Befindet sich die Menschheit auf dem Gipfel der Transporteffizienz? Haben wir die Obergrenze unserer mechanischen Leistungsfähigkeit erreicht? Wir haben in den letzten 50 Jahren in der Automobiltechnik viel erreicht, insbesondere, was die Anforderungen an den täglichen Transport anbelangt. Aber das ist noch nicht alles. Wir sehen uns an, wie die Nutzung von Elektrotechnik die menschliche Transporteffizienz drastisch verbessert hat und welche Arten der Automobilelektronik diese Errungenschaften möglich machen.
Von der Steinzeit bis zum Ford Modell T: Revolutionierung des Transports
Fast 3,4 Millionen Jahre lang wurden die fortschrittlichsten Werkzeuge aus Stein hergestellt. Erst 3.000 v. Chr. wurden für Werkzeuge erstmals Legierungsmaterialien, wie Bronze, verwendet, wodurch sich unsere Fähigkeiten zur Herstellung wirkungsvollerer Instrumente (wie dem Rad) weiterentwickelten. Bronze wurde bereits 1.300 v. Chr. durch Eisen und Stahl ersetzt, mit denen stärkere und widerstandsfähigere Werkzeuge produziert werden konnten. Nun konnten die Menschen schneller und weiter reisen. Im Mittelalter wurden nahezu alle Lebensbereiche durch die Verwendung von Werkzeugen, Maschinen, Waffen und Fahrzeugen aus Metall revolutioniert. Die Fortschritte des 1.000 Jahre umfassenden Mittelalters waren entscheidender als alles in den 3,4 Millionen Jahren zuvor Erreichte.
Nur wenige Jahrhunderte später wurden im Zuge der industriellen Revolution Herstellungsverfahren entwickelt, die Massenproduktion ermöglichten. Die Massenproduktion bedeutete einen weiteren riesigen Sprung nach vorn, was Werkzeug- und Maschineneffizienz anbelangt. Das Konzept der Toleranzauslegung, d. h. die Nutzung von Grenzwerten für Größe und Form eines hergestellten Produkts, wirkte sich entscheidend auf die Herstellung aus, und die Fähigkeit der maschinellen Bearbeitung bedeutete, dass massenhaft Bauteile austauschbar gemacht werden konnten. Aufgrund der nun möglichen Massenfertigung konnte sich beinahe jeder ein Fahrrad oder sogar ein Automobil leisten. Die Möglichkeiten des Reisens über kurze und lange Strecken machte die Welt auf einmal kleiner – oder ließ sie zumindest kleiner erscheinen.
Der Verbrennungsmotor des Ford Modell T, der 1908 erstmals auf den Straßen zu sehen war, verbrauchte gut 13,5 Liter auf 100 km. Es wurden nun Chemikalien und mechanische Systeme genutzt, um sich im großen Stil sowie auf kostengünstige und anpassbare Weise fortzubewegen. Wie beim Vergleich zwischen Mittelalter und Steinzeit war auch das auf das Modell T folgende Jahrhundert gekennzeichnet von einem rasanten Wachstum, dass die Entwicklungen der letzten 5.000 Jahre in den Schatten stellte und in keinem Vergleich zu den drei Millionen Jahren davor stand.
Dennoch änderte sich in den ersten 50 Jahren nach dem Modell T in der Automobilbranche erst einmal wenig. Autos wurden größer und schneller, aber der Grad der Effizienz und Innovation, der die Welt 1908 revolutioniert hatte, stagnierte. Der exponentielle Anstieg der Effizienz von Werkzeugen zwischen der Steinzeit und dem Beginn des 20. Jahrhunderts schien zum Stillstand gekommen zu sein.
Normen für die Kraftstoffeffizienz: der Beginn der Automobileffizienz
Die Kraftstoffeffizienz in den USA verschlechterte sich in den ersten 50 Jahren nach dem Modell T erst einmal sogar, da die Anfrage nach leistungsstärkeren Autos stieg. Erst als der US-Kongress im Jahr 1975 die Vorschriften der „Corporate Average Fuel Economy“ (CAFE) verabschiedete, tauchten die Wörter „Effizienz“ und „Automobil“ endlich im selben Satz auf. Nach dem berühmten Zeitalter der Muscle-Cars im Amerika der 60er Jahren mussten sich Automobilhersteller in den frühen 70er Jahren einer ganz neuen Herausforderung stellen: Die Autos sollten nicht nur schneller, sondern auch besser werden.
Die amerikanischen Automobilkonzerne mussten die Funktionsweise von Autos ändern, und das inner- und außerhalb des Fahrzeugs. Ab 1980 wurden Elektrotechnik und Computertechnologie in Autos eingesetzt, was die Rettung der Automobilindustrie bedeutete – und sie von Grund auf veränderte. Elektronik wurde neben den chemischen und mechanischen Komponenten schnell zum festen Bestandteil neuer Fahrzeuge und läutete somit die nächste Transportrevolution ein.
