Keramikbremsen: Warum sie so teuer und so gut sind

Aus 400 km/h bis zum Stillstand braucht ein Bugatti Chiron nach Herstellerangabe 9,3 Sekunden und 491 Meter. Was dabei geschieht, ist im Kern einfache Physik: Die Bremse verwandelt Bewegungsenergie in Wärme. Carbon-Keramik-Bremsen sind darauf ausgelegt, diese Wärme immer wieder aufzunehmen, ohne nachzulassen, und dabei deutlich leichter zu sein als Scheiben aus Grauguss. Dieser Beitrag erklärt Werkstoff, Herstellung, Vorteile, Lebensdauer und Kosten und beantwortet die Frage, für wen sich die teure Technik lohnt.

Was beim Bremsen passiert

Die Bewegungsenergie eines Autos wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: E = ½ · m · v². Wer aus 250 statt aus 125 km/h bremst, muss also die vierfache Energie loswerden. Ein Supercar mit 1.700 kg, das von 250 auf 80 km/h verzögert, gibt dabei rund 3,7 Megajoule ab, gut eine Kilowattstunde. Bei einer mittleren Verzögerung von 1,2 g dauert das rund vier Sekunden. Die Bremsen setzen in diesem Moment also im Mittel rund 900 kW in Wärme um, mehr als die meisten Motoren an Leistung abgeben. Zum Vergleich: Mit 3,7 Megajoule ließen sich rund elf Liter Wasser von 20 auf 100 °C erhitzen, und das binnen vier Sekunden, verteilt auf vier Bremsen. Auf der Rennstrecke folgt so eine Bremsung Runde für Runde, oft mehrfach. Einen kleinen Teil übernimmt der Luftwiderstand, bei manchen Modellen verstärkt durch einen Heckflügel als Luftbremse, wie ihn der Beitrag Aktive Aerodynamik beschreibt. Der Großteil landet in Scheiben und Belägen.

Wie das am Extrem aussieht, zeigt die von Bugatti dokumentierte Messfahrt des Chiron mit Juan Pablo Montoya am Steuer. Von 0 auf 400 km/h vergingen 32,6 Sekunden und 2.621 Meter, die anschließende Bremsung bis zum Stillstand dauerte 9,3 Sekunden auf 491 Metern. Insgesamt waren es 41,96 Sekunden und 3.112 Meter, aufgezeichnet mit GPS-Messtechnik unter Aufsicht von SGS-TÜV Saar. Die Bremsung muss in weniger als einem Drittel der Beschleunigungszeit die gesamte Bewegungsenergie abbauen, die das Auto bei 400 km/h besitzt; einen Teil davon übernimmt der Luftwiderstand mit dem aufgestellten Heckflügel. Bugatti setzt dafür Carbon-Keramik-Scheiben mit 420 mm vorn und 400 mm hinten ein.

Wird es zu heiß, lässt die Wirkung nach. Dieses Fading hat zwei klassische Ursachen. Überhitzte Beläge gasen aus und bilden eine Schicht zwischen Belag und Scheibe, der Reibwert sinkt, und dieselbe Pedalkraft bringt weniger Verzögerung. Kocht zudem die Bremsflüssigkeit, bilden sich Dampfblasen, und das Pedal wird weich. Dagegen helfen Werkstoffe, die Hitze besser aushalten und ableiten, sowie eine gute Kühlluftführung.

Der Werkstoff: Kohlefaser in Siliziumkarbid

Eine Carbon-Keramik-Scheibe besteht aus Kohlenstofffasern in einer Matrix aus Siliziumkarbid, kurz C/SiC. Die Keramik liefert Härte, Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit, die Fasern verhindern, dass das an sich spröde Material bricht. Gegenüber Grauguss bringt das mehrere Vorteile: sehr geringen Verschleiß, kaum Fading unter hoher Last, keinen Einfluss der Luftfeuchte auf die Reibung und eine deutlich bessere Beständigkeit gegen Streusalz. Die Scheiben rosten nicht, und es entsteht deutlich weniger Bremsstaub. Unter den Verbundkeramiken leitet das so hergestellte Material zudem die Wärme besonders gut, weil es kaum Poren enthält. Siliziumkarbid selbst verträgt nach Angaben in der Fachliteratur Temperaturen bis rund 1.300 °C, Grauguss bis rund 1.000 °C. Entscheidend ist aber weniger der Höchstwert als die Fähigkeit, bei wiederholter Belastung einen stabilen Reibwert zu halten.

