Faserverbundwerkstoffe im Sport
Sportler und Trainer sind begeistert, Spitzenathleten erreichen Top-Leistungen und auch im Breitensport feiert Carbon auf der ganzen Linie Erfolge. Für den Sport scheint Carbon genau das richtige Material zu sein, um den Sportlerinnen und Sportlern zu helfen, das Beste aus sich und ihrem Sportgerät herauszuholen.
Leicht und doch hochbelastbar ist Carbon, biegesteif und elastisch zugleich, so gut wie frei formbar, es rostet nicht und kann große Mengen an Energie aufnehmen bzw. weitergeben. Carbon ist ein Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff (FKV) bzw. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Je nach beigemengter Faser, Kunststoffmatrix und der spezifischen Kombination der beiden Grundbestandteile sind unterschiedliche mechanische, thermische und physikalische Eigenschaften des Endproduktes wählbar. Die Verbindung mit anderen Materialien wie Holz, Aluminium, Stahl u. a. in sog. Compositen oder Hybrid-Verbunden erweitert das Spektrum zusätzlich. So kann jedes Sportgerät aus und mit Carbon sportart- und sportlerspezifisch konfiguriert werden.
Werkstoff nach Maß
Das macht Carbon im Sport zum idealen Werkstoff für Sportgeräte und -zubehör. Sportler und Ingenieure wissen das schon geraume Zeit und verfolgen aufmerksam jede Neuerung auf dem Gebiet. Einer der wissenschaftlichen Vorreiter war das Berliner Institut für Forschung und Entwicklung von Sportgeräten (FES) – ein Mitglied des Composites United e.V. (CU). Die dortigen Fachleute beschäftigen sich seit 1976 mit dem Thema, seit Carbon noch zu DDR-Zeiten sein enormes Potenzial erstmals andeutete. Das damals dominante Forschungsfeld Bootsbau, insbesondere für Ruder- und Kanusport sowie Segeln, blieb seitdem unverändert aktuell und spannend. Anfang der 1980er-Jahre kam dann der Radsport hinzu, zunächst mit Scheibenrädern, dann auch mit kompletten Rahmen. Neuere Forschungsschwerpunkte betreffen Wintersportgeräte wie Skier, Skeletonschlitten, Bobs u.ä.
Generell forschen die Fachleute des FES zum Zusammenspiel von Mensch und Material, im Fall von Carbon in allen Sportarten, in denen es „das Reglement zulässt“, fasst Dipl.-Ing. Harald Schaale zusammen. Bei Carbon kommt der Experte geradezu ins Schwärmen: „Das Masse-Steifigkeits-Verhältnis ist einfach unschlagbar. Carbon ist ein Werkstoff nach Maß!“
Sportgeräte aus und mit Carbon
Dieselben Vorteile, die das extrem leichte und doch so belastbare Material für die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, den Energie- und Medizinsektor sowie das Bauwesen so attraktiv machen, machen den Vorsprung von Carbon auch im Sport aus. Das Leichtgewicht unterstützt Aktive in nahezu allen Sportarten in ihrem immerwährenden Bestreben, besser zu werden und letztlich sich selbst zu übertreffen. Gleichzeitig verdrängt Carbon bei seinem Siegeszug durch die Sportwelt keinesfalls traditionelle Materialien wie Holz oder Stahl. Vielmehr geht es häufig mit seinen Vorläufern Synthesen ein, die von Tennis- oder Golfschlägern über Pfeile und Speere bis hin zu Bootsrümpfen und Rennsport-Komponenten einfach die bessere Alternative sind – zum Vorteil der Sportler und des Sports.
Breitensport
Ihren Anfang nahm die Erfolgsgeschichte von Carbon im Sport zweifellos im Profilager. Wo stets nach dem Optimum geforscht und gesucht wird, wo das bessere Material entscheidende Millisekunden bringen kann und – auch das ist die Wahrheit – wo Geld meist nicht die ausschlaggebende Rolle spielt, im Leistungs- und Wettkampfsport also, ist Carbon schon seit Jahrzehnten eine feste Größe. Mehr noch, dank seiner Vielseitigkeit und der Findigkeit der Ingenieure vervielfältigen sich die Einsatzmöglichkeiten für Carbon quantitativ wie qualitativ in immer kürzeren Abständen.
