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15 RAAbits Naturwissenschaften August 2015

1 von 32Natur und Technik Beitrag 5 Der Lebenszyklus eines Autos (Klassen 8–10)III

Von der Herstellung bis zum Recycling – der Lebenszyklus eines Automobils

Ein Beitrag von Günther Lohmer, Leverkusen

Das Automobil spielt für unsere Mobilität neben an-deren Verkehrsmitteln eine wichtige Rolle. Doch wel-che Ressourcen und Komponenten werden bei der Herstellung eines Automobils benötigt? Wie hoch ist die Energiemenge, die ein Pkw während seines Lebenszyklus verbraucht? Welche Rohstoffe lassen sich bei der Verschrottung eines Automobils dem Kreislauf wieder zuführen? Ihre Schüler nehmen die Bereiche Produktion, Herstellverfahren und Rohstof-fe, Ressourcenverbrauch, Recycling und die Um-weltbelastung durch das Automobil unter die Lupe. In einer Lernerfolgskontrolle können die Schüler ihr erworbenes Wissen überprüfen.

Welche Stationen durchläuft ein Auto im Her-stellungsprozess?

Mit Rätsel rund um das

Automobil!

Das Wichtigste auf einen Blick

Klassen: 8–10

Dauer: 10–12 Stunden

Kompetenzen: Die Schüler …

• sind in der Lage, die für den Autobaunotwendigen Rohstoffe zu benennen und deren Gewinnung zu beschreiben.

• können Treibstoffe aus erschöplichenEnergiequellen von Treibstoffen aus re-generativen Energiequellen unterschei-den.

• erkennen, dass moderne Automobileaus einer Vielzahl unterschiedlichster Bestandteile zusammengesetzt sind, die mittels moderner Recyclinganlagen wie-derverwertet werden können.

• können einschätzen, wie hoch die CO2-

Emissionen während eines Autolebens sind.

Aus dem Inhalt:

• Welche Rohstoffe werden für die Her-stellung eines Autos benötigt?

• WelcheSchrittesindnötig,umeinAutozu produzieren?

• WelcheTreibstoffartengibtes?

• LohntsichdieProduktionvonAutosausAluminium?

• Wie viel CO2 entsteht bei der Herstel-

lung eines Autos, während des Betriebs und im Recyclingprozess?

• Was passiert am Ende eines Autole-bens?

Beteiligte Fächer:Chemie Physik Biologie Umweltschutz Anteilhoch mittel gering

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http://www.netzwerk-lernen.de/::20041.html

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Der Lebenszyklus eines Autos (Klassen 8–10) Natur und Technik Beitrag 5

Rund um die Reihe

Warum wir das Thema behandeln

Das Auto ist in unserer heutigen mobilen Zeit nur sehr schwer aus dem Alltag wegzudenken. Zwischen dem ersten Automobil von 1886, dem Benz Patent-Motorwagen Nummer 1, und dem heutigen modernen Auto mit Klimaanlage, Mehrfach-Airbags, Abgasreinigung etc. lie-genjahrelangeEntwicklungsarbeiteninLaboratorienundProduktionsstätten.AuchdieChe-mie hat dazu beigetragen, dass unsere heutigen Autos leistungsstärker, sicherer, langlebiger und komfortabler geworden sind. Denken wir nur an die feuerverzinkten Bleche gegen Rost, die geregelten Abgaskatalysatoren, die Klimaanlagen und nicht zuletzt die spritsparenden Reifen. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über die zur Herstellung eines Automo-bils benötigten Komponenten und deren Herstellverfahren. Weiterhin werden Umweltaspekte bei der Herstellung, der Nutzung und bei der Entsorgung von Autos thematisiert.

Mithilfe des vorliegenden Materials setzen sich die Schüler gezielt mit dem Lebenszyklus ei-nes Autos auseinander und können dabei sowohl historische Fragen aufgreifen – wie war es damals – als auch aktuellen ökologischen Aspekten nachgehen. Die Motivation der Lernen-den für dieses vielschichtige Thema wird vor allem durch die Einbeziehung von Alltagserfah-

rungen und -beobachtungen gesteigert. Durch selbstständig durchgeführte Experimente in Kleingruppen wird das genaue Lesen, Beobachten und Zusammenfassen intensiv geschult. Des Weiteren führen der AustauschmitdenMitschülernsowiedieRelexiondesErlerntenmithilfe von Fragen und Rätseln zu einem dauerhaften und nachhaltigen Lerneffekt.