Nicht zu verwechseln ist das mit den Bremsen der Formel 1. Dort arbeiten Scheiben und Beläge aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, 1976 von Brabham gemeinsam mit Dunlop nach dem Vorbild von Flugzeugbremsen eingeführt. Sie entfalten ihre volle Wirkung erst bei sehr hohen Betriebstemperaturen und eignen sich deshalb nicht für die Straße. Carbon-Keramik ist dagegen für den Straßenbetrieb entwickelt und zugelassen.

Herstellung: viele Schritte bei großer Hitze

Die Fertigung verläuft in mehreren Stufen. Zunächst werden Kohlenstofffasern mit Harz zu einem Rohling gepresst. Dieser wird unter Luftabschluss bei hoher Temperatur verkokt: Aus dem Harz wird Kohlenstoff, und es entsteht ein poröser Körper aus Kohlenstoff und Kohlefaser. Anschließend wird er mit flüssigem Silizium getränkt, ein Verfahren namens Flüssigsilizierung. Dafür muss es heißer sein als 1.414 °C, der Schmelzpunkt von Silizium. Das Silizium reagiert mit dem Kohlenstoff zu Siliziumkarbid, die fertige Keramik hat nur noch rund drei Prozent Porosität, und die Fasern behalten dabei weitgehend ihre mechanischen Eigenschaften. Danach folgen die Bearbeitung des sehr harten Materials, je nach Bauart eine Beschichtung der Reibflächen und die Montage auf die Bremsglocke.

Eine Graugussscheibe wird gegossen und bearbeitet, eine Keramikscheibe durchläuft mehrere Hochtemperaturschritte, die Energie, Zeit und präzise Prozessführung verlangen. Der Zulieferer Brembo unterscheidet heute mehrere Bauarten: CCM mit faserverstärktem Keramikkern, CCB mit zusätzlicher Keramikschicht, CCM-R Plus für Rennsport, Hypercars und Top-Sportwagen sowie Dyatom mit fünf Lagen für den intensiven Streckeneinsatz. Beim Ferrari F80 kommt CCM-R Plus mit längeren Fasern zum Einsatz. Ferrari nennt gegenüber der vorherigen Generation die doppelte mechanische Festigkeit und eine um 300 Prozent höhere Wärmeleitfähigkeit, die Reibflächen sind mit Siliziumkarbid beschichtet.

Gewicht und ungefederte Masse

Je nach Bauart und Quelle sind Carbon-Keramik-Scheiben rund 40 bis 60 Prozent leichter als vergleichbare Scheiben aus Metall, Porsche beziffert den Vorteil seiner PCCB auf rund die Hälfte. Das zählt doppelt, weil die Scheiben zur ungefederten Masse gehören, die das Fahrwerk bei jeder Unebenheit beschleunigen und wieder abbremsen muss. Weniger ungefederte Masse bedeutet besseren Kontakt der Reifen zur Straße und mehr Komfort. Zudem drehen sich die Scheiben mit: Ihre geringere Massenträgheit erleichtert Beschleunigen, Bremsen und Einlenken. Die Gewichtsersparnis erlaubt außerdem große Durchmesser, die mehr Bremsmoment und mehr Fläche für die Wärme bieten. Das Bremsmoment ist das Produkt aus der Reibkraft der Beläge und ihrem Abstand zur Radmitte. Wächst der Scheibendurchmesser von 380 auf 420 mm, steigt dieser Hebel bei sonst gleicher Geometrie um gut zehn Prozent, bei gleicher Spannkraft der Bremssättel also auch das Bremsmoment. Gleichzeitig verteilt sich die Wärme auf eine größere Reibfläche.