Die meisten der unten genannten Sportgeräte und Accessoires aus Carbon haben bereits ihren Weg in den Breitensport gefunden. Nicht nur ambitionierte Freizeitsportler schwören auf Schläger, Paddel, Kufen, Auflagen, Verbindungen aus superleichten CFK-Verbundstoffen. Das gilt auch jenseits der Massensportarten. Für Billardspieler etwa stehen sowohl Queuespitzen als auch ganze Queues aus Carbon zur Verfügung, Geschwindigkeitsfans flitzen auf Carbon-Skateboards, die farblich übrigens keineswegs mehr auf dezentes Schwarz beschränkt sind, durch die Stadt oder rasen auf längeren Downhill-Speedboards Abhänge hinunter, Gaukler treiben ihr buntes Spiel mit Diabolos und Handstäben aus Carbon, und in Kanus aus karbonfaserverstärktem Kunststoff paddeln Wochenendausflügler gemächlich auf der Altmühl.
Ganz zu schweigen von Carbonrädern, die ‚pur‘ oder in der E-Bike-Ausführung bei Jung und Alt sehr gefragt sind. Dieses Feld ist sogar schon so breit aufgestellt, dass zusätzliche Features wie Nachhaltigkeit den Ausschlag für eine Kaufentscheidung geben können. Gut zu sehen war das bei dem vollständig recycelbaren Carbon-Rad nam:e, das die Fachleute vom Institut für Leichtbau- und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden gemeinsam mit Projektpartnern aus der Wirtschaft entwickelten und erstmals auf der Euro-Bike 2015 vorstellten.
Von vornherein für den Massensport konzipiert waren und sind die ebenso leichten wie geländetauglichen und belastbaren Nordic-Walking-Stöcke aus Carbon. Ein 120 Zentimeter langes Stockpaar zum Beispiel wiegt um die 400 Gramm. Beide zusammen, wohlgemerkt. Ein Hersteller bringt es für seinen neuen Nordic-Walking-Faltstock auf den Punkt: „100% pures Carbon und zwischen den Segmenten liegende Titanium-Hülsen sorgen für absolute Leichtigkeit bei höchster Stabilität. Egal ob fürs Nordic Walking oder beim Trail Running …“
Mindestens eine lobende Erwähnung wert ist auch die bedeutende Rolle von Carbon beim Fischen. In diesem Bereich sind die ebenso leichten wie biegesteifen und robusten Carbon-Angelruten heute ‚state of the art‘.
Golf
Nur selten wählen Anfänger auf dem Grün Golfschläger aus oder mit Carbon, denn sie spielen sich vergleichsweise hart und verzeihen keine groben Fehler. Wer aber weiß, was er oder sie tut, ist mit einem Carbon-Composites-Hybrid-Golfschläger gut bedient. Bei einem Driver besteht in der Regel die Schlägerkrone aus Carbon, dadurch gewinnt die Sohle mehr Gewicht. Eine Carbonkrone in Kombination mit Schlagfläche und Sohle aus Titan zum Beispiel ist konzipiert für einen hohen Abflugwinkel (13 Grad Loft) und niedrigem Spin bei gleichzeitig mehr Länge. Es gibt aber auch präzisionsgefräste Putter aus einem einteiligen carbonhaltigen Edelstahlblock mit bester Schlagkonsistenz.
Die Eisen, insbesondere die für Damen, verfügen häufig über einen Schaft aus CFK, im Golf meist als ‚Graphit‘ bezeichnet. Allerdings blieben auch den Herren die Vorteile der flexiblen, präzisen und schockabsorbierenden Graphitschäfte nicht verborgen – eine starke Konkurrenz für die traditionellerweise von männlichen Golfern verwendeten Stahlschäfte.
Leichtathletik
Fast keine Disziplin in der Leichtathletik, die das hier noch relativ neu erprobte Verbundstoffmaterial nicht revolutioniert. Ein Wettkampfdiskus etwa wiegt ein bis zwei Kilogramm, besteht er zum Teil aus Carbon sind 85 Prozent des Gewichtes im Stahlring verlagert. Technisch ausgedrückt sorgt die vergleichsweise leichte und sehr steife innenliegende Carbonschale für hohe Peripheriemasse und ruhigen Flug. Oder anders gesagt: Der Carbondiskus dreht sich sehr gut und kann dadurch auch sehr weit geworfen werden.
