüssigerem Öl." Darüber hinaus wird Korrosion vermieden. Normalerweise reagiert der Sauerstoff im Wasser mit eisenhaltigen Stählen, was letztendlich zu Rost führt. Das elektrische Feld verhindert dies.

In zwei Projekten haben die Experten des Fraunhofer IWM gemeinsam mit ihren Kollegen von der Universität Freiburg, die beide vom baden-württembergischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnen öffentlich gefördert wurden, noch mehr entwickelt als das Gleitlager mit seinem elektrochemischen Innenleben. Sie entwickelten auch ein neues Messgerät, das als In-situ-Tribometer bezeichnet wird und in der Lage ist, metallische Verschleiß- und Reibwerte direkt am Gleitlager während des Betriebs zu überwachen. Bisher war es nur durch Demontage des Lagers vor der Beurteilung und Vermessung der Oberflächen möglich, den Verschleiß an einem Lager zu messen. Dies ist sehr zeitaufwendig: "Mit unserem neuen Tribometer ist es nun möglich, den Verschleiß vor Ort zu messen, was nicht nur die Entwicklung praktikabler wasserbasierter Schmierstoffe erleichtert, sondern auch die kontinuierliche Überwachung der Lager", betont Amann.

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