Verbrauchsarme Autos: elektronische Vergaser und mehr
Elektrotechnik war bereits in den vor 1970 gefertigten Automobilen zu finden, wurde von den Ingenieuren aber hauptsächlich eingesetzt, um kraftvollere Systeme zu erzielen, sowie als dekoratives Fahrzeugzubehör. Gegen Ende der 70er lag der Schwerpunkt der Automobilindustrie jedoch auf Wirtschaftlichkeit – bei luxuriösen Supersportwagen genauso wie bei den preiswertesten Automarken. Diese neuen Prioritäten bedeuteten nicht, dass die Leistungsfähigkeit und „Muskelkraft“ der Autos vernachlässigt wurde, sondern dass sich die Ingenieure stattdessen mehr darauf konzentrierten, wie man aus weniger Ressourcen mehr herausholen konnte.
Der Chevrolet Sprint erzielte im Jahr 1985 einen Treibstoffverbrauch von 5,3 Litern auf 100 km bei der Fahrt auf der Autobahn und 6,4 Litern im Stadtverkehr – der durchschnittliche Verbrauch war also viermal besser als ein Jahrhundert zuvor. Das Geheimnis waren ein elektronisch geregelter Vergaser und ein präzise konstruierter, kompakter und gleichzeitig leistungsstarker Motor.
Nicht nur die Autos selbst wurden in der Automobilbranche mit Elektronik ausgestattet. Auch die Be- und Verarbeitungsprozesse wurden dank elektronischer Steuerungssysteme kontinuierlich präziser durchgeführt, sodass es endlich möglich war, leichte und dennoch leistungsfähige Motoren herzustellen. Zum ersten Mal seit der industriellen Revolution verzeichneten die Fortschritte in der Herstellung exponentielles Wachstum. Die präzise Bearbeitung von Bauteilen während des gesamten Verfahrens führte allgemein zu höherer thermischer Nutzung und effizienterer Energieübertragung im Fahrzeug.
Durchschnittlicher Treibstoffverbrauch
Die US-amerikanische Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency, EPA) erfasst seit 1975 den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen. Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die Kraftstoffnutzung und der CO2-Ausstoß seit dem Inkrafttreten der CAFE-Vorschriften verbessert haben.
Quelle: Bericht zu Trends der Automobilbranche gemäß EPA
Elektrotechnik ist an der Steuerung von nahezu jedem Aspekt moderner Fahrzeuge beteiligt. Die Elektroniksysteme selbst wurden zu einem der teuersten Komponenten in den Autos. Dies sind einige Beispiele:
– Mechanische Sensoren, z. B. Tachometer, sind nun elektrisch.
– Vergaser sind nun elektronisch geregelte Einspritzsysteme.
– Benutzer können den Reifendruck mithilfe drahtloser Sensoren und Transmitter kontrollieren.
Innovation der Elektrofahrzeuge
Nach den Innovationen bezüglich des Treibstoffverbrauchs zwischen 1975 und 1985 stagnierte die Entwicklung in der Automobilindustrie, ähnlich wie es zwischen dem Modell T und den frühen 70er Jahren der Fall war. Zwischen Mitte der 80er und den frühen 2000ern erreichte die Automobileffizienz ihren Höhepunkt und nahm dann leicht ab. Grund für die Stagnation war vermutlich, dass neue Technologie für die Maximierung der Leistung verwendet wurde. Das zusätzliche Gewicht der neuen elektronischen Geräte und deren umfangreicher Kabelbäume führte schließlich dazu, dass die durchschnittliche Fahrzeugeffizienz wieder abnahm. Allerdings sah es Anfang der 2000er so aus, als würde eine neue Art von Fahrzeug die Automobilindustrie erneut revolutionieren: das Elektrofahrzeug.
Elektrofahrzeuge (Electric Vehicles, EV) sind in verschiedenen Konfigurationen verfügbar:
– Komplett hybride Elektrofahrzeuge (Fully Hybrid Electric Vehicles, FHEV)
– Plug-in-Elektrofahrzeuge (Plug-in Electric Vehicles, PEV)
– Komplett elektrische Fahrzeuge (Fully Electric Vehicles, FEV), die auch als batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles, BEV) bezeichnet werden
Fahrzeuge, die alternative Energiequellen nutzen, zeichnen sich selbstverständlich im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren durch geringeren CO2-Ausstoß aus. Sie reduzieren zudem den Treibstoffverbrauch, was zu einer branchenweiten Verbesserung der Effizienz führt. Seit 15 Jahren steigt die Zahl der hybriden und komplett elektrischen Fahrzeuge und einige der einflussreichsten Automobilhersteller arbeiten an rekordverdächtiger Fahrzeugeffizienz.
Quelle: EPA: Der durchschnittliche Treibstoffverbrauch für die 13 führenden Automobilhersteller
Elektrotechnik + Kraftstoffverbrauch: Technologie der Zukunft
Die Automobilindustrie bietet mehr Effizienz denn je und verbessert kontinuierlich den Treibstoffverbrauch. Dabei kommen fortschrittliche Technologien zum Einsatz:
– Computergestütztes aerodynamisches Design
– Feinabgestimmte Motoren
– Hybridtechnologie
– Komplett elektrische Fahrzeuge
– Geringerer CO2-Ausstoß
Die Hersteller arbeiten an der Verbesserung des Wärmewirkungsgrads von Verbrennungsmotoren und immer mehr Unternehmen wählen elektrische Energie für ihre Fahrzeuge. Elektronische Systeme könnten die Automobilindustrie schon bald von Grund auf revolutionieren.