Die Kombination aus Leichtigkeit und Stabiltät machen auch Speere mit Carbon-Schäften bei Sportlern sehr beliebt. In der Regel wiegt ein solcher Wettkampfspeer 600 bis 800 Gramm. Mit unterschiedlichen Spitzen, diese meist aus Stahl, und je nach beigefügter Faser in fast beliebiger Steifigkeit gibt es Speere passend für jede Gelegenheit, je nach Windrichtung, gewünschtem Härtegrad (Flex) sowie physischem und technischem Können der Werfer.
Dasselbe gilt im Prinzip für Hochsprungstäbe. Carbon-Sprungstäbe sind leicht, dünn und damit gut handhabbar bei gleichzeitig optimaler Elastizität. Damit sind sie besonders für technisch versierte Sportler die erste Wahl. Ein moderner CFK-Sprungstab misst bei einer Länge ab 3,75 Metern etwa fünf Zentimeter im Durchmesser und ist innen hohl. Die Stabhochspringerin Lisa Ryzih sprang ihre persönliche Bestleistung von 4,72 Meter 2015 in der Halle mit einem Carbon-Glasfaser-Stab.
Eine Sonderrolle kommt Carbon bei den Sprung- und Laufdisziplinen zu. Die beinbehinderten Leichtathleten Oscar Pistorius und Markus Rehm erzielten mit ihren CFK-Beinprothesen sportliche Höchstleistungen und machten so ihre Hilfs- und Sportmittel (vgl. unten) in aller Welt bekannt.
Motorsport
Dieselben Vorteile, die das außerordentlich leichte, korrosionsbeständige und quasi beliebig formbare Carbon für die Automobilindustrie so attraktiv machen, sind auch im Auto- und Motorradrennsport gefragt. In der Formel 1 zum Beispiel sind Hochleistungsbremsen aus Faserverbundkeramik gang und gäbe. Sie sind extrem leicht und durch ihren überdurchschnittlich hohen Reibungskoeffizienten von 0,6 besonders leistungsfähig. Ein Formel-1-Fahrzeug kann innerhalb von 90 Metern von über 300 km/h auf weniger als 100 km/h abbremsen.Im Motorsportbereich werden Bremsen aus sog. Carbon/Carbon (C/C) gefertigt, also Carbonfaserverstärktes Carbon. Für Serien-PKW eignet sich die Technologie freilich nicht, hier kommen Carbonfaserverstärkte Siliziumcarbid (C/SiC) Werkstoffe zum Einsatz.
Etwas bodenständiger geht es bei den Nascar-Rennen zu, doch auch hier sind C/SiC-Bremsen nicht mehr wegzudenken. Darüber hinaus traten erstmals beim Stockcar-Rennen 2013 im US-amerikanischen Daytona mehrere Hersteller mit carbonverbesserten, sprich leichteren Generation-6-Fahrzeugen an. Heute sind CFK- und Composite-Teile von Karosserie über Spoiler und diverse Abdeckungen bis zum Lenkrad oder Cooler gang und gäbe. An kritischen Stellen verhindert übrigens ein Überzug aus Kevlar das Splittern im Fall von Unfällen und sorgt so für maximale Sicherheit.
Müßig zu sagen, dass auch Motorräder im Rennsport in Sachen Carbon nicht zurückstehen. Ob Superbike oder MotoGP, für so gut wie jede Marke und jede Maschine stehen zahlreiche hochwertige Carbon-Komponenten zur Auswahl. Auspuffhitzeschilde, Kettenschutz, Kotflügel, Abdichtungen aller Art, Lampengehäuse, Airboxen oder Windschilde sind nur einige von ihnen.
