Hitting the Books: Warum Amerika einst sein Benzin führte

Motorklopfen, bei dem Kraftstoff ungleichmäßig entlang der Zylinderwand entzündet wird, was zu schädlichen Stoßwellen führt, ist ein Problem, mit dem die Autohersteller seit den Tagen des Modells T zu kämpfen haben. Die ersten Versuche der Industrie, das Problem – nämlich Tetraethylblei – zu lösen, waren in im Nachhinein ein großer Fehler, mit eine ganze Generation von Amerikanern betäubt und betäubt mit ihren neurotoxischen Nebenprodukten.

Dr. Vaclav Smil, emeritierter Professor an der Universität von Manitoba in Winnipeg, untersucht in seinem neuen Buch die kurzsichtigen wirtschaftlichen Argumente, die zu verbleitem Gas anstelle eines landesweiten Netzwerks von Äthanolstationen führten Erfindung und Innovation: Eine kurze Geschichte von Hype und Misserfolg. Bleigas ist bei weitem nicht der einzige vermutete Fortschritt, der wie ein Bleiballon übergeht. Erfindung und Innovation ist vollgepackt mit Geschichten über die bestgemeintesten, schlechtesten und allgemein unausgegorenen Ideen der Menschheit – von Luftschiffen und Hyperloops bis hin zu DDT und FCKW.

Auszug aus Erfindung und Innovation: Eine kurze Geschichte von Hype und Misserfolg von Professor Vaclav Smil. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von The MIT Press. Urheberrecht 2023.

Nur sieben Jahre später begann Henry Ford mit dem Verkauf seines Modells T, des ersten erschwinglichen und langlebigen Personenwagens aus Massenproduktion, und 1911 konstruierte Charles Kettering, der später eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von verbleitem Benzin spielte, den ersten praktischen Elektrostarter, der überflüssig wurde gefährliches Handkurbeln. Und obwohl befestigte Straßen selbst im östlichen Teil der USA immer noch Mangelware waren, begann sich ihr Bau zu beschleunigen, wobei sich die Länge der befestigten Autobahnen des Landes zwischen 1905 und 1920 mehr als verdoppelte. Nicht weniger wichtig, begleitet von jahrzehntelangen Erdölfunden durch Fortschritte in der Raffination lieferten die flüssigen Brennstoffe, die für den Ausbau des neuen Transports benötigt wurden, und 1913 führte Standard Oil of Indiana William Burtons thermisches Cracken von Rohöl ein, das Verfahren, das die Benzinausbeute erhöhte und gleichzeitig den Anteil an flüchtigen Verbindungen, aus denen das Öl besteht, reduzierte Großteil der natürlichen Benzine.

Aber erschwinglichere und zuverlässigere Autos, mehr asphaltierte Straßen und eine zuverlässige Versorgung mit geeignetem Kraftstoff hinterließen immer noch ein Problem, das dem Verbrennungszyklus von Automotoren innewohnt: die Neigung zu heftigem Klopfen (Ping). In einem perfekt funktionierenden Benzinmotor wird die Gasverbrennung allein durch einen zeitgesteuerten Funken am oberen Rand der Brennkammer eingeleitet, und die resultierende Flammenfront bewegt sich gleichmäßig über das Zylindervolumen. Das Klopfen wird durch Selbstzündungen (kleine Explosionen, Minidetonationen) verursacht, die in den verbleibenden Gasen stattfinden, bevor sie von der durch Funkenbildung ausgelösten Flammenfront erreicht werden. Klopfen erzeugt hohe Drücke (bis zu 18 MPa oder fast das 180-fache des normalen atmosphärischen Niveaus), und die resultierenden Stoßwellen, die sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die größer als der Schall ist, vibrieren die Wände der Brennkammer und erzeugen die deutlichen Geräusche eines Klopfens, einer Fehlfunktion Motor.

Klopfen klingt bei jeder Geschwindigkeit alarmierend, aber wenn ein Motor mit hoher Last läuft, kann es sehr zerstörerisch sein. Starkes Klopfen kann brutale irreparable Motorschäden verursachen, einschließlich Zylinderkopferosion, gebrochene Kolbenringe und geschmolzene Kolben; und jedes Klopfen verringert die Effizienz eines Motors und setzt mehr Schadstoffe frei; insbesondere führt dies zu höheren Stickoxidemissionen. Die Klopffestigkeit, also die Stabilität des Kraftstoffs, basiert auf dem Druck, bei dem sich der Kraftstoff selbst entzündet, und wird allgemein in Oktanzahlen gemessen, die normalerweise von Tankstellen in fetten schwarzen Zahlen auf gelbem Hintergrund angezeigt werden.

