Fortschrittliche Materialien sind für die Steigerung des Kraftstoffverbrauchs moderner Automobile bei gleichzeitiger Wahrung von Sicherheit und Leistung von entscheidender Bedeutung. Da die Beschleunigung eines leichteren Objekts weniger Energie erfordert als die eines schwereren, bieten Leichtbaumaterialien ein großes Potenzial zur Steigerung der Fahrzeugeffizienz. Eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % kann zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 6 bis 8 % führen. Durch den Ersatz von Gusseisen- und herkömmlichen Stahlkomponenten durch Leichtbaumaterialien wie hochfesten Stahl, Magnesiumlegierungen (Mg), Aluminiumlegierungen (Al), Kohlefasern und Polymerverbundwerkstoffen kann das Gewicht der Karosserie und des Fahrgestells eines Fahrzeugs direkt um bis zu 50 % reduziert werden Prozent und reduzieren so den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs. Durch den Einsatz von Leichtbaukomponenten und hocheffizienten Motoren, die durch fortschrittliche Materialien ermöglicht werden, in einem Viertel der US-Flotte könnten bis 2030 jährlich mehr als 5 Milliarden Gallonen Kraftstoff eingespart werden.
Durch die Verwendung leichter Strukturmaterialien können Autos mit zusätzlichen fortschrittlichen Emissionskontrollsystemen, Sicherheitsvorrichtungen und integrierten elektronischen Systemen ausgestattet werden, ohne das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu erhöhen. Während jedes Fahrzeug leichte Materialien verwenden kann, sind sie besonders wichtig für Hybrid-Elektro-, Plug-in-Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeuge. Durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien in diesen Fahrzeugen kann das Gewicht von Antriebssystemen wie Batterien und Elektromotoren ausgeglichen werden, wodurch die Effizienz verbessert und die rein elektrische Reichweite erhöht wird. Alternativ könnte die Verwendung leichter Materialien dazu führen, dass eine kleinere und kostengünstigere Batterie erforderlich ist und gleichzeitig die rein elektrische Reichweite von Plug-in-Fahrzeugen konstant bleibt.
Forschung und Entwicklung im Bereich Leichtbaumaterialien sind von entscheidender Bedeutung, um deren Kosten zu senken, ihre Recyclingfähigkeit zu erhöhen, ihre Integration in Fahrzeuge zu ermöglichen und ihre Vorteile beim Kraftstoffverbrauch zu maximieren.
Das Vehicle Technologies Office (VTO) arbeitet auf vier Arten an der Verbesserung dieser Materialien:
Verbesserung des Verständnisses der Materialien selbst durch Modellierung und rechnergestützte Materialwissenschaft
Verbesserung ihrer Eigenschaften (wie Festigkeit, Steifigkeit und Duktilität)
Verbesserung ihrer Herstellung (Materialkosten, Produktionsrate oder Ausbeute)
Entwicklung von Legierungen aus fortschrittlichen Materialien
Kurzfristig kann der Ersatz schwerer Stahlkomponenten durch Materialien wie hochfesten Stahl, Aluminium oder glasfaserverstärkte Polymerverbundstoffe das Komponentengewicht um 10–60 Prozent senken. Wissenschaftler verstehen bereits die Eigenschaften dieser Materialien und die damit verbundenen Herstellungsprozesse. Forscher arbeiten daran, ihre Kosten zu senken und die Prozesse zum Verbinden, Modellieren und Recyceln dieser Materialien zu verbessern.