Racket-/Schläger- bzw. Ballsportarten
Carbonschläger gehören im Hockey, Tennis, Badminton und Squash heute fraglos zum Angebotssortiment. Ihre Beliebtheit ist mit Zahlen leicht erklärbar, ein robuster zuverlässiger Alu-Carbon-Badmintonschläger etwa wiegt ohne Saiten 90 Gramm und selbst ein gleichartiges, mit 185 Gramm doppelt so schweres Squash-Allround-Racket fällt kaum ins Gewicht.
Im Tischtennis geht Carbon eine ansprechende Verbindung mit Holz ein. Die Carbowood-Technologie eines Herstellers sorgt mit einem carbonfaserverstärkten Schlägerblatt „für einen größeren Sweet-Spot, geringere Vibration und erhöhte Treffsicherheit“, attraktiv für Profi- wie für Hobbyspieler.
Auch wer sich für in Europa weniger bekannte Sportarten wie Lacrosse begeistert, schätzt Carbon als Schlägermaterial. Ein Fall für sich ist Carbon im Cricket. Im Jahr 2005 verstärkte ein Hersteller den ursprünglichen Rohr-Weide-Schläger innen mit einem Carbon-Polymer. Doch das Internationale Cricket Council (ICC) verbot diesen neuartigen Schläger kurz darauf als ‚unfair‘, weil er einerseits kraftvollere Schläge ermöglichte, andererseits aber nicht allen Spielern weltweit zur Verfügung stand. Eine Entscheidung, die in der Cricket-Welt durchaus kontrovers diskutiert wurde. Ebenfalls ‚kassiert‘ wurde ein gleichermaßen im Jahr 2005 eingeführter leichter Cricketschlägergriff aus Carbon. Um zu verhindern, dass der Cricket-Ball dadurch zu weit geschlagen wird, darf ein Griffstück seitdem nur aus Rohr und maximal zehn Prozent ‚Fremdmaterial‘ wie Carbon bestehen.
Radsport
Wie geschaffen für die Anwendung des leichten Carbons ist der Radsport. Mountainbiker, Straßen- und Hallenfahrer schätzen die nur wenige Kilogramm schweren bzw. leichten Räder gleichermaßen. Im Gelände überzeugt der Gewichtsvorteil von MTBs mit Carbonrahmen und -ausstattung spätestens auf Tragestrecken. Und wer sich bei rasanter Bergabfahrt über Stock und Stein auf seine Ausrüstung hundertprozentig verlassen können muss, wählt gern einen zuverlässigen Carbon-MTB-Lenker. Gleiches, wenn auch unter veränderten Vorzeichen in anderer Umgebung, gilt auf der Straße und in der Halle. Unter sieben Kilogramm wiegt ein modernes Carbon-Rennrad, Tendenz weiter fallend. Radprofis wie die Vize-Europameisterin und Olympiateilnehmerin Ricarda Lisk oder der Triathlet Philipp Mock jedenfalls schwören auf das leichte Edelmaterial.
Tröstlicher Tipp für Freizeitsportler: Selbst wenn es nicht gleich ein ganzer Carbon-Rahmen sein kann, steht so gut wie jedes Bauteil eines Fahrrads auch in edelschwarzem Carbon zur Verfügung: Lenker, Vorbau, Gabel, Sattelstütze, Sattel, Felgen, Anbauteile (Flaschenhalter, etc.)… – am Rad gibt es (fast) nichts, was nicht in Carbon zu haben wäre.
Schießsport
Seit Ende der 1980er, Anfang 1990er Jahre ist Carbon als Material für Pfeilschäfte unter Bogenschützen bekannt. Seitdem hat es wegen seiner hervorragenden Flugeigenschaften Aluminium- oder gar Holzpfeile so gut wie verdrängt, auf jeden Fall im Wettkampfsport der Recurve- und Compound-Schützen. Auch Stabilisatoren und Visiere aus Carbon bewährten sich schon früh in der Praxis. Mit diesen guten Erfahrungen im Hintergrund hatten es Griffschalen und Mittelstücke aus Carbon, später auch Composite-Wurfarme vergleichsweise leicht, sich im Bogensport durchzusetzen.
Auch für die Sportgeräte von Gewehrschützen stehen leichte, präzise gearbeitete Carbon-Teile zur Verfügung. So fühlt sich etwa eine Backenauflage aus Carbon in einer Schaftbacke beim Auflegen angenehm weich und eher warm an. Schützen berichten, dass es ihnen dadurch sensorisch deutlich leichter fällt, den Kopf immer genau gleich aufzulegen, was die Trefferquote erhöht.
