Der Airbag der Zukunft – ein intelligentes Prallkissen

In jedem Auto steckt ein Sprengsatz

1968 begann die eigentliche Entwicklung der heutigen Airbags bei Mercedes-Benz in Stuttgart. Die Ingenieure griffen auf die Wehrtechnik zurück, um die notwendige Explosivität mit ausreichendem Gasvolumen in einem kompakten System unterzubringen. Dabei aktiviert ein Sensor über einen Zünder den Gasgenerator, der den Prallsack von etwa 60 bis 70 Litern Volumen innerhalb von 30 Millisekunden mit einem inerten Gas (idealerweise Stickstoff) füllt. Der Airbag für den Beifahrer ist etwa doppelt so groß, da er auch den Raum des fehlenden Lenkrads ausfüllen muss. Das ganze System mitsamt dem zusammengefalteten Sack aus Polyamid sitzt in einem Stahlbehälter und ist mit Kunststofffolie abgedeckt, die schnell aufreißen kann. Die ersten serienmäßigen Airbags arbeiteten wie ein Raketentriebwerk auf Basis von Nitrocellulose und Nitroglycerin. Da hierbei zu viel NOx und CO entsteht, entwickelten die Firmen Bayern-Chemie und Daicel in Ottobrunn einen Treibsatz aus Natriumazid (NaN3), Kaliumnitrat (KNO3) und Quarzsand (SiO2), der geringste Schadstoffemissionen und eine 15 Jahre lange Haltbarkeit gewährleistet. Der in Tablettenform gepresste Treibsatz brennt unter Freisetzung von Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 4700 m/s ab (Abb. 1). Außer Stickstoff entsteht zunächst Natrium, das durch Reaktion mit Kaliumnitrat weiteren Stickstoff freisetzt. Die resultierenden Kalium- und Natriumoxide reagieren mit dem Quarz zu Glas (Natriumsilicat). Da das Glas nicht aus dem Gasgenerator in den Prallsack gelangen darf, sitzt dazwischen ein Rückhaltefilter. Der Stickstoff ist zunächst bis zu 2000 °C heiß. Da Kühlbleche einen Teil seiner Wärme ableiten, schießt er mit 400 bis 500 °C in den Prallsack. Durch Luftschlitze entweicht das Gas sofort wieder aus dem aufgeblasenen Airbag, der damit seine Schuldigkeit getan hat und verbraucht ist. 1 Gramm NaN3 produziert bei 25 °C 376 ml Gas. Demnach wären etwa 200 Gramm Natriumazid zur Füllung eines Airbags von 70 Litern Volumen notwendig. Wegen der hohen Temperaturen des Gases reicht aber etwa die Hälfte aus. Doch Natriumazid ist giftig und somit problematisch zu entsorgen. Deshalb kommen seit 1997 auch Treib-sätze auf der Basis von Alkalichloraten zum Einsatz. Dynamit Nobel hat mit SINCO ein Treibmittel entwickelt, das keine schädlichen Stoffe entstehen lässt.

Wasserdampf ist das Treibmittel der Zukunft

Immer häufiger werden Hybridgasgeneratoren in Airbags eingebaut. Sie entwickeln kaum noch Schadstoffe, da der Treibsatz nur die Verschlussmembran eines Behälters öffnen muss, in dem das Gas gespeichert ist. Es ist eine Mischung aus 98% Argon und 2% Helium und steht unter einem Druck von 240 bar. Da sich das Gas beim Entspannen stark abkühlt, dient ein kleiner Teil des Treibsatzes zum Erwärmen des Gases. Dadurch wird auch das Gefrieren der Druckbehälteröffnung verhindert. Im Moment der größten Ausdehnung trägt der Prallsack die Kraft von 2 Tonnen. Um das Problem der Explosivstoffe ganz zu umgehen, wird derzeit am Fraunhofer-Institut für Technische Chemie in Karlsruhe ein Dampf-Airbag entwickelt. Dem Prallsack ist bei diesem Konzept eine Druckflasche mit stark überhitztem Wasser vorgeschaltet. Löst der Unfallsensor das Ventil, entspannt sich der Dampf, kühlt sich ab und füllt den Polyamidsack. Dieses System verspricht gleich mehrere Vorteile. Die Problematik der giftigen Gase, die bei der Explosion der Treibsätze entstehen, entfällt. Darüber hinaus steht der Dampf-Airbag in Verbindung mit der Idee eines intelligenten, regulierbaren und angepassten Prallschutzes. Denn die notwendige Menge an Wasserdampf lässt sich mit einem dem Ventil vorgeschalteten geeigneten Signalgeber sehr genau dosieren. Je nach Unfallsituation muss ja nicht immer die gesamte Menge abgegeben werden. Das bisher noch ungelöste Problem ist die Aufheizphase des Wasserdampfes. Der Airbag ist also nicht sofort einsatzbereit, wenn man mit dem Auto losfährt.

Pre-crash-Sensorik

Die Geschwindigkeit der Sensoren ist für solche Prozesse ein wichtiges Kriterium. Da Trägheitssensoren zu langsam reagieren, sollen demnächst akustische Airbags, die zehnmal schneller reagieren, serienreif werden. Trifft der Wagen auf ein Hindernis, löst der Aufprall einen internen Körperschall im Fahrzeug aus, der sich mit wesentlich höherer Geschwindigkeit ausbreitet, als die Trägheit der beschleunigten Massen registriert werden kann. Die Steuerung kann also schon reagieren, wenn das Kreischen des Blechs gerade 

beginnt. In fast Dreiviertel aller schweren Seitenkollisionen geht dem Aufprall ein Schleudern des Fahrzeugs voraus. Dieser unkontrollierte Fahrzustand dauert oft mehrere Sekunden. Schutzsysteme wie Airbags oder Gurtstraffer, die nur einmal wirken, können in dieser Phase noch nicht aktiviert werden, da ein Aufprall möglicherweise noch vermeidbar ist. Angesichts der geringen seitlichen Knautschzone muss die Aktivierung präzise und schnell ablaufen. Um allen Eventualitäten des Unfalls möglichst genau gerecht zu werden, entwickeln die großen Automobilhersteller derzeit ein passives Schutzsystem, die Pre-crash-Sensorik. Die Grundlagen dazu hat DaimlerChrysler bereits geschaffen. Dem Airbag werden zunächst individuelle Parameter der zu schützenden Person wie Größe, Geschlecht und Körperproportionen eingespeichert – so wie heute schon die Sitz- und Außenspiegeleinstellung gespeichert werden kann. Ein individuell angepasstes Sicherheitssystem könnte dann zum Beispiel dafür sorgen, dass sowohl bei einem jungen Insassen mit hoher physischer Belastbarkeit als auch bei einem älteren Menschen die Rückhaltewirkung optimal eingestellt wird. Mögliche Parameter sind dabei Airbagvolumen, Straffkraft der Gurte, Höhe der Gurtkraftbegrenzung und individuelle Sitzeinstellung. Der ideale Airbag fragt auch das Alter der Insassen ab, denn je älter um so zarter die Knochen. Doch wer will beim Einsteigen in den Wagen dauernd an sein Alter erinnert werden?

Dr. Uwe Schulte
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