Mehr als hunderttausend Tonnen Mikroplastik entstehen jedes Jahr in Deutschland allein durch Reifenabrieb von Autos – mit Abstand die größte Quelle der winzigen Plastikpartikel, die Umwelt und Menschen schaden. Mit dem Umstieg auf Elektromobilität könnte dies sogar noch zunehmen: Elektroautos stoßen zwar weniger Feinstaub aus als Verbrenner, aber sie sind in der Regel aufgrund der großen Batterie auch schwerer. Das führt zu mehr Reifenabrieb.
Lassen sich die Abnutzungsraten und die Größe der Verschleißpartikel vorhersagen? Von welchen äußeren Bedingungen hängen sie noch ab? Welche Materialeigenschaften spielen hier eine Rolle? Mit diesen und ähnlichen Fragen beschäftigt sich der Jülicher Physiker Bo Persson seit nahezu 30 Jahren. 2023 wurde er für seine bahnbrechenden Beiträge auf dem Gebiet der Reibungslehre mit der Tribology Gold Medal ausgezeichnet.
In seiner neuesten Studie untersucht er zusammen mit seinen Kollegen Ruibin Xu und Naoshi Miyashita wie Druck, Geschwindigkeit und Umweltbedingungen die Abnutzungsrate von Reifen beeinflussen.
Experimentell untersuchten die Wissenschaftler die Abnutzungsrate von Reifenlaufflächengummi in einer Reihe von Messungen, bei denen das Gummi mit verschiedenen Anpressdrücken und Gleitgeschwindigkeiten auf Betonpflasterflächen gleitet. Sie fanden heraus, dass die Verschleißrate proportional zum Anpressdruck ist – jedoch unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit. Trockene Bedingungen waren zerstörerischer als nasse – Wasser führte zu niedrigeren Verschleißraten.
Ihre Ergebnisse analysierten die Wissenschaftler mithilfe eines innovativen theoretischen Ansatzes. Bisherige Theorien gingen davon aus, dass die Verschleißrate proportional ist zur Reibearbeit – dem Produkt aus zwei Faktoren. Ein Faktor ist die Normalkraft, im Falle eines Fahrzeugs also sein Gewicht, und der andere ist der Reibekoeffizient, der wieder abhängig ist von einer Vielzahl von Faktoren, unter anderem der Geschwindigkeit.
Die Theorie von Bo Persson und seinen Kollegen jedoch beruht auf einer neuen Größe: der gespeicherten elastischen Energie, die sich aufgrund von Spannungen in den Kontaktbereichen zwischen Reifen und Straßenoberfläche bildet. Diese wächst durch die Bewegung des Reifens auf der Straße stetig an – bis zu einem Punkt. Sobald diese elastische Energie groß genug ist, bricht sie die notwendigen Bindungen im Gummi auf – und es bildet sich ein Abriebteilchen, das sich vom Reifen löst. Die Verschleißrate ist damit unabhängig von der Geschwindigkeit.
Aber noch ist diese Theorie nicht vollständig: Als Nächstes werden die Autoren sie erweitern, um das sogenannte plastische Fließen einzubeziehen, einen Verformungsprozess, der beim Verschleiß von Nicht-Gummi-Materialien eine Rolle spielt. „Unsere Studie ist nicht die endgültige Theorie des Verschleißes, so Bo Persson. „Aber sie stellt einen neuen Ansatz für dieses Problem dar.“