Wassersport
Ein weites Feld ist der Einsatz von Carbon im Wassersport. Viel Platz nimmt hier von jeher der Bootsbau ein. Eine Hülle aus carbonfaserverstärktem Kunststoff macht Kanus, Kayaks, Ruder- und Segelboote leicht und wendig. Hier sind die Weichen klar auf CFK gestellt, es stehen bereits die nächsten Schritte an. So entwickelte zum Beispiel Dr. Gary Leeke, Professor für Chemical Engineering an der britischen Universität von Birmingham mit seinem Team ein CFK-Zweier-Kayak mit nur zwei bis drei Millimeter dicken Wänden aus recyceltem Carbonfasern, die aus Abfällen der Raumfahrtindustrie gewonnen worden waren. Seine Feuertaufe bestand das neuartige Boot Ostern 2016 blendend beim ehrwürdigen, 125 Meilen langen Devizes to Westminster Canoe Race (DWCR) auf der Themse.
Ebenfalls prädestiniert für die Ausführung in Carbon sind Ruder und Paddel, die Gestelle beim Kitesurfen sowie, ganz groß, Windsurf- und Surfbretter.
Ein wenig überraschend mag dagegen der Einsatz von Carbon beim Schwimmen sein. Doch die neueste Generation von Badekleidung und Powersuits für Wettkämpfe wirbt mit einem einprozentigen Carbonanteil, der volle Elastizität und damit Bewegungsfreiheit bei gleichzeitiger funktioneller Haltungsunterstützung verspricht.
Wintersport
Carbon natürlich, das ist naheliegend, wenn man leichtes, elastisches und robustes Material für Ski sucht. Carbonverstärkte Ski bzw. Ski mit Carboneinlagen haben sich in der Abfahrt, beim Speed-Carving und in den Nordischen Disziplinen rundum bewährt. Selbst auf harten Pisten sorgen sie für Laufruhe und Kontrolle, fahren sich aber trotzdem sportlich und schnittig. Auch für Skistöcke sind neben Aluminium Carbon und Carbon Composite die Materialien der Wahl.
Apropos schnittig: Schlitten und Rodel aus und mit Carbon gehen auf der Piste und in der Bahn unglaublich ab. Sie sind leicht und schnell, Vorteile, die sich auch die Bob- und Skeletonfahrer selbstverständlich nicht entgehen lassen wollen.
Auch Snowboards werden zunehmend aus Carbon Compositen gefertigt und dadurch leichter, was sich beim Fahren am Hang wie auch bei Tragen des Boards angenehm bemerkbar macht.
Eishockey und Eisstockschießen schließlich mögen als Stiefkinder des klassischen Wintersports gelten, doch in Sachen Carbon sind sie mit CFK-Schlägern und –Eisstöcken ganz vorne dabei. Und last but not least werden bei Schlittschuhen, seien sie für Eishockey, Eisschnell- oder Eiskunstlauf gedacht, Kufen und Schienen aus Carbon oder Carbonstahl immer beliebter, da sie besonders fest unter den Schuhen verankert sind und bestens gleiten.
Behindertensport
Einer breiten Öffentlichkeit hat sich Carbon als „Wunderwerkstoff“ der Zukunft auch im Sport spätestens seit den Triumphen des sog. Blade Runner Oscar Pistorius bis 2013 oder in jüngerer Zeit eines Markus Rehm eingeschrieben. Beide unterschenkelamputierten Leichtathleten laufen und springen auch in Wettkämpfen mit nicht-behinderten Sportlern der Konkurrenz davon – mit Carbon-Prothesen, die den Hinterläufen von Geparden nachempfunden sind. Markus Rehm etwa wurde am 26. Juli 2014 mit 8,24 Metern allgemeiner Deutscher Meister im Weitsprung. Den Paralympics-Weltrekord in dieser Disziplin hielt er bereits zuvor.
