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Der Einsatz von Kryotechnik in der Automobilindustrie

Was ist Kryotechnik eigentlich? Wie können extrem niedrige Temperaturen erreicht werden? Warum nutzt die Automobilindustrie die Kryotechnologie?

Die Kryotechnik ist ein Verfahren, bei dem die Bearbeitung von Materialien oder die Veränderung von Aggregatzuständen in extrem kalter Umgebung stattfindet. Dies bietet insbesondere der Industrie zahlreiche Vorteile und vielfältige Möglichkeiten. Diese sollen im Folgenden etwas näher beschrieben werden.

Klimaservice mit dem Klimaservicegerät AC1234-8i für Klimaanlagen mit dem Kältemittel R1234yf von Robinair - Bild: Bosch

Wie können extrem niedrige Temperaturen erreicht werden?

Besonders komplexe kryogene Technologien ermöglichen es, diese extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen. Die bekannteste und derzeit meistangewendete Methode nutzt die Wärmeleitfähigkeit von physikalischen Stoffen. Durch die direkte Verbindung zweier Stoffe wird die Temperatur vom wärmeren auf das kältere Material übertragen. Im kryogenen Prozess bedeutet dies, die Kälte (also extrem geringe Wärme) von einem flüssigen Stoff an ein Gas weiterzugeben. Dies kennt man z.B. von den kleinen Kühlrippen auf den Transistor-Endstufen oder von der Luftkühlung durch die Kühlrippen beim 2-Takt-Motor. Mehr zur Motorkühlung

Die Ladeluftkühlung beim VW 1,4l 90 kW TSI Motor von VW funktioniert ebenfalls nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit.- Bild: Volkswagen

Die Verdunstungskühlung (= adbiate Kühlung) ist eine alternative Methode. Hierbei wird ein flüssiger Stoff verdampft, der eine energiearme Flüssigkeit hinterlässt. Diese wird also messbar kälter. Die Verdunstungskühlung kennt man, wenn man im Sommer aus dem Schwimmbecken steigt und zu frieren beginnt. Grund: Verdunstendes Wasser auf der Haut entzieht dem Körper Wärme.

Darüber hinaus gibt es in der Kryotechnik noch den sogenannten Joule-Thompson-Effekt. Bei dieser Methode wird eine plötzliche Expansion des Gasvolumens erreicht. Dies ergibt einen ebenfalls extrem schnellen Druckabfall. Auf diese Weise werden zum Beispiel Wasserstoff oder Helium verflüssigt. Beispiele sind das gefrieren von Wasser in einer Schneekanone oder die Herstellung von Schlagsahne. Im Grunde kennt das Prinzip auch der Kfz-Mechatroniker von der Auto-Klima-Anlage (AC) bereits.

Die adiabatische Entmagnetisierung dient vor allem der Kühlung von flüssigem Helium. Hier macht man sich die Eigenschaft paramagnetischer Salze zunutze, Wärme zu absorbieren. Ähnlich wie kleine Magnete lassen sie sich in ein Magnetfeld einbringen und mithilfe eines Elektromagneten dazu gebracht, Energie zu absorbieren. Dieser Prozess sorgt für eine starke Kühlung, wie sie bei Helium und wenigen anderen Stoffen erforderlich ist.

Warum nutzt die Automobilindustrie die Kryotechnologie?

Für Laien ist es schwierig, die Kryotechnologie etwa mit dem Automobilbau in Verbindung zu bringen. Doch gerade in diesem Industriebereich ist die äußerst beliebt. Hier nutzt man etwa die sogenannte Kaltschrumpftechnik, bei der bestimmte Komponenten des Motors einer sehr kalten Temperatur ausgesetzt werden und dadurch schrumpfen. In diesem Zustand können sie einfacher an der vorgesehenen Stelle im Automotor montiert werden. Die Ausdehnung durch die Erwärmung des Bauteils sorgt für einen festen Sitz. Muss beispielsweise der Kolbenbolzen im Pleuel mit Schrumpfsitz montiert werden, so erhitzt man das Pleuel auf ca. 300 °C und kühlt parallel den Kolbenbolzen mit Stickstoff oder Kohlensäureschnee stark herunter. Anschließend müssen Kolben, Bolzen und Pleuel rasch zusammenmontiert werden, bevor sich die Temperaturen wieder annähern.

Nutzfahrzeug-Pleuelstangen - Bild: Mahle

Neben der Elektromobilität spielt der Gasantrieb eine wesentliche Rolle bei alternativen Antrieben, die in naher Zukunft Benzin und Diesel ersetzen sollen. Flüssiggas hat eine wesentlich bessere Klima- und Umweltbilanz als die genannten Kraftstoffe, emissionsfrei gewonnener Wasserstoff ist in dieser Hinsicht sogar vollkommen neutral. Beim Wasserstoffantrieb durch Brennstoffzellen spielt die Kryotechnik ebenfalls eine Rolle. Um ausreichend Wasserstoff im Tank bevorraten zu können, muss dieser entweder strak unter Druck oder stark abgekühlt werden.

Ebenfalls wesentlich für die Automobilindustrie ist die Kryotechnik, um elektrische Komponenten zu testen. Dies bedeutet, dass Bauteile auf ihre Kältebeständigkeit unter Beibehaltung aller Funktionen überprüft werden.  Einerseits ist dies bedeutsam, damit sich daraus später keine Produkthaftungsfälle ergeben. Vor allem im Hochgebirge, aber auch in den besonders kalten Regionen der Welt ist eine Kältebeständigkeit aber vor allem sicherheitsrelevant. Hier entscheidet die Funktion der technischen Komponenten in vielen Fällen tatsächlich über Leben und Tod. Zwei Beispiele für Anwendungen, die man im Automobilsektor findet, sind inerte Produktionsräume und Mikrochip-Tester.

Keine Zukunft ohne Kryotechnik

Wer Kryotechnik bisher vor allem als Methode betrachtet hat, mit der sich Gase für die Haltbarmachung von Lebensmitteln erzeugen lassen, muss seinen Blick weiten. Insbesondere in den Bereichen der Fahrzeug- und Flugzeugtechnik wird man auf die Kryotechnologie in der Zukunft nicht mehr verzichten können. Denn der Klimawandel zwingt such die Automobilindustrie dazu, neue Wege einzuschlagen und künftig auf klassische fossile Energieträger wie Benzin oder Diesel zu verzichten. Die Kryotechnologie öffnet durch die Verflüssigung von Gasen neue Möglichkeiten, die Energiewende noch schneller voranzutreiben, ohne dabei auf Komfort verzichten zu müssen.