Was Sie zum Thema wissen müssen

Das Thema „Automobil“ eignet sich aufgrund seines Alltagsbezugs hervorragend für eine längereUnterrichtsreihe.NebendenpraxisrelevantenAspekten,z.B.„WannhaftetLackambesten?“ oder „Wieso haben Dieselmotoren keine Zündkerze?“, eignet sich das Thema, um verschiedene chemische Aspekte zu behandeln, z. B. „Worin unterscheiden sich Thermo-plaste, Duroplaste und Elastomere?“ Hinzu kommt, dass sowohl physikalische Themen (z. B.stoflichesRecycling)alsauchbiologische(z.B.dieHerstellungvonBioethanolalsTreib-stoff) fächerübergreifendaufgenommenwerdenkönnen.DerBereich„Umweltschutz“wirdan verschiedenen Stellen des Materials behandelt. Schätzte man in den Anfangsjahren des Automobilbaus aus Prestigegründen noch große, schwere Autos, geht der Trend heutzutage größtenteils zu leichteren Autos. Dabei gilt es, einen Kompromiss zwischen niedriger Masse undStabilitätsowieKomfortzuinden.IngenieureundChemikerentwickelnimmerwiederneue Werkstoffe und Verfahren, um die Autos spritsparender und sicherer zu konzipieren. Trotz aller Bemühungen, spritsparende und umweltfreundlichere Autos zu produzieren, darf nicht vergessen werden, dass sowohl die Fertigung von Autos als auch der Gebrauch des Autos unsere Umwelt schädigt. Sei es beispielsweise durch den Abbau von Erzen für die Fertigung der Karosserie oder die Ausbeutung von Erdölvorkommen für die Gewinnung von Treibstoff.

Exkurs: Die Entwicklung des Fließbands durch Henry Ford 1913 steigerte damals die Produk-tion um das Achtfache und ermöglichte es, dass der Preis drastisch reduziert werden konnte und ein Auto somit für viele Menschen erschwinglich wurde.

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Die Reihe im Überblick

·V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt

·D = Durchführungszeit Fo = Folie =ZusatzmaterialaufCD

Stunden 1/2: Aus welchen Rohstoffen besteht ein Auto?

Material Thema und Materialbedarf

M 1 (Fo) Aus welchen Materialien besteht ein Auto?

M 2 (Ab) Rohstoffe für den Autobau – Herkunft und Verwendung

Stunde 3: Kunststoffe im Auto


M 3 (Ab) Kunststoffe im Auto – hart, weich oder elastisch

Stunden 4/5: Die Automobilfertigung – vom Presswerk bis zur Endmontage


M 4 (Ab) Die Automobilfertigung im Gruppenpuzzle

M 4 (SV)

·V:10min

·D:15min

Experiment zur Haftung von Lack

FürdieGruppenarbeit:

Nagellackentferner

1 kleines Metallblech (Größe Visi-tenkarte)

1 Küchenkrepprolle

1 Dose mit Metalllack

1 Pinsel

gefettetes Metallblech (Größe Visi-tenkarte)

Alternative zum gefetteten Blech: Die Schüler stellen selbst ein gefette-tes Blech her.

1 Pinsel zum Auftragen von Fett

Fett, beispielsweise Margarine

Stunden 6/7: Das Automobil im täglichen Einsatz – Betrachtung verschiedener Energieträ-ger und Antriebsarten


M 5 (Ab) Das Automobil im täglichen Einsatz – Energieträger und Antriebsarten

Stunde 8: Umweltschutz – Eine kritische Betrachtung der Emissionen anhand der CO2- Frei-

setzung während eines Autolebens


M 6 (Ab) Die CO2-Emissionen während eines Autolebens

Stunde 9: Eine Gegenüberstellung – Stahlkarosserie versus Aluminiumkarosserie


M 7 (Ab) Lohnt sich die Herstellung von Autos aus Aluminium?

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Minimalplan

Die Zeit ist knapp? Dann beschränken Sie sich bei M 5 auf die Treibstoffarten Benzin sowie bei denregenerativenTreibstoffenaufBiodiesel.DerVersuchzumLackierenM4kannbeiZeit-mangel als Demonstrationsversuch von Ihnen als Lehrkraft durchgeführt werden.

Stunde 10: Am Ende eines Autolebens


M 8 (Ab) Was passiert am Recyclinghof? – Wertstofftrennung und -verwertung

Stunde 11: Allerhand Wissenswertes über das Automobil – teste dein Wissen


M 9 (Ab)Rätselreise rund um das Automobil

AufderCDindenSieeinefarbigeVersiondesKreuzworträtsels.

Mein Lexikon – alle Fachbegriffe von A bis Z

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7 von 32Natur und Technik Beitrag 5 DerLebenszykluseinesAutos(Klassen8–10)III

M 1Aus welchen Materialien besteht ein Auto?


© Thinkstock / iStock

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Mitarbeiter im Karosseriebau – wo aus einzelnen Teilen eine stabile Karosserie wird

Im zweiten Schritt der Automobilfertigung gilt es, die unterschiedlichen Blechteile aus dem Presswerk miteinander zur Karosserie zu ver-binden. Mehr als 100 verschiedene Teile aus Stahl und Aluminium sind dafür nötig. Die Tei-le werden auf unterschiedliche Art und Weise miteinander verbunden. Zum Einsatz kommen Verfahren wie Kleben, Nieten, Verschrauben sowie Schweißen. Industrieroboter überneh-men diese Tätigkeiten im Wesentlichen. Der Mechanisierungsgrad in der Karosserieferti-gung beträgt über 95 %.

Wusstest du schon, dass …

…einevollständigeKarosseriebiszu4.700Schweißpunktehat?Hinzukom-men Löt- und Schutzgasschweißnähte sowie verschiedene Gewindebolzen.

… jedes „Rohauto“ über einen elektronischen Transponder verfügt, der alle für den Verarbeitungsprozess relevanten Informationen besitzt? So wissen beispielsweise die Schweißroboter, welche Karosserie sie an welcher Stelle schweißen müssen.

Aufgaben

Für die Expertengruppe:

LesteuchdenTextzunächstalleingründlichdurchundnotierteuchinStichpunktendieInfor-mationen. VergleichteureStichpunktedann inderExpertengruppeundeinigteuchaufdiewesentlichen Informationen.

ErstellteineListe: Welche Möglichkeiten gibt es, die einzelnen Blechteile miteinander zu ver-binden? Welche Methode gehört zu den lösbaren, welche zu den nicht-lösbaren Verbindun-gen?

Wenn eure Gruppe noch Zeit hat, dann schaut euch auf der nachfolgenden Seite unter der Rubrik Automobilfertigung Karosseriebau die jeweiligen Arbeitsschritte an. Das Auswahl-menübeindetsichlinksaufderWebsite:

www.bmwgroup.com/bmwgroup_prod/d/0_0_www_bmwgroup_com/produktion/fahrzeug-fertigung/automobilfertigung/erlebnis_produktion/prod_prozesse.shtml

Für die gemischte Gruppe:

Jedes Gruppenmitglied stellt zunächst seinen Fertigungsschritt kurz vor. Gestaltet dann mit den euch zur Verfügung stehenden Materialien ein Plakat, auf dem ihr die gesammelten Infor-mationen zusammentragt.

Schweißroboter in der Karosseriefertigung

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Mitarbeiter in der Lackiererei – Schutz gegen Sonne, Wind und Regen

Neben dem Design ist die Farbe eines Autos für viele Besitzer sehr wichtig. Die Lackierung eines modernen Autos besteht aus verschiedenen Schichten. Um eine perfekte Lackierung zu erhalten, sind zahlreiche aufeinander abgestimmte Schritte notwendig. Feinde jeder La-ckierung sind Schmierstoffe, Öle und Fette. Diese müssen vor dem ersten Schritt sorgfältig entfernt werden, da der Lack sonst nicht richtig haftet.

Zuerst geht die fertig zusammengeschweißte Karosserie mehrmals in ein Tauchbad, welches Zusätze enthält, um unerwünschte Stoffe zu entfernen. Anschließend erhält die Karosserie als unterste Schicht der Lackierung eine Zink-Phosphat-Beschichtung, um zu verhindern, dass die Karosserie an beschädigten Stellen später rostet. Außerdem dient die Beschichtung als Haftgrund für die nun folgende Lackschicht.

Mithilfe der Kathodischen Tauchlackierung (KTL)erhält die Karosserie einen weiteren Korrosions-schutz und die Haftgrundierung für den nächsten Lackierschritt. Bei der KTL handelt es sich um ein elektrochemisches Verfahren, bei dem die negativ geladene Karosserie in ein Becken mit Lack ein-taucht. Das Becken dient als Gegenelektrode und ist positiv geladen. Die im Becken befindlichen po-sitiv geladenen Lackteilchen bleiben an der negativ geladenen Karosserie haften.

Der anschließende Trocknungsprozess sorgt für eine chemische Reaktion, die eine dauerhafte Aushärtung der Grundierung gewährleistet. Als nächste Schicht erhält die Karosserie den so-genannten Füller, dessen Dicke zwischen 25 und 30 µm liegt. Der Füller gleicht kleine Uneben-heiten aus, dient aufgrund seiner Elastizität als Steinschlagschutz und sorgt für eine bessere Salzwasserbeständigkeit.

Erst im Anschluss erhält die Karosserie die eigentlich farbgebende Schicht, den Basislack. EbensowiederFüllererfolgtauchhierderAuftragdurchelektrostatischeAuladung.Dieletz-te Lackschicht bildet der Klarlack. Er schützt die unteren Lackschichten vor Wind und Wetter sowie gegen mechanische Beschädigungen. Der Klarlack stellt die härteste Lackschicht dar.

