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Hintergrund: Rudolf Diesel und der Dieselmotor

Eine Idee wird zum Verkaufsschlager

  • Porträtgemälde von James Watt. James Watt machte die Dampfmaschine salonfähig; Rechte: AKG
  • Grafische Darstellung eines modernen Dieselmotors. Moderner Dieselmotor; Rechte: dpa

Als Rudolf Diesel (1858-1913) Ende des 19. Jahrhunderts nach einem neuen Antrieb suchte, gab es bereits zwei Erfolgsmodelle: Die Dampfmaschine und den Ottomotor.

Die Dampfmaschine war die erste Kraftmaschine, die mit einem Brennstoff betrieben wurde. Das erste funktionierende Modell baute 1712 Thomas Newcomen (1663-1729). In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurde die Dampfmaschine nach Verbesserungen durch James Watt (1736-1919) auch wirtschaftlich interessant. Das Problem der Dampfmaschinen war jedoch, dass sie sehr groß waren und einen geringen Wirkungsgrad hatten. Der Wirkungsgrad ist ein Maß dafür, wie effektiv eine Maschine Energie (zum Beispiel aus einem Brennstoff) in mechanische Arbeit umwandelt und wie viel Energie (zum Beispiel als Wärme) verloren geht.

1876 baute Nikolaus August Otto (1832-1891) seinen ersten Motor. Beim Ottomotor wird ein Luft-Benzin-Gemisch angesaugt, dieses wird in einem Kolben zusammengepresst und mit einer Zündkerze gezündet. Dadurch kommt es zu einer kleinen Explosion, die den Kolben zurückstößt und so Bewegung verursacht. Der Kraftstoff des Ottomotors ist das Benzin. Vorteile des Ottomotors sind sein geringes Gewicht und dass er sehr gleichmäßig läuft. Sein Wirkungsgrad ist zwar deutlich höher als der der Dampfmaschine aber niedriger als der des Dieselmotors.

Anders als beim Ottomotor wird beim Dieselmotor nur Luft angesaugt. Die wird dann stark zusammengepresst, bis sie so heiß ist, dass der Kraftstoff sich von allein entzündet. Der Druck, der dabei im Motor herrscht, beträgt bis zu 50 bar – der Ottomotor erzeugt einen maximalen Druck von 18 bar. Dass der Ottomotor sich bei Autos trotzdem behaupten konnte liegt unter anderem daran, dass der Dieselmotor lange Zeit nicht so leistungsfähig war. Außerdem ist er in der Anschaffung nach wie vor teurer als ein Benziner.

Die Suche nach dem Zündstoff

  • Zapfsäule mit vier nebeneinanderstehenden Aufschriften: Diesel, Biodiesel, Benzin bleifrei und Super bleifrei. Diesel und Benzin sind unterschiedlich "schwer"; Rechte: mauritius
  • Illustration des Taktzyklus eines Dieselmotors. Der Taktzyklus eines Dieselmotors; Rechte: dpa

Als Rudolf Diesel schließlich seinen Motor gebaut hatte, fehlte nur noch eins: Ein geeigneter Kraftstoff. Diesel experimentierte mit verschiedenen Substanzen, unter anderem auch mit Pflanzenöl. Am geeignetsten erwies sich dann aber das Schweröl. Schweröl ist das, was übrig bleibt, wenn man Erdöl so lange erhitzt, bis alles andere verdampft ist. Und weil der Kraftstoff in den Dieselmotor kam, nannte man ihn bald einfach nur "Diesel". Der Name hat sich bis heute nicht geändert, die Zusammensetzung des Diesel aber schon. Zwar ist Dieselkraftstoff auch heute noch "schwerer" und öliger als Benzin. Mittlerweile werden aber auch "leichtere" Brennstoffe wie Kerosin zum schweren Öl gemischt.