Octan (C8H18) ist eines der Alkane (Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel CnH2n+2), die zwischen 10 und 40 Prozent von leichten Rohölen bilden, und eines seiner Isomere (Verbindungen mit der gleichen Anzahl an Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, aber mit eine andere Molekülstruktur), 2,2,4-Trimethylpentan (Isooctan), wurde als Maximum (100 Prozent) auf der Oktanzahlskala genommen, weil die Verbindung jegliches Klopfen vollständig verhindert. Je höher die Oktanzahl von Benzin ist, desto widerstandsfähiger ist der Kraftstoff gegen Klopfen, und Motoren können mit höheren Verdichtungsverhältnissen effizienter arbeiten. Nordamerikanische Raffinerien bieten jetzt drei Oktanzahlen an, Normalbenzin (87), Mittelklasse-Kraftstoff (89) und Premium-Kraftstoffmischungen (91–93).

Während der ersten beiden Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts, der frühesten Phase der automobilen Expansion, gab es drei Möglichkeiten, das zerstörerische Klopfen zu minimieren oder zu eliminieren. Die erste bestand darin, die Verdichtungsverhältnisse von Verbrennungsmotoren relativ niedrig zu halten, unter 4,3:1: Fords meistverkauftes Modell T, das 1908 auf den Markt kam, hatte ein Verdichtungsverhältnis von 3,98:1. Die zweite bestand darin, kleinere, aber effizientere Motoren zu entwickeln, die mit besserem Kraftstoff betrieben werden, und die dritte bestand darin, Additive zu verwenden, die die unkontrollierte Zündung verhindern würden. Niedrige Verdichtungsverhältnisse bedeuteten Kraftstoffverschwendung, und die verringerte Motoreffizienz war in den Jahren der raschen wirtschaftlichen Expansion nach dem Ersten Weltkrieg von besonderer Bedeutung, da der zunehmende Besitz von leistungsstärkeren und geräumigeren Autos zu Bedenken hinsichtlich der langfristigen Angemessenheit führte der heimischen Rohölversorgung und die wachsende Abhängigkeit von Importen. Folglich boten Additive den einfachsten Ausweg: Sie würden es ermöglichen, minderwertigen Kraftstoff in stärkeren Motoren zu verwenden, die mit höheren Verdichtungsverhältnissen effizienter arbeiten.

In den ersten zwei Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts bestand erhebliches Interesse an Ethanol (Ethylalkohol, C2H6O oder CH3CH2OH), sowohl als Autokraftstoff als auch als Benzinzusatz. Zahlreiche Tests bewiesen, dass Motoren mit reinem Ethanol niemals klopfen würden, und in Europa und den USA wurden Ethanolmischungen mit Kerosin und Benzin erprobt. Zu den bekannten Befürwortern von Ethanol gehörten Alexander Graham Bell, Elihu Thomson und Henry Ford (obwohl Ford, wie viele Quellen fälschlicherweise behaupten, das Modell T nicht für den Betrieb mit Ethanol oder als Dual-Fuel-Fahrzeug konzipiert hat; es sollte betankt werden durch Benzin); Charles Kettering hielt ihn für den Treibstoff der Zukunft.

Aber drei Nachteile erschwerten die großtechnische Einführung von Ethanol: Es war teurer als Benzin, es war nicht in ausreichenden Mengen verfügbar, um die steigende Nachfrage nach Autokraftstoff zu befriedigen, und eine Erhöhung seines Angebots, selbst wenn es nur als dominierender Zusatzstoff verwendet würde, würde dies tun haben erhebliche Anteile an der Pflanzenproduktion beansprucht. Damals gab es noch keine bezahlbaren, direkten Möglichkeiten, den Kraftstoff aus reichlich zellulosehaltigen Abfällen wie Holz oder Stroh in großem Maßstab herzustellen: Zellulose musste zunächst mit Schwefelsäure hydrolysiert und der dabei entstehende Zucker anschließend fermentiert werden. Aus diesem Grund wurde der Kraftstoff Ethanol hauptsächlich aus den gleichen Nahrungsmittelpflanzen hergestellt, die zur Herstellung von (in viel kleineren Mengen) Alkohol zum Trinken sowie für medizinische und industrielle Zwecke verwendet wurden.

Die Suche nach einem neuen, wirksamen Additiv begann 1916 in den Dayton Research Laboratories von Charles Kettering unter der Leitung von Thomas Midgley, einem jungen (geb. 1889) Maschinenbauingenieur. Im Juli 1918 listete ein in Zusammenarbeit mit der US-Armee und dem US Bureau of Mines erstellter Bericht Ethylalkohol, Benzol und ein Cyclohexan als Verbindungen auf, die in Hochkompressionsmotoren kein Klopfen verursachten. Als Kettering 1919 von GM angestellt wurde, um die neue Forschungsabteilung zu leiten, definierte er die Herausforderung darin, eine drohende Kraftstoffknappheit abzuwenden: Die US-Binnenrohölversorgung sollte in fünfzehn Jahren erschöpft sein, und „wenn wir erfolgreich könnten Erhöhen Sie die Kompression unserer Motoren. . . wir könnten die Laufleistung verdoppeln und damit diesen Zeitraum auf 30 Jahre verlängern.“ Kettering sah zwei Wege zu diesem Ziel, indem er ein hochvolumiges Additiv (Ethanol oder, wie Tests zeigten, Kraftstoff mit 40 Prozent Benzol, der jegliches Klopfen beseitigte) oder eine niederprozentige Alternative verwendete, die der 1-prozentigen Jodlösung ähnelte, aber besser war das 1919 zufällig entdeckt wurde, um den gleichen Effekt zu haben.

