Die Entschlüsselung des 100-jährigen Geheimnisses der Reifenhaltbarkeit

Seit fast einem Jahrhundert ist verstärkter Gummi ein unverzichtbarer Werkstoff im modernen Leben, der es Automobil- und Flugzeugreifen ermöglicht, immensem Druck standzuhalten und den Betrieb industrieller Maschinensysteme aufrechtzuerhalten.

Allerdings haben Wissenschaftler noch nie vollständig verstanden, warum die Zugabe ultrafeiner Rußpartikel Gummi so unglaublich haltbar macht.

Dieses Rätsel ist nun offiziell gelöst, wodurch sich Möglichkeiten zur Herstellung sichererer und kraftstoffsparenderer Reifen und Industriematerialien eröffnen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor David Simmons, Ingenieur an der University of South Florida (USA), hat den verborgenen Mechanismus dieses Materials entdeckt. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

„Wie kann es sein, dass wir das schon seit 80, 90, 100 Jahren verwenden und immer noch nicht wirklich verstanden haben, wie es funktioniert?“, fragte Professor Simmons. „Es hat einen langen Prozess des Ausprobierens durchlaufen. Reifenhersteller können viele verschiedene Arten von Ruß – im Grunde hochwertigen Ruß – kaufen und müssen einfach durch Versuch und Irrtum herausfinden, wofür es sich lohnt, mehr zu bezahlen und wofür nicht.“

Da Rußpartikel und ihre Wechselwirkungen auf der Nanoskala stattfinden, ist eine direkte Beobachtung extrem schwierig.

Zur Lösung des Problems führte das Forschungsteam 1.500 Molekulardynamiksimulationen durch, um das Verhalten von Hunderttausenden von Atomen im Inneren des verstärkten Gummis zu modellieren.

Der Schlüssel zum Durchbruch liegt in einer physikalischen Eigenschaft namens Poissonzahl, die beschreibt, wie sich Materialien beim Dehnen verformen. Ein normales Gummiband wird beim Dehnen dünner, behält aber im Wesentlichen sein Volumen bei. Die Zugabe von Ruß verändert dieses Verhalten jedoch deutlich.

Die Rußpartikel wirken im Gummi als mikroskopische Stützstrukturen und verhindern so, dass er sich beim Dehnen wie üblich ausdünnt. Dadurch dehnt sich der Gummi aus – ein Zustand, dem das Material selbst stark widersteht.

Den Forschern zufolge "kämpft Gummi tatsächlich gegen sich selbst", wodurch eine deutliche Steigerung der Härte und Haltbarkeit erreicht wird.

Diese Erkenntnis widerlegt nicht frühere wissenschaftliche Theorien, sondern vereint sie vielmehr zu einer umfassenden Erklärung. Das Forschungsteam fand heraus, dass das Partikelnetzwerk, die Kohäsionswechselwirkungen und die raumfüllenden Effekte allesamt zur Fähigkeit des Materials beitragen, Volumenänderungen zu widerstehen.

Dieses neue Verständnis hat enorme Auswirkungen auf die Reifenindustrie. Ingenieure stehen bei der Reifenentwicklung oft vor der Herausforderung des „magischen Dreiecks“: dem optimalen Verhältnis zwischen Kraftstoffeffizienz, Haftung und Haltbarkeit.

Die Verbesserung eines oder zweier Faktoren führt oft zu einer Verringerung eines dritten. Simmons erklärte: „Mit diesen Erkenntnissen legen wir den Grundstein für eine rationale Reifenkonstruktion.“

Neben Reifen findet verstärkter Gummi breite Anwendung in Kraftwerken, Luft- und Raumfahrtsystemen und anderen kritischen Infrastrukturen, wo Materialversagen katastrophale Folgen haben kann.

„Wie Sie sich vielleicht erinnern, war der Grund für das Scheitern der Challenger, dass eine Gummidichtung zu kalt geworden war“, schloss Simmons.

„Viele Energiesysteme und Kraftwerke enthalten Gummikomponenten. Jeder kennt das: Ein Gartenschlauch fängt an zu lecken, weil eine Gummidichtung kaputt ist. Stellen Sie sich nun vor, das passiert in einem Kraftwerk oder einer Chemieanlage.“

(VNA/Vietnam+)

Quelle: https://www.vietnamplus.vn/giai-ma-bi-an-100-nam-ve-do-ben-cua-lop-xe-post1110352.vnp