Riesensprünge in der Fahrzeugtechnik lassen Träume aufkommen: fliegende Autos, Sonnenmobile, die ausschließlich mit Solarenergie betrieben werden, oder von Gyroskopen im Gleichgewicht gehaltene Zweirad-Hubschrauber. Aber der Weg zu saubereren Autos wird in winzigen Schritten zurückgelegt. Es gibt einen Platz für rein elektrische und sogar teilautonome Fahrzeuge, aber Verbesserungen an Konstruktionen, die Benzin verbrennen, werden einen Großteil der Kraftstoffeinsparungen bringen, die in den kommenden Jahrzehnten erwartet werden.
Fresser sind auf dem Weg nach draußen. In diesem Frühjahr stieg der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch aller neu gekauften Autos nach einer Analyse des Transportation Research Institute (UMTRI) der University of Michigan auf 24, 6 Meilen pro Gallone. Der Kraftstoffverbrauch wird mit Sicherheit noch weiter steigen: Bis 2025 fordern die nationalen Normen, dass die Autohersteller einen Flottendurchschnitt von mindestens 54, 5 Meilen pro Gallone für Pkw und leichte Lastkraftwagen erreichen.
Ein sparsamerer Kraftstoffverbrauch kann dazu beitragen, den Ölverbrauch und die mehr als 1, 5 Milliarden Tonnen Treibhausgasemissionen zu senken, die US-amerikanische Straßenfahrzeuge jährlich ausstoßen. Und obwohl Pkw und Lkw mit dem besten Kraftstoffverbrauch häufig mit einem Aufschlag verkauft werden, können Autofahrer mit einer verbesserten Kraftstoffverbrauchsleistung Geld an der Pumpe sparen, an der ein typischer amerikanischer Haushalt derzeit etwa 4 Prozent seines Jahreseinkommens ausgibt.
Wenn die Benzinpreise 4 US-Dollar pro Gallone überschreiten, ist der Kraftstoffverbrauch eine der wichtigsten Faktoren, die beim Kauf eines Fahrzeugs berücksichtigt werden, sagt Bruce Belzowski, ein Forscher bei UMTRI. Die Preise haben sich national um diese Marke bewegt - obwohl der nationale Durchschnitt sie seit 2008 nicht überschritten hat - und die Käufer zeigen Appetit auf eine bessere Kraftstoffökonomie. "Die Verbraucher könnten sagen:" Wir müssen mehr aus diesem Tank herausholen ", sagt Belzowski.
Einem aktuellen Bericht des National Research Council zufolge ist es technisch machbar, den Kraftstoffverbrauch und die Treibhausgasemissionen von Kraftfahrzeugen bis 2050 um 80 Prozent gegenüber 2005 zu senken. Eine Verbesserung der Effizienz konventionell angetriebener Fahrzeuge allein reicht jedoch nicht aus, um solch dramatische Einsparungen zu erzielen. Autos müssten im Durchschnitt erstaunliche - und äußerst unwahrscheinliche - 180 Meilen pro Gallone erreichen, um dieses Ziel allein aufgrund von Effizienzgewinnen zu erreichen. Hier kommen alternative Kraftstoffe und vollelektrische Fahrzeuge ins Spiel.
Unabhängig von der Stromquelle müssen alle Fahrzeuge effizienter werden, wenn diese Ziele erreicht werden sollen. Eine Verbesserung der Effizienz der Fahrzeuge, die mit Erdöl betrieben werden, könnte jedoch kurzfristig die größten Auswirkungen haben. Diese Autos machen heute die überwiegende Mehrheit der Fahrzeuge auf der Straße aus und verbrauchen ungefähr ein Drittel des in den Vereinigten Staaten verwendeten Öls. Und es gibt viel Raum für Verbesserungen, denn nur ein Viertel des Kraftstoffs, den die heutigen Autos verbrauchen, wird tatsächlich benötigt, um sie die Straße entlang zu bewegen. Der größte Teil des Restes geht als Wärme im Motor verloren. Die Minimierung des Arbeitsaufwands eines Gasmotors ist eine der einfachsten und kostengünstigsten Möglichkeiten, Kraftstoff zu sparen. Wissenschaftler, Forscher und Automobilhersteller glauben, dass dies durch mehrere Strategien erreicht werden kann, von denen viele im Folgenden katalogisiert sind:
Neue Reifentechnologie
Das Optimieren von Reifendesigns kann auch Vorteile bringen, indem der Rollwiderstand verringert wird oder die Kraft, die durch das Abflachen eines Reifens beim Rollen auf der Straße verursacht wird. Radfahrer wissen, dass ein platter Reifen spürbar mehr Beinarbeit erfordert, um an einem ansehnlichen Clip entlang zu rollen. In ähnlicher Weise kann die Minimierung des Abflachens oder der Verformung eines Autoreifens durch fortschrittliche Materialien und Konstruktionen die Energiemenge reduzieren, die erforderlich ist, um das Rollen zu halten.
Motoreninnovationen
Die dramatischsten Verbesserungen werden jedoch wahrscheinlich von Änderungen am Motorgetriebe herrühren, sagt Alan Crane, leitender Wissenschaftler im Ausschuss für Energie- und Umweltsysteme des Nationalen Forschungsrats und Studienleiter für den NRC-Bericht. Getriebe mit einer höheren Drehzahl, Doppelkupplungsgetriebe und reibungsmindernde Beschichtungen könnten dazu beitragen, dass die Motoren effizienter laufen und weniger Energie verbrauchen.
Eine Technologie, die als Zylinderdeaktivierung bekannt ist, ist eine Option für Autohersteller, die ein weniger durstiges Produkt wünschen. Dies tötet im Wesentlichen den halben Motor, wenn er nicht benötigt wird - zum Beispiel während einer Autobahnfahrt -, hält aber die zusätzliche Leistung für Beschleunigungen, große Anstiege, Bootstransporte oder andere Situationen, die einen leistungsstärkeren Motor erfordern, bereit. „Sie wechseln also vom Sechszylinder zum Dreier“, sagt Brandon Schoettle, Forscher bei UMTRI. Wenn Sie mit weniger Zylindern fahren, haben die Fahrer beide Möglichkeiten. Dabei wird die Leistung bei Bedarf priorisiert und die Wirtschaftlichkeit bei Nichtbeachtung.
Die Verkleinerung des Motors ist eine weitere Möglichkeit, die Effizienz zu steigern, und muss nicht mehr auf Kosten der Leistung gehen. In herkömmlichen Gasautos nimmt der Verbrennungsmotor ein Gemisch aus Benzin und Luft in einen Zylinder auf. Ein Kolben bewegt sich nach oben, um dieses Gemisch zu komprimieren, und ein Funke zündet es, wodurch eine Explosion erzeugt wird, die den Kolben nach unten treibt. Ein Ventil öffnet sich, damit das Abgas den Zylinder verlässt, und der Zyklus beginnt erneut: Einlass, Kompression, Verbrennung, Abgas. Durch die Turboaufladung, die zusätzliche Luft in die Zylinder eines Motors drückt, können kleinere Motoren mit jeder dieser winzigen Explosionen mehr Leistung erzeugen.
Kleiner bedeutet in der Regel leichter, und eine Gewichtsreduzierung um 10 Prozent führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um etwa sieben Prozent, stellt Crane fest. Bis 2050, so der NRC-Bericht, könnten Autos 40 Prozent weniger wiegen. "Das ist sogar ohne viel [leichte] Kohlefaser", sagt Crane. "Im Moment ist fast alles im Auto nur Stahl."
Ersetzen von schwerem Stahl
Eisen- und Stahllegierungen machen etwa 45 Prozent des Gewichts der meisten Autos aus. Zunehmend können jedoch fortschrittliche Materialien in Form von Puzzles angewendet werden, wobei leichte Teile an verschiedenen Stellen in der Stahlkonstruktion eingesetzt werden. „Sie können die kritischen Teile verstärken“, sagt Bill Reinert, nationaler Manager für Fahrzeuge mit fortschrittlicher Technologie bei Toyota. Hochfeste Stähle werden als dünnere, stärkere Alternativen zu gewöhnlichem Stahl eingetauscht, und der Aluminiumgehalt steigt. Kohlefaser- und Magnesium-Verbundwerkstoffe sind heutzutage relativ teure und schwierig zu bearbeitende Werkstoffe, aber später könnten sie dazu beitragen, das Gewicht einiger Komponenten um bis zu 75 Prozent zu senken.
Gewichtsverlust kann auch Dominoeffekte haben, da nur wenige Teile eines Autos isoliert fahren. "Wenn Sie 100 Pfund sparen können, können Sie möglicherweise auf einen leichteren, kleineren Motor umsteigen oder die Größe der Bremsen reduzieren", sagt Crane. Ein kleinerer Motor kann wiederum einfach weniger Material unter der Haube bedeuten, was mehr Flexibilität für das aerodynamische Design ermöglicht und zu einem noch besseren Wirkungsgrad führt.
Optimierte Teilefertigung
Fortschritte im computergestützten Design erleichtern es, einzelne Teile und Systeme für ein gewünschtes Ergebnis zu optimieren. "Die Werkzeuge verbessern sich", sagt Crane. "Wenn sich [Autohersteller] eine Überarbeitung für ein Auto einfallen lassen, können sie viel mehr Informationen in den Computer einspeisen und herausfinden, was die besten Kompromisse für den Kraftstoffverbrauch und andere Faktoren sind."
Optimierungen an den Kurven und Winkeln eines Autos und die Hinzufügung von aktiven Grillklappen, die den Luftstrom blockieren, wenn er nicht für die Motorkühlung benötigt wird, können bis zu 5 Prozent des Luftwiderstands eines Autos bei hohen Geschwindigkeiten minimieren, was ausreicht, um das Gewächshaus eines Fahrzeugs zu reduzieren Gasemissionen um etwa 1 Gramm pro Meile und zusätzliche Kraftstoffersparnis. Aber äußere Veränderungen müssen nicht dramatisch sein, damit Autos 50 oder mehr Meilen pro Gallone erreichen. Ein Kraftstoff-Sipper der Zukunft, sagt Crane, "sollte so ziemlich wie aktuelle Fahrzeuge aussehen."
Bei näherer Betrachtung oder bei einer Drehung hinter dem Lenkrad können sich jedoch einige Unterschiede ergeben. „Weil es deutlich leichter ist, fühlt sich [ein effizienteres Auto der Zukunft] möglicherweise etwas anders an. Es wird besser funktionieren, es wird besser um eine Ecke peitschen “, sagt Crane. Bei der Analyse der möglichen Wege zu diesen 2050-Zielen ging das NRC-Team davon aus, dass die Fahrzeuge mehr oder weniger in ihrer derzeitigen Form weiterfahren würden. Diese Autos werden "etwas windgepeitschter aussehen", sagt Crane, aber nichts Radikales. Fahrzeuge "werden nicht kleiner oder so weit zurückgefegt, dass Sie niemanden auf den Rücksitz setzen können."
Eine helfende Hand von Computern
Mehr als ein Jahrzehnt nach der Einführung des Prius in den USA machen Hybriden immer noch nur einen winzigen Teil des gesamten Automobilmarktes aus - etwa drei Prozent der in den USA verkauften Fahrzeuge. Ein Teil der Technologie heutiger Hybride könnte jedoch dazu beitragen, dass ein breiter Teil der Autos von morgen eine bessere Laufleistung erzielt. Eines der wichtigsten Elemente ist die Start-Stopp-Technologie, die den Motor bei stehendem Fahrzeug abstellt und beim Betätigen des Gaspedals erneut startet.
Bei Hybriden wird dies häufig mit einem regenerativen Bremsen kombiniert, bei dem die kinetische Energie beim Bremsen und Verlangsamen genutzt wird, um eine Batterie aufzuladen. Der gespeicherte Strom kann dann zum Neustarten des Motors verwendet werden. "Regeneratives Bremsen und Start-Stopp werden in den nächsten Jahren im Grunde genommen sehr verbreitete Konstruktionselemente sein", sagt Crane.
Wenn es um den Kraftstoffverbrauch geht, ist natürlich auch das Fahrerverhalten von Bedeutung. Der Unterschied im Kraftstoffverbrauch zwischen einem aggressiven Fahrer mit bleifreiem Fuß und einem konservativen Fahrer mit geradem Kiel kann bis zu 20 Prozent betragen. Bis zu einem gewissen Grad könnte die Technologie die Fahrer von ihren eher verschwenderischen Tendenzen abbringen. Während es unwahrscheinlich ist, dass autonomes Fahren zu fahrerlosen Autos führt, sagte der Geschäftsführer von Renault-Nissan, Carlos Ghosn, kürzlich auf einer Veranstaltung an der Stanford University: „Sie werden eine Menge Autos mit sehen weniger Eingaben vom Fahrer. “Diese Fahrzeuge können auf Kraftstoffverbrauch und effizientes Routen optimiert werden.
In fernerer Zukunft könnten Kreuzungen Orte sein, an denen Autos so programmiert sind, dass sie langsamer fahren und sich durch die Straßen schlängeln, anstatt auf die Bremsen zu treten oder durch Kreisverkehre zu navigieren, schlägt UMTRI Schoettle vor. "Wenn niemand anhält, haben Sie den Kraftstoffverbrauch gesenkt", stellt er fest.
"Es wäre großartig, wenn es eine magische Kugel gäbe", sagt Toyotas Reinert - eine Technologie, die ein schmutziges Auto sauber machen könnte, ohne dass wir jemals einen Unterschied in Leistung, Auswahl, Komfort oder Preis bemerken. Die Realität ist, dass mehrere Technologien in den richtigen Kombinationen einen großen Beitrag zur Reinigung unserer Fahrzeuge leisten können. "All diese Dinge sind klein", sagt Reinert, "aber es summiert sich alles."