Benzin und Diesel werden zwar beide aus Erdöl hergestellt, aber sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich. Diesel ist wie oben beschrieben „schwerer“ als Benzin. Das bedeutet, dass Benzin bei niedrigeren Temperaturen kocht oder siedet. Außerdem entzündet sich Benzin viel schneller als Diesel. Aber was passiert eigentlich, wenn Diesel in einen Benzinmotor gelangt und umgekehrt? Wenn Diesel im Benzinmotor ist, läuft der Motor einfach nicht. Denn: Der Druck und die Temperatur reichen nicht aus, um den Kraftstoff zu entzünden. Um den Motor wieder zum laufen zu bringen, reicht es aber, den Dieselkraftstoff ablaufen zu lassen. Anders sieht das Ganze aus, wenn Benzin im Dieselmotor landet. Erstens kann das Benzin sich viel zu früh entzünden. Zweitens kann es, weil es weniger ölig als Diesel ist, den Motor nicht mehr richtig schmieren. Deshalb gehen in diesem Fall meist wichtige Teile kaputt.

Ein schmutziges Problem

  • Schild mit der Aufschrift "Feinstaub". Darunter ein "Durchfahrt verboten" Schild für LKW. Darunter wiederum die Aufschrift "Lieferverkehr frei". Viele Innenstädte sind durch Feinstaub belastet; Rechte: dpa
  • Blick auf mehrere Rußpartikelfilter auf einem Stapel. Eine Hand hält einen der Filter hoch. Rußpartikelfilter sollen Abhilfe schaffen; Rechte: AP

Der Dieselmotor hat gegenüber dem Benzinmotor den großen Vorteil, dass er wirksamer ist und deshalb weniger Kraftstoff verbraucht. Aber er hat auch einen großen Nachteil: Das, was nach der Verbrennung rauskommt, ist beim Diesel viel schädlicher als beim Ottomotor. Zum einen produziert der Diesel mehr von den giftigen Gasen Kohlenmonoxid und Stickstoffoxid. Außerdem entsteht bei der Verbrennung von Dieselöl auch noch Ruß. Der Ruß ist das große Problem. Denn Ruß besteht aus vielen einzelnen Teilchen, die unterschiedliche groß sind. Gefährlich sind nicht die größeren Partikel sondern die ganz kleinen. Die sind nur 0,1 Mikrometer groß, das ist nur ein Tausendstel vom Durchmesser eines Kopfhaares.

Und genau das ist das Problem. Wenn wir Staub oder Ruß einatmen, verfangen sich größere Teilchen meist schon in der Nase oder im Rachen. Wenn sie doch tiefer in die Lunge gelangen, werden sie von Fresszellen des Körpers, den Makrophagen, "gefressen". So entsteht ein Schleim, den wir aushusten können. Die ganz kleinen Teilchen können aber nicht mal mehr die Fresszellen entdecken. So können sie bis in die Lungenbläschen (Alveolen) gelangen. In den Alveolen wird Sauerstoff ins Blut aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben. Durch feine Staubteilchen können die Alveolen beschädigt werden und sich entzünden. Das führt irgendwann zu Atemproblemen, schlimmstenfalls sogar zu Lungenkrebs. Ein sogenannter Rußpartikelfilter, der an Dieselautos angebracht wird, soll dafür sorgen, dass weniger Ruß in die Luft gelangt. Viele Dieselautos in Deutschland haben bereits einen solchen Filter eingebaut. Umweltschützer fordern, dass jeder Diesel einen Rußpartikelfilter haben muss.

Auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen

  • Blick auf ein gelb blühendes Rapsfeld. Dahinter das Meer, auf dem ein Segelboot fährt. Raps verbraucht viel landwirtschaftliche Nutzflächen; Rechte: mauritius
  • Zapfsäule mit der Aufschrift "Erdgas". Erdgas ist günstiger als herkömmliche Treibstoffe; Rechte: AP

Alle Brennstoffe, die aus Erdöl hergestellt werden, haben den gleichen Nachteil: Wenn sie verbrennen, entsteht Kohlendioxid, ein klimaschädliches Gas. Deshalb wird seit ein paar Jahren nach umweltfreundlicheren Alternativen gesucht.