Vom Exoten zur Option

Den Weg in die Serie bereiteten Anfang der 2000er-Jahre Porsche und Ferrari. Der Porsche 911 GT2 der Baureihe 996 hatte die Keramikbremse serienmäßig, der Carrera GT nutzte C/SiC-Scheiben von SGL Carbon mit 380 mm Durchmesser. Der Ferrari Enzo, gebaut von 2002 bis 2004 in 498 Exemplaren, war der erste Straßen-Ferrari mit Carbon-Keramik-Scheiben. Heute reicht die Spanne vom Hypercar bis zum Ford Mustang GTD, dem ersten Mustang mit Carbon-Keramik-Bremsen. Beim aktuellen 911 Turbo S misst die PCCB vorn 420 und hinten 410 mm, nach Porsche die größte Keramikbremse, die das Unternehmen je in einem zweitürigen Modell verbaut hat.

Lebensdauer: Straße gegen Rennstrecke

Im normalen Straßenbetrieb verschleißen Carbon-Keramik-Scheiben kaum. Die Hersteller prognostizieren eine Lebensdauer von bis zu 300.000 km, also oft so lange wie das Auto selbst. Auf der Rennstrecke sieht das anders aus. Ausgelegt sind die Scheiben darauf, im Laufe ihres Lebens nur wenige Stunden über 500 °C zu verbringen. Werden sie häufiger und länger so heiß, oxidieren die Kohlenstofffasern, und das Material verliert Substanz, nicht nur an der Oberfläche. Wer regelmäßig Trackdays fährt, überschreitet diesen Rahmen schnell. Die Beläge sind ohnehin Verschleißteile und auf der Strecke viel schneller aufgebraucht als im Alltag.

Daraus folgt eine nüchterne Rechnung. Für den Alltag und gelegentliche schnelle Runden ist Carbon-Keramik die langlebigere und pflegeleichtere Lösung. Wer viel auf der Rennstrecke fährt, sollte die Kosten je Streckentag einbeziehen: Graugussscheiben verschleißen dort zwar schneller, sind aber deutlich günstiger zu ersetzen. Porsche liefert selbst den 911 GT3 RS serienmäßig mit Metallscheiben aus und bietet PCCB als Option an. Worauf es bei Streckentagen sonst ankommt, beschreibt der Beitrag Trackday mit dem Supercar.

Warum Keramikbremsen so teuer sind

Der Preis ergibt sich aus der Summe vieler Faktoren: teure Fasern, mehrere Hochtemperaturschritte mit hohem Energiebedarf, lange Prozesszeiten, die schwierige Bearbeitung des harten Materials, aufwendige Qualitätsprüfung und vergleichsweise kleine Stückzahlen. Carbon-Keramik-Scheiben kosten ein Vielfaches von Graugussscheiben, was eine Verbreitung im Massenmarkt bislang verhindert. Hinzu kommen passende Beläge und Bremssättel. Als Option beim Neuwagen und als Ersatzteil gehört die Anlage deshalb zu den teuersten Einzelposten am Auto. Konkrete Preise hängen stark von Modell, Hersteller und Händler ab und sollten im Einzelfall erfragt werden; zur Einordnung der laufenden Kosten siehe den Beitrag Supercar-Versicherung und Unterhalt.

Zwischen Grauguss und Keramik gibt es inzwischen einen Mittelweg. Porsche brachte mit dem Cayenne der dritten Generation ab 2017 die Porsche Surface Coated Brake, eine Graugussscheibe mit einer 70 Mikrometer dicken Beschichtung aus Wolframkarbid. Sie soll bis zu 50 Prozent weniger Bremsstaub erzeugen und bis zu 35 Prozent länger halten. Sie kostet mehr als eine normale Scheibe, laut Fachberichten aber etwa die Hälfte einer Keramikanlage. Für Supercars mit sehr hoher Leistung und Masse bleibt Carbon-Keramik dennoch die Referenz, weil sie bei geringerem Gewicht die größte Hitzereserve bietet. Für ein Auto, das selten an die thermische Grenze seiner Bremsen kommt, ist der Gewinn dagegen kleiner, als der Aufpreis vermuten lässt: Dort zählen vor allem Gewicht, Korrosionsschutