Die Zukunft der heimischen Automobilindustrie kann sehr wohl auf Sand ruhen.Diese gemeinsame Substanz enthält Schlüsselzutaten für einige ungewöhnliche Materialien, die für die Herstellung eines revolutionären Motortyps – der keramischen Gasturbine – unerlässlich sind.

Das Land, das den Motor zuerst perfektioniert, könnte laut in- und ausländischen Automobilherstellern die internationale Autoproduktion dominieren. Ein zuverlässiger Keramikmotor wäre ein Quantensprung in den Bemühungen, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, ohne die Leistung oder Sicherheit von Automobilen zu beeinträchtigen, sagen Automobilmanager.

Keramikmotoren ermöglichen die Verdichtung und Expansion von Gasen bei extrem hohen Temperaturen ohne Wärmeverlust oder Motorschaden. Ein Motor, der seine Wärme hält, ohne sich selbst oder andere Komponenten zu schädigen, arbeitet effizienter.

Turbinen gibt es schon seit Jahren. Chrysler Corp. hatte 1963 ein experimentelles Gasturbinenauto. Aber es wurde nie kommerziell angeboten, weil Chrysler keinen kostengünstigen Weg finden konnte, um mit der enormen Hitze – bis zu 2.500 Grad Fahrenheit – umzugehen, die vom Motor erzeugt wurde.Verbesserungen bei keramischen Materialien versprechen, die Gasturbine praktisch zu machen. In der Tat sind neue Arten von Keramik für Veränderungen in Produkten verantwortlich, die von Autos über Elektronik bis hin zu falschen Zähnen reichen. Diese neuen Keramiken sind weit entfernt von den Blumentöpfen, Badezimmerfliesen und Geschirr, die üblicherweise mit dem Wort in Verbindung gebracht werden. Diese neuen Materialien bestehen Silikon und andere traditionelle keramische Bestandteile, die mit Karbidpolymeren, Tonerde und anderen Materialien kombiniert werden.

Die resultierenden Verbindungen behalten die Fähigkeit, Hitze zu widerstehen, sind aber weniger spröde und verschleißfester.

Die Auswirkungen auf die Autoindustrie werden voraussichtlich tiefgreifend sein.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kolbenmotoren verbrennen Turbinen Kraftstoff mit konstanter Geschwindigkeit und leiten Leistung ab, indem sie expandierende Gase gegen eine fächerartige Vorrichtung leiten. Die Gase drehen den Lüfter, der eine mit einem Getriebe verbundene Welle dreht. Die stetige brennen und hohe temperatur machen für mehr effizienz.“Es steht außer Frage, dass ein keramischer Gasturbinentriebwerk für die Automobilindustrie und das Land erhebliche Vorteile bieten kann“, sagte John A. Boppart, Senior Vice President von Garrett Turbine Engine Co. in Phoenix.Aber die Vereinigten Staaten „leisten in der Tat keine sehr gute Arbeit, um mit den Japanern in Keramik Schritt zu halten“, sagte Boppart kürzlich vor dem Unterausschuss des Repräsentantenhauses für Transport, Luftfahrt und Materialien.

Garrett arbeitet mit Ford Motor Co. entwicklung einer fortschrittlichen Gasturbine mit „heißen Teilen“ – Turbinenrotor und -schaufeln, Brennkammerbaugruppe, Kanälen – aus Keramik. General Motors Corp. hat eine ähnliche Anstrengung im Gange mit seiner Allison Gasturbine Division.Die GM- und Ford-Projekte haben seit 1980 116 Millionen US-Dollar erhalten, hauptsächlich Bundesgelder. Die Unternehmen fordern die Regierung auf, in den nächsten vier Jahren weitere 100 Millionen US-Dollar aufzubringen – eine Anfrage, die sie letzten Monat auf den Capitol Hill brachte und den Zorn einiger Gesetzgeber auf sich zog, die sagten, dass die beiden Unternehmen reich genug seien, um ihre eigene Forschung zu finanzieren.

Aber GM und Ford verteidigen ihre Finanzierungsanträge.“GM ist seit 1952 in der Gasturbinenentwicklung tätig“, sagte Harold E. Helms, Chief Project Engineer für Allison Gas Turbine. „Ich kann Ihnen versichern, dass das Geld nicht von der Bundesregierung kam.“Ford hat letzte Woche mehr von seinem eigenen Geld, 10 Millionen Dollar, ausgegeben, um eine 11-prozentige Beteiligung an Ceradyne Inc. zu erwerben., ein Unternehmen mit Sitz in Kalifornien, das sich auf kommerzielle Anwendungen der Keramiktechnologie spezialisiert hat. Ein Großteil der Arbeit von Ceradyne werde die Entwicklung von Automobilprodukten umfassen, sagte Ford-Präsident Harold A. Poling.

Aber warum die Regierung anrufen?

Trotz all ihrer Vorteile birgt die Keramiktechnologie auch eine Reihe von Problemen, sagen inländische Autohersteller.

Sprödigkeit ist eins. Keramiken neigen dazu, unter Belastung zu brechen oder zu reißen, wie sie beispielsweise durch einen Fahrzeugunfall verursacht wird. Eine andere ist das Verkleben von Keramiken mit Metallen.Die Forschung, die notwendig ist, um diese Probleme zu lösen, ist teuer – zu teuer für Unternehmen, die unter Marktdruck stehen, um sofort neue Produkte zu entwickeln, so Boppart, Helms und andere.Im Vergleich dazu schreitet Japan in der Keramikentwicklung schnell voran, vor allem weil Autohersteller, die Regierung und Universitäten zusammenarbeiten, um Japan zum Keramikführer zu machen, sagen US-Autohersteller.“Was wir in den letzten vier Jahren festgestellt haben, ist, dass die Japaner aufgrund ihres nationalen Engagements mehr produzieren können“, sagte Serge Gratch, Ford-Direktor für Fahrzeug-, Antriebs- und Komponentenforschung. „Die Japaner können aufgrund ihres nationalen Engagements einfach mehr in Keramik investieren.“

Japan übernimmt die Führung in der Keramik.

Zum Beispiel Nissan Motor Co. Ltd. produziert monatlich 500 Autos – seine 300 ZX-Sportmodelle – mit Keramikkomponenten-Turboladern. Diese Vorrichtungen erhöhen den Druck auf das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennräumen des Motors.

Nissans Ceramic-Turbo-Modelle werden derzeit nur in Japan verkauft. Wenn sich die Technologie jedoch als effektiv und langlebig erweist, besteht kaum ein Zweifel daran, dass Nissan seine Keramikturbos in die USA exportieren wird, was dem Unternehmen einen großen Vorteil gegenüber seinen US-Konkurrenten im hochpreisigen Segment des heimischen Automarktes verschafft.

Die heimische Elektronikindustrie ist auch an den Keramikkriegen beteiligt.Das Wachstum der Elektronikindustrie und die Breite neuer Anwendungen für hochentwickelte Keramik werden die Nachfrage nach Keramikmaterial voraussichtlich um 50 Prozent steigern – von 3 Milliarden US-Dollar im Jahr 1984 auf mehr als 4,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 1989.

Derzeit entfällt die Hälfte des weltweiten Umsatzes mit fortschrittlichen Keramikmaterialien auf die Elektronikindustrie. Kyocera in Japan ist mit einem Marktanteil von fast 70 Prozent weltweit führend in der Keramikverpackung von Computerchips.“Wir schauen uns sehr genau an, was sie tun“, sagte ein Forschungsdirektor von Westinghouse Electric Corp. „Weil sie die Anführer sind.“Unter Berufung auf die Rolle der Regierung bei Japans Fortschritt in der Keramik sind die US-Industriellen auch bereit zuzugeben, dass die Japaner schneller Prototypen entwickeln und keramische Materialien auf dem Markt testen.Die Japaner betonen auch die Prozesstechnologien, die in die Keramikherstellung einfließen, und sind daher in der Lage, früher als US-amerikanische Unternehmen Skaleneffekte zu erzielen, sagen inländische Industrielle.Japans Kyocera zum Beispiel hat enorme Fortschritte in der Technologie der falschen Zähne gemacht, indem es ein Kristall-Saphir-Implantat entwickelt hat, das haltbarer ist als Porzellan. Personen, die den fortschrittlichen Keramikprothesen tragen, können härter kauen und haben weniger Risiko, das Implantat zu beschädigen.