Anfang 1921 erfuhr Kettering an der University of Wisconsin von Victor Lehners Synthese von Selenoxychlorid. Tests zeigten, dass es sich um ein hochwirksames, aber erwartungsgemäß auch stark ätzendes Antiklopfmittel handelte, führten jedoch direkt dazu, Verbindungen anderer Elemente der Gruppe 16 des Periodensystems in Betracht zu ziehen: Sowohl Diethylselenid als auch Diethyltellurid zeigten noch bessere Antiklopfmittel -klopfende Eigenschaften, aber die letztere Verbindung war giftig, wenn sie eingeatmet oder durch die Haut aufgenommen wurde, und hatte einen starken Knoblauchgeruch. Tetraethylzinn war die nächste Verbindung, die sich als mäßig wirksam herausstellte, und am 9. Dezember 1921 verursachte eine Lösung von 1 Prozent Tetraethylblei (TEL) – (C2H5)4 Pb – kein Klopfen im Testmotor, und es wurde bald festgestellt, dass dies der Fall war wirksam, selbst wenn es in Konzentrationen von nur 0,04 Volumenprozent hinzugefügt wird.

TEL wurde ursprünglich 1853 in Deutschland von Karl Jacob Löwig synthetisiert und hatte zuvor keine kommerzielle Verwendung. Im Januar 1922 wurden DuPont und Standard Oil aus New Jersey mit der Herstellung von TEL beauftragt, und im Februar 1923 wurde der neue Kraftstoff (mit dem Additiv, das an Zapfsäulen mit einfachen Geräten, sogenannten Ethylizern, in das Benzin gemischt wurde) in kleinen Mengen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht Zahl der Tankstellen. Noch während des Engagements für TEL räumten Midgley und Kettering ein, dass „Alkohol zweifellos der Kraftstoff der Zukunft ist“, und Schätzungen zeigten, dass eine 20-prozentige Mischung aus Ethanol und Benzin, die 1920 benötigt wurde, mit nur etwa 9 Prozent geliefert werden konnte der Getreide- und Zuckerkulturen des Landes und bietet gleichzeitig einen zusätzlichen Markt für US-Landwirte. Und während der Zwischenkriegszeit verwendeten viele europäische und einige tropische Länder Mischungen aus 10–25 Prozent Ethanol (hergestellt aus überschüssigen Nahrungsmittelernten und Papierfabrikabfällen) und Benzin, zugegebenermaßen für relativ kleine Märkte wie den Besitz von Familienautos vor dem Zweiten Weltkrieg Europa war nur ein Bruchteil des US-Durchschnitts.

Andere bekannte Alternativen umfassten in der Dampfphase gecrackte Raffinerieflüssigkeiten, Benzolmischungen und Benzin aus naphthenischen Rohölen (die wenig oder kein Wachs enthalten). Warum hat sich GM, wohl wissend um diese Realitäten, entschieden, nicht nur den TEL-Weg zu verfolgen, sondern auch zu behaupten (trotz seines eigenen richtigen Verständnisses), dass es keine verfügbaren Alternativen gibt: „Soweit wir zum jetzigen Zeitpunkt wissen, Tetraethylblei ist das einzige verfügbare Material, das diese Ergebnisse hervorbringen kann“? Mehrere Faktoren helfen, die Wahl zu erklären. Die Ethanolroute hätte die Entwicklung einer neuen Industrie im Massenmaßstab erfordert, die sich einem Kraftstoffadditiv für Kraftfahrzeuge widmet, das nicht von GM kontrolliert werden konnte. Darüber hinaus war, wie bereits erwähnt, die bevorzugte Option, Ethanol aus Zelluloseabfall (Ernterückstände, Holz) anstatt aus Nahrungsmittelpflanzen herzustellen, zu teuer, um praktikabel zu sein. Tatsächlich hat die großtechnische Produktion von Zellulose-Ethanol durch neue enzymatische Umwandlungen, die versprochen wurde, im 21 Antiklopfmittel) basierte weiterhin auf der Vergärung von Mais: 2020 beanspruchte es ziemlich genau ein Drittel der Maisernte des Landes.