Zu den späteren Europameisterschaften wurden er und andere Prothesenspringer freilich nicht zugelassen, wie der Deutsche Leichtathletik-Verband (DLV) in einer Grundsatzentscheidung bekanntgab. Zu groß seien nach biomechanischen Auswertungen die Zweifel an der Vergleichbarkeit von Sprüngen mit und ohne Carbon-Prothese. Das steht freilich im Widerspruch zu früheren Entscheidungen des Leichtathletik-Weltverband IAAF und des Internationalen Sportgerichtshofs CAS in Lausanne, die den gemeinsamen Wettkampf zugelassen hatten.
Unstrittig ist dagegen die Verwendung von Carbon-Hilfsmitteln im reinen Behindertensport. Die Nordamerika-Abteilung eins großen europäischen Autobauers etwa entwickelte eigens für das US-Paralympics-Team 2016 in Rio de Janeiro einen spektakulären Rennrollstuhl aus Carbon. Rollstuhl-Athlet und mehrfacher Paralympics-Goldmedaillengewinner Josh George hält ihn für „das am coolsten aussehende Teil, das ich jemals gesehen habe.“
Auch in Deutschland wird an Spitzensportrollstühlen aus Carbon gearbeitet. Auf langjährige Erfahrung im Bau leichten Rennrädern und Handbikes, also Sportrollstühle mit Kurbelantrieb, kann beispielsweise Dr.-Ing. Marc Siebert vom Institut für Werkstofftechnik der Universität Kassel zurückgreifen. Darauf aufbauend entwickelte er mit seinem Team einen extra leichten Rollstuhl aus Carbon. Dessen geringes Gewicht von 5,9 Kilogramm (statt der zehn bis 15 Kilogramm eines herkömmlichen Rollstuhls) macht ihn in Sport und Alltag gut handhabbar. Ein breitenwirksamer, praktischer Ansatz, der denn auch mit dem zweiten Preis im Gründungswettbewerb Promotion Nordhessen ausgezeichnet wurde.
Zubehör und Accessoires
Die Einsatzmöglichkeiten von Carbon im weiteren Umfeld des eigentlichen Sports sind vielfältig, man denke nur an Funktions- und Schutzkleidung wie Schoner, Helme, Bodies, Shells, Rad-, Enduro- oder Skischuhe sowie an Zubehör von Aufbewahrungsbehältern bis hin zu verschüttsicheren Getränkebechern. Stets spielen dabei die Leichtigkeit, Stabilität und schier grenzenlose Formbarkeit des Materials eine entscheidende Rolle.
Große Öffentlichkeitswirksamkeit etwa entfaltete ein individuell angepasster Carbon-Gesichtsschutz, den Hertha BSC-Stürmer Vedad Ibišević bei einem Bundesliga-Fußballspiel trug, als er trotz kurz zuvor gebrochener Kieferhöhle für seine Mannschaft auflief und spielte. Für viele Zuschauer im Stadion und an den Bildschirmen war das sicher ein martialischer Anblick, allerdings auch ein einprägsamer, den man bis dato eher von gleichartigen Eishockey-Masken kannte. In diese Schutz-Kategorie gehören übrigens auch alle Ski-, Rad- und sonstigen Sporthelme sowie Schienbein-, Knie-, Armschoner und -schützer jeder Art, sei es für Fußballer, Skifahrer oder Bogenschützen.
Überhaupt scheinen die Anwendungsmöglichkeiten von carbonfaserverstärkten Kunststoffen im sportlichen Umfeld unendlich. So stehen beispielsweise für Golfer zusammenklappbare, 3,5 Kilogramm leichte Trolleys zur Verfügung, Carbon Spacer halten Abstand, etwa zwischen Gewichten oder am Fahrradvorbau, heutige Gewehr- und Pistolenschützen arbeiten selbstverständlich mit Gewehrstativen und Putzstöcken aus CFK, im Reitsport schützen Carbon-Gamaschen und -Springglocken empfindliche Pferdebeine und -hufe, Sprungbretter in carbonfibrider Sandwichbauweise unterstützten die dynamischen Absprünge von Leichtathleten und Turmspringern, und selbst bei der Produktion von Swimming Pools behauptet sich Carbon. Tatsächlich ein „Werkstoff nach Maß“, wie mittlerweile nicht nur Experten wissen.