Aber US-Unternehmen sind im schnell wachsenden Keramik-Verbundteil des Marktes für neue Materialien gut positioniert. Insbesondere „Metallmatrix“ -Verbundwerkstoffe haben die Aufmerksamkeit und die Investitionen führender Luft- und Raumfahrtunternehmen und des Pentagons auf sich gezogen.“Im Verteidigungsministerium ist in diesem Bereich viel los“, sagte der ehemalige stellvertretende Verteidigungsminister für Technologie, Robert Cooper, der darauf hinwies, dass die Defense Advanced Projects Agency mehrere bedeutende Projekte für neue Materialien im Gange hat.

Das Pentagon glaubt, dass Metallmatrix-Verbundwerkstoffe letztendlich zu einer härteren, aber leichteren Generation von Materialien für Flugzeuge, Panzer und Truppentransporter führen können.

Im Wesentlichen besteht eine Metallmatrix aus einem Metall – wie Aluminium – mit Strängen von Keramikfasern, die in Form eines Skelettgitters durchlaufen. Dieses Fasernetzwerk kann dem Metall Festigkeit und Wärmebeständigkeit verleihen, wie es Legierungen oder andere Verbundwerkstoffe nicht können. Zum Beispiel führt keramikfaserverstärktes Aluminium ebenso wie das teurere Titan in Motoren und in anderen Anwendungen.

Die Herausforderung besteht darin, eine kostengünstige Möglichkeit zu finden, Fasern und Metall zu mischen. Bisher hat noch niemand kommerziellen Erfolg angekündigt. Defense arbeitet an neuen Wegen, die Fasern mit dem Metall zu „benetzen“.“Sie verbinden sich nicht, wenn die Fasern nicht nass werden“, sagte Cooper.Neben militärischen Anwendungen können Metallmatrix-Keramikverbundwerkstoffe auch zivile Anwendungen haben, beispielsweise für Tennisschlägerrahmen (so wie es Tennisschlägerrahmen auf Kohlefaserbasis gibt). Robust, aber leicht, Fahrräder sind eine ähnliche Gelegenheit. Auch keramische Faser-Metall-Matrix-Materialien sollen ihren Weg in die Automobilindustrie finden.

E. I. du Pont de Nemours & Co. und andere US-Unternehmen konkurrieren mit japanischen Unternehmen wie Kyocera und Nippon Carbon um den Multimillionen-Dollar-Markt. Darüber hinaus sollte die Stärke der heimischen Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie zunächst einen marktreifen Markt für US-Unternehmen gewährleisten.Obwohl sie sich der japanischen Konkurrenz schmerzlich bewusst sind, diversifizieren sich die US-Chemieunternehmen in der Tat in Keramik. Du Pont, ein Chemieriese mit einem Jahresumsatz von 36 Milliarden US-Dollar, hat öffentlich erklärt, ein wichtiger Keramiklieferant zu sein. Ebenso Dow Chemical Co. und Koppers Co. Inc. Beteiligungen an Keramikunternehmen haben.

General Electric Co. investierte auch in das Potenzial von Keramik durch den Erwerb von zwei Werken von 3M Co. und Gründung von GE Ceramics im Jahr 1983.Aber um sicherzustellen, dass die fortschrittliche Keramikindustrie eine Stimme in Washington hat, haben US-Unternehmen im vergangenen Oktober die United States Advanced Ceramics Association gegründet. Die Gruppe strebt einen Standard-Industrieklassifizierungscode für hochentwickelte Keramik, einen technischen Beratungsausschuss des Handelsministeriums und den Schutz geistigen Eigentums für in diesem Land entwickelte Keramikprozesstechniken an.