Von der Zuckerrübe zum Zahnriemen: Biopolymere im Antrieb

Wie aus nachwachsenden Rohstoffen leistungsfähige Zahnriemen mit Biofaktor entstehen.

1. Warum Nachhaltigkeit auch bei Zahnriemen an Bedeutung gewinnt

Zahnriemen sind die stillen Helden der Antriebs- und Fördertechnik: Sie arbeiten präzise, effizient und zuverlässig – und spielen zunehmend auch im Bereich nachhaltiger Zahnriemenlösungen eine Rolle. Sie sind entscheidend für die Funktionsgenauigkeit, Stabilität und Verfügbarkeit unzähliger Produktionsprozesse in der Industrie. Und sie sind dabei oft extremen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen ausgesetzt.

Angesichts des globalen Wandels hin zu mehr Klimaschutz, Ressourcenschonung und zirkulärer Wertschöpfung steht auch bei Zahnriemen und Förderbändern die Frage nach nachhaltigen Werkstoffen immer mehr im Fokus.

Die Antriebstechnik steht dabei beispielhaft für die Herausforderung der gesamten Industrie: Auf der einen Seite der Bedarf an zuverlässigen, belastbaren und langlebigen Komponenten, auf der anderen der wachsende Druck, ökologisch nachhaltige Lösungen zu finden. Können Zahnriemen aus nachwachsenden Rohstoffen gefertigt werden, ohne dadurch an Leistung zu verlieren? Die Antwort scheint vielversprechend: Biobasierte Polymere, also Kunststoffe, die aus pflanzlichen Quellen gewonnen werden, könnten eine materialtechnische Brücke zwischen Effizienz und Umweltverträglichkeit schlagen.

In diesem Artikel werden folgende Fragen beleuchtet:

2. Was sind biobasierte Polymere?

Biobasierte Polymere unterscheiden sich von konventionellen Kunststoffen durch ihre Herkunft. Während klassische Polymere überwiegend auf petrochemischen Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas basieren, entstehen biobasierte Varianten ganz oder teilweise aus erneuerbaren Rohstoffen. Das bedeutet: Der enthaltene Kohlenstoff stammt aus Pflanzen, zum Beispiel aus Zuckerrüben, Mais, Zuckerrohr oder Rizinusöl.

Wichtig ist die Unterscheidung zu biologisch abbaubaren Kunststoffen: Biobasiert bedeutet nicht automatisch kompostierbar. Ein Kunststoff kann vollständig biobasiert sein und trotzdem nicht biologisch abbaubar – und umgekehrt. Für technische Anwendungen wie Zahnriemen ist die biologische Abbaubarkeit ohnehin zweitrangig, da die Produkte über viele Jahre im Einsatz bleiben. Entscheidend ist hier vielmehr die CO2-Bilanz und die Ressourcenschonung während der Herstellung.

Beispiele für biobasierte Polymere sind:

Insbesondere biobasierte TPUs gelten als Schlüsselmaterial für technische Bauteile wie Zahnriemen. Sie lassen sich in gängigen Extrusions- und Gießverfahren verarbeiten, sind chemikalien- und temperaturbeständig und gewinnen zunehmend an Bedeutung in der umweltfreundlichen Antriebstechnik.

3. Einsatzpotenziale in der Zahnriementechnik

Ein Zahnriemen ist mehr als nur ein flexibles Bauteil. Er ist mechanisch und thermisch hochbelastet und muss dabei wartungsarm, langlebig und präzise arbeiten. In vielen Anwendungen kommt es auf eine exakte Positionierung an, etwa bei Linearantrieben, CNC-Maschinen oder Verpackungsprozessen. Zudem muss er Vibrationen ausgleichen, hohe Beschleunigungen aushalten und auch in öligen, nassen oder staubigen Umgebungen oder bei Temperaturschwankungen uneingeschränkt funktionieren.

Um diesen Anforderungen zu genügen, bestehen hochwertige Zahnriemen aus komplexen Materialkombinationen: einem Zugträger (meist Stahl-, Glas- oder Aramidcord), einem tragenden Elastomer (häufig Polyurethan oder Chloropren-Kautschuk) sowie einer verschleißfesten Zahnbeschichtung. Biobasierte Polymere – insbesondere Bio-TPU – können hier zunehmend klassische Polyurethane ersetzen.

Erste industrielle Lösungen zeigen: Nachhaltige Zahnriemen mit einem TPU-Biobasierungsgrad von über 45 % lassen sich in gängigen Zahnriemenprofilen verarbeiten. Die mechanischen Eigenschaften wie zum Beispiel Zugfestigkeit, Weiterreißfestigkeit und Rückstellkraft sind mit konventionellem TPU vergleichbar. Auch in Eigenschaften wie Abriebfestigkeit, Dauerbiegefestigkeit und Kerbschlagzähigkeit erreichen biobasierte TPU-Werkstoffe zum Teil ähnliche Werte. Allerdings zeigen sich bei Langzeitbeanspruchung mit starker Hitzeeinwirkung, UV-Strahlung oder dem Kontakt mit aggressiven Chemikalien noch Unterschiede in der Stabilität. Hieran wird aktuell intensiv geforscht. Gleichzeitig belegen Emissionsdaten eine deutlich niedrigere CO2-Bilanz bei der Herstellung von Zahnriemen auf Basis biobasierter TPU.

Auch thermoplastische Elastomere auf Basis von PA11 zeigen gute Ergebnisse, insbesondere wenn sie mit Zahnscheiben kombiniert werden, deren Geometrie, Material oder Oberflächenbehandlung speziell auf die Eigenschaften des biobasierten Werkstoffs abgestimmt ist.

4. Nachhaltigkeit analysiert: CO2-Bilanz, Ressourcen & Kreislaufchancen

Der ökologische Vorteil biobasierter Polymere liegt vor allem in ihrer Rohstoffbasis: Nachwachsende Pflanzen nehmen während ihres Wachstums CO₂ aus der Atmosphäre auf. Dieses Kohlenstoffdioxid wird erst am Lebensende des biobasierten Bauteils wieder freigesetzt – der Kreislauf ist weitgehend klimaneutral, sofern die Pflanzen nachhaltig angebaut wurden.

Life Cycle Assessments (systematische Analysen der Umweltauswirkungen eines Produkts über dessen gesamten Lebenszyklus hinweg – also von der Rohstoffgewinnung über Herstellung, Nutzung und Entsorgung bis zum Recycling) zeigen, dass biobasierte Polyurethane im Vergleich zu petrochemischen Varianten bis zu 50 % weniger Treibhausgase verursachen. Der Energiebedarf bei der Herstellung ist ähnlich oder leicht reduziert, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen sinkt deutlich. Hinzu kommt: Biobasierte Werkstoffe eröffnen neue Möglichkeiten für eine Kreislaufwirtschaft in der ökologischen Fördertechnik, beispielsweise durch thermisches Recycling, werkstoffliche Rückgewinnung oder ihren gezielten Einsatz in ressourcenschonend konzipierten Anlagen.

Kritische Punkte sind:

Allerdings zeigen neuere Entwicklungen, dass Reststoffe, Algen oder lignozellulosehaltige Nebenprodukte zunehmend als Rohstoffbasis genutzt werden können. Letztere umfassen pflanzliche Rückstände wie Stroh, Holzreste oder Bagasse (Zuckerrohr-Rückstand), die reich an Zellulose, Hemizellulose und Lignin sind und nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen.

Auch sogenannte Drop-in-Lösungen gewinnen an Bedeutung. Dabei handelt es sich um biobasierte Varianten konventioneller Polymere, die genauso verarbeitet und verwendet werden können wie ein fossiles TPU und daher keine komplexen Umstellungen in der Produktion erfordern.

5. Forschung & Entwicklung

Deutschland investiert ebenso wie andere EU-Mitgliedstaaten massiv in die Entwicklung biobasierter Materialien – insbesondere im Rahmen strategischer Forschungsfelder wie der Fraunhofer-Bioökonomie-Initiative. Die Fraunhofer-Institute IFAM, IAP, ICT und IGB beschäftigen sich mit der biotechnologischen Synthese, der Charakterisierung (also der systematischen Untersuchung der Materialeigenschaften) sowie der Verarbeitung biobasierter Polymere. Wichtige Fragestellungen sind dabei:

Darüber hinaus laufen zahlreiche EU-Projekte unter dem Dach des CBE-Joint Undertaking (Circular Bio-based Europe), die biobasierte Anwendungen in der Industrie unterstützen. Erste Pilotanlagen zur Serienproduktion von Bio-TPU sind bereits aktiv, unter anderem in Frankreich, Belgien und Deutschland. Auch die Automobil- und Verpackungsindustrie testen biobasierte Zahnriemenlösungen in ersten Funktionsprototypen.

6. Ein Blick in die Zukunft

Der Umstieg auf biobasierte Werkstoffe erfolgt nicht von selbst, sondern erfordert gezielte Planung, Koordination und technologische Weiterentwicklung. Für Zahnriemen bedeutet das:

In einigen Jahren könnten biobasierte Zahnriemen nicht nur eine ökologische Nische bedienen, sondern zum Industriestandard werden – etwa als Grundlage für klimaneutrale Komponenten in der Förder- und Antriebstechnik, in Verbindung mit klimaneutralen Fabriken, energieeffizienter Fördertechnik oder nachhaltigen Robotiklösungen.

7. Fazit & Ausblick

Die Entwicklung biobasierter Zahnriemen zeigt eindrucksvoll: Nachhaltigkeit und Hochleistung schließen sich nicht aus. Im Gegenteil – sie ergänzen sich. Die Verbindung aus technischer Performance, klimafreundlicher Rohstoffbasis und wachsender Marktreife macht biobasierte Polymere zu einem Zukunftswerkstoff für nachhaltige Antriebssysteme und ökologisch ausgerichtete Maschinenkonzepte.

Es lohnt sich auf jeden Fall, den Einsatz von biobasierten Alternativen schon frühzeitig zu prüfen. Neben dem positiven Umwelteffekt sprechen auch steigende Kundenerwartungen und neue gesetzliche Vorgaben für einen gezielten Wechsel zu nachhaltigeren Werkstoffen. Biobasierte Zahnriemen bieten die Chance, bewährte Technik mit zeitgemäßen Ressourcen zu verbinden und den Maschinenbau damit ein Stück nachhaltiger zu gestalten.

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