Biodiesel: Schon Rudolf Diesel experimentierte mit Erdnussöl, als er nach einem geeigneten Treibstoff für seinen Motor suchte. Seit ein paar Jahren kann man an jeder Tankstelle das sogenannte "Biodiesel" bekommen. Das besteht zu großen Teilen aus Pflanzenöl. Pflanzenöl verbrennt zwar auch zu Kohlendioxid, aber da die Pflanzen dieses vorher aus der Atmosphäre entzogen haben, wird kein neues Gas produziert.

Bioethanol: Auch für Benzinmotoren gibt es mittlerweile die umweltfreundlichere Alternative Bioethanol. Dieser Alkohol wird aus Pflanzenabfällen hergestellt. Er kann entweder alleine oder mit Benzin gemischt als Kraftstoff verwendet werden, ist aber so aggressiv, dass ihn gerade viele Motoren älterer Modelle nicht vertragen.

Erdgas: Eine weitere Alternative für den Ottomotor ist der Antrieb mit Erdgas. Erdgas produziert wesentlich weniger Kohlendioxid als Benzin oder Diesel. Außerdem entstehen deutlich weniger andere Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide oder Rußpartikel. Erdgas ist deutlich billiger als andere Kraftstoffe, man benötigt dafür aber auch einen eigenen Tank.

Auch diese Biokraftstoffe werden heiß diskutiert: Zwar entstehen bei der Verbrennung weniger Schadstoffe, aber bei der Produktion wird zum Beispiel Kohlendioxid freigesetzt. Felder, auf denen die Menschen sonst Nahrung angebaut haben, werden jetzt oft zu Biosprit-Plantagen. Deshalb wird in manchen Teilen der Welt das Essen knapp. Um die Umwelt zu schonen hilft deshalb vor allem eins: Das Auto öfter stehen lassen!

Neue Antriebe gesucht

  • Nahaufnahme auf ein sehr flaches, mit Solarzellen bestücktes Auto. Noch sind Solarautos nicht serienreif; Rechte: dpa
  • Grafische Darstellung eines "durchsichtigen" Autos. In seinem Inneren ist eine Brennstoffzelle zu sehen, die den gesamten Kofferraum und noch mehr Platz einnimmt. Brennstoffzellen benötigen viel Platz; Rechte: mauritius

Natürlich wird nicht nur nach neuen Kraftstoffen für Diesel- oder Ottomotoren gesucht, sondern auch nach völlig neuen Techniken. Hier drei Beispiele:

Der Elektromotor: Das erste Elektroauto gab es schon 1839, 36 Jahre vor dem ersten Auto mit Verbrennungsmotor. Elektromotoren haben einen noch viel höheren Wirkungsgrad als Dieselmotoren. Dass sie sich trotzdem zuerst nicht durchsetzen konnten, lag daran, dass sie nicht weit fahren konnten, bis sie wieder aufgeladen werden mussten. Doch mittlerweile gibt es wieder ein gesteigertes Interesse am Elektromotor. Es gibt inzwischen bessere Akkus und Elektromotoren sind deutlich umweltfreundlicher. Zudem ist Strom (noch) billiger als Diesel oder Benzin. Sogenannte Hybridautos haben einen Benzin- und einen Elektromotor. Wenn der Akku leer ist, können sie einfach auf Benzinantrieb umschalten.

Der Solarantrieb: Ein Solarauto fährt nur mit Sonnenenergie. Es wandelt die Energie aus dem Sonnenlicht in elektrische Energie um. Der Motor ist dann wieder ein Elektromotor. Noch gibt es einiges, was beim Solarantrieb verbessert werden muss. Die Effektivität der einzelnen Zellen muss noch deutlich gesteigert werden. Denn bei schlechtem Wetter oder bei Nacht gibt es keinen oder nur wenig Strom aus Sonnenenergie.

Die Brennstoffzelle: Bei einer Brennstoffzelle wird die Energie, die bei einer chemischen Reaktion von zwei Stoffen entsteht, in Strom umgewandelt. Am bekanntesten ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Dabei reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und es wird Wärme frei, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Als "Abgas" entsteht Wasserdampf. Ein großes Problem bei dieser Variante ist aber, dass Wasserstoff nur sehr kompliziert und aufwendig hergestellt, transportiert und gelagert werden kann. Auch hier läuft die Forschung weiter.

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