Aufgaben

Für die Expertengruppe:

Lest euchdenTextzunächstalleingründlichdurchundnotierteuchinStichpunktendieInfor-mationen. VergleichteureStichpunktedann inderExpertengruppeundeinigteuchaufdiewesentlichen Informationen.

ErstellteineListe: Wie heißt die unterste Lackschicht und wozu dient diese? Mit welchem Ver-fahren wird die Haftgrundierung auf die Karosserie aufgebracht?

Wenn eure Gruppe noch Zeit hat, dann schaut euch auf der nachfolgenden Seite unter der Rubrik Automobilfertigung Lackiererei die jeweiligen Arbeitsschritte an. Das Auswahlmenü beindetsichlinksaufderWebsite:

www.bmwgroup.com/bmwgroup_prod/d/0_0_www_bmwgroup_com/produktion/fahrzeug-fertigung/automobilfertigung/erlebnis_produktion/prod_prozesse.shtml

Für die gemischte Gruppe:

Jedes Gruppenmitglied stellt zunächst seinen Fertigungsschritt kurz vor. Gestaltet dann mit den euch zur Verfügung stehenden Materialien ein Plakat, auf dem ihr die gesammelten Infor-mationen zusammentragt.

Kathodische Tauchlackierung der Karosserie

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DerLebenszykluseinesAutos(Klassen8–10) Natur und Technik Beitrag 5

M 8 Was passiert am Recyclinghof? – Wertstofftrennung und -verwertung

Wie du bereits gelernt hast, stecken in einem Auto viele wert-

volle Ausgangsmaterialien, die am Ende der Nutzungsdauer

nach Möglichkeit wiederverwertet werden sollten. Seit 2006

müssen mindestens 85 % des durchschnittlichen Gewichts

eines Altfahrzeugs recycelt werden. Diese Quote wurde ab

2015 auf 95 % erhöht. Dies bedeutet, dass nur noch 5 % eines

Altfahrzeugs als Restmüll deponiert werden dürfen. Um die-

ses Ziel zu erreichen, bemüht sich die Automobilindustrie, re-

cyclingfähige Autos zu bauen. In diesem Zusammenhang sei

auch auf die Automobilrecyclingbranche hingewiesen, die vor dem Verschrotten funktionsfä-

hige Teile aus Autos ausbaut, säubert, aufbereitet und anschließend an Autowerkstätten oder

Autobastler weiterverkauft. Klassische Beispiele sind generalüberholte Austauschmotoren

und -getriebe. Autoteile, die nicht mehr für eine Wiederverwertung als gebrauchte Ersatzteile

geeignet sind, werden systematisch vorbehandelt und dann dem jeweiligen Recyclingprozess

zugeführt.BeimRecyclingunterscheidetmanfolgendedreiArten:

• (Werk)Stoffliches Recycling, auch als physikalisches Recycling bezeichnet. Hierbei

handelt es sich oftmals um das Einschmelzen des Werkstoffs. Der chemische Aufbau

bleibt unverändert und der Werkstoff kann größtenteils ohne nennenswerte Verluste

wieder eingesetzt werden.

• Rohstoffliches Recycling, auch als chemisches Recycling bezeichnet. Bei dieser Art von

Recycling zerlegt man die Werkstoffe in ihre Ursprungsstoffe. Diese stehen dann als

Rohstoffe für neue Synthesen wieder zur Verfügung.

• Thermisches Recycling, auch als energetisches Recycling bezeichnet. Hierunter ver-

steht man die Verbrennung des Werkstoffs. Die dabei freiwerdende Energie dient zu

Heizzwecken.

Recyclingschritte

Als erster Schritt erfolgt die Zündung sämtlicher Airbags, inklusi-

ve der Gurtstraffer. Anschließend werden alle Flüssigkeiten aus ei-

nem Auto abgelassen beziehungsweise abgesaugt und fachgerecht

getrennt. Hierunter fallen Treibstoffe, Betriebsöle, das Wasser aus

dem Kühler und der Scheibenwaschanlage. Ferner, soweit vorhan-

den,mussdasKühlmittelausderKlimaanlage,dasFCKWenthält,gesondert behandelt werden. Die Flüssigkeiten werden in spezi-

ellen Betrieben aufbereitet oder verwertet. Auch die Batterie wird

aufgrundihrerInhaltsstoffe(Blei,Schwefelsäure)vordereigentli-chen Demontage ausgebaut und der Aufbereitung zugeführt.

Reifen

Die Reifen werden demontiert und zerlegt. Der im Reifen ent-

haltene Stahlgürtel und dieTextilkarkasse werden entfernt.Der zurückbleibende Gummi wird zerkleinert und beispiels-

weise zur Herstellung von elastischen Böden wiederverwen-

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