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Press release in English from the American Institute of Physics „Where the Rubber Meets the Road – Researchers combine simple experiments first employed by Leonardo da Vinci with advanced theory to reveal new atomic-level insights into what happens when rubber slides across asphalt“ – please click here.

„Bisher berücksichtigen Reifenhersteller bei Vorhersagen zur Reifenhaftung hauptsächlich einen Aspekt: die Viskoelastizität. Das ist die Verformung des Reifens, verursacht durch Unebenheiten des Straßenbelags“, sagt Persson vom Jülicher Peter-Grünberg-Institut, Bereich Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), „aber diese Vorhersagen spiegeln nicht die Realität wider.“ Persson hat daher in sein theoretisches Modell zur Gummireibung einen weiteren Aspekt mit einbezogen, die sogenannte Scherung. Sie wirkt dort, wo der Gummi direkten Kontakt mit der Oberfläche hat und beeinflusst ebenfalls die Reibung. Auf molekularer Ebene können verschiedene Prozesse zu ihr beitragen: Gummimoleküle, die kurzfristig an der Oberfläche haften, harte Füllstoffe in der Gummimischung – zum Beispiel Ruß oder Silikate – die über die Oberfläche schleifen, aber auch Risse und Abnutzungen im Reifenmaterial.

„Wir haben zunächst die Bindung der Gummimoleküle berücksichtigt“, sagt Persson, „dieser Prozess sollte aus unseren Erfahrungen den größten Einfluss bei der Scherung haben.“ Für drei Gummimischungen testeten die Forscher ihr erweitertes Rechenmodell: die typische Mischung eines Sommer-, eines Allwetter- und eines Winterreifens. Kleine Blöcke dieser Materialien zogen sie über zwei verschiedene Arten von Asphalt und Sandpapier mit einer Geschwindigkeit von maximal einem Millimeter pro Sekunde. „Durch die langsame Bewegung haben wir ausgeschlossen, dass die Reibungswärme unser Ergebnis beeinflusst“, sagt Persson. „Gummireibung ist sehr komplex, daher wollten wir die neue Theorie zunächst unter sehr einfachen Bedingungen testen.“

Für verschiedene Zuggeschwindigkeiten und Temperaturen beschreibt das neue Modell die experimentell beobachtete Reibung sehr gut. „Das stützt unsere Annahme, dass die kurzzeitige Haftung der Gummimoleküle auf molekularer Ebene entscheidend zur Scherkraft beiträgt“, sagt Persson. Bei Kontakt des Gummiblocks mit der Oberfläche haften die zunächst verknäulten Gummimoleküle dort. Wird der Gummiblock weitergezogen, dehnen sich die Moleküle ähnlich einem Gummiband, das man an einem Ende festhält – bis sie schließlich wieder abreißen, zu einem Knäuel zusammenschnurren und erneut haften können.

Dieser Mechanismus wird auch bestätig durch die Abhängigkeit der Scherung von Temperatur und Zuggeschwindigkeit: Bei hoher Temperatur oder kleiner Zuggeschwindigkeit haften die Gummimoleküle kaum – der Scherbeitrag zur Reibung ist gering. Gleiches gilt für sehr niedrige Temperaturen oder hohe Zuggeschwindigkeit. Der Grund dafür ist die thermische Bewegung der Gummimoleküle, also ihre mikroskopische Beweglichkeit in der nach außen hin festen Gummimischung. Bei hohen Temperaturen bewegen sich die Moleküle zu stark, um an der Oberfläche zu haften, bei niedrigen Temperaturen bewegen sie sich zu langsam. In beiden Fällen ist die Zeit, in der sie Kontakt mit der Oberfläche haben, zu kurz, um anzuhaften.

„Natürlich gelten unsere Ergebnisse zunächst für idealisierte Bedingungen, also trockene, saubere Oberflächen“, sagt Persson. Bei nassen Straßen sollte die Scherkraft beispielsweise nur eine geringe Rolle spielen, da der Wasserfilm den Kontakt der Gummimoleküle mit der Asphaltoberfläche verhindert. „Aber das Modell zeigt den Weg, welche Faktoren bei der Vorhersage der perfekten Gummimischung eine Rolle spielen können und was auf molekularer Ebene bei der Reibung passiert.“

Skeptischer Kommentar aus dem DKI
In einem Artikel auf der Wissenschaftsseite der Süddeutschen Zeitung, der die jüngsten Ergebnisse der Jülicher Forscher aufgreift, zeigt sich Manfred Klüppel vom Deutschen Institut für Kautschuktechnologie in Hannover skeptisch, dass sich die Überlegungen aus Jülich in vollem Umfang belegen lassen. Er selbst habe ein ähnliches Modell entwickelt, das ebenso gut funktioniere. „Es beschreibt den Prozess an der Grenzfläche Reifen – Asphalt als Peelingeffekt, wie wenn man einen Tesafilmstreifen abzieht“, erklärt der Materialforscher. Sein Modell fußt auf Mechanik statt auf Bindungswahrscheinlichkeiten zwischen Molekülen. Dennoch kommen beide Theorien bei langsamen Geschwindigkeiten zu ähnlichen Ergebnissen. Bei hohen Geschwindigkeiten indes lässt die Reibkraft pro Fläche nur in Perssons Modell nach, weil die Moleküle zu wenig Zeit haben, sich zu binden.

Die Unstimmigkeiten zeigen vor allem, dass noch viel Forschungsbedarf beim scheinbar einfachen Thema Autoreifen besteht. „Reibungseffekte sind viel zu lange stiefmütterlich behandelt worden“, bestätigt Burkhard Wies vom Reifenhersteller Continental in Hannover, der mit beiden Wissenschaftlern kooperiert. „Wenn wir heute zum Beispiel Reifen in einer extremen Kurvenlage simulieren, wo Reibungseffekte besonders stark zum Tragen kommen, steigt der Computer schlicht aus.“ Phänomene an der Kontaktfläche seien in solchen Simulationen bisher nicht berücksichtigt, und die Vorgänge auch insgesamt ausgesprochen komplex.

Simulationen alleine genügen dafür nicht. Neue Reifenmischungen werden deshalb im Labor auf verschiedenen Untergründen bei unterschiedlichen Temperaturen getestet und die daraus abgeleiteten Kenndaten in die Simulationssoftware gespeist. „Vielleicht lassen sich irgendwann einmal die nötigen Daten auch direkt aus den Rezepturen ableiten, aber das ist noch Zukunftsmusik“, ist Wies überzeugt.
Dennoch hofft er auf bessere Computerprognosen, vielleicht auch dank der Formeln aus Jülich. Sie könnten etwa bei der Entwicklung von Reifen helfen, die bei gleicher Lebensdauer noch mehr Grip und weniger Rollwiderstand haben. Genau das ist die große Herausforderung der Reifenentwicklung, denn die beiden Ziele „mehr Haftung“ und „leichterer Lauf“ widersprechen sich grundlegend. Ob es eine Lösung gibt für diesen Zielkonflikt oder nur einen bestmöglichen Kompromiss, muss sich erst zeigen.

Weblinks zum Thema

  • Originalpublikation im Fachmagazin „Journal of Chemical Physics“: B. Lorenz, Y.R. Oh, S. K. Nam, S. H. Jeon, B. N. J. Persson, Rubber friction on Road Surfaces, J. Chem.Phys., 142, 194701 (2015), bitte hier klicken.
  • Artikel  in der Süddeutschen Zeitung online „Mit Grip und Gummi“ von Andrea Hoferichter vom 7. Juni 2015, bitte hier klicken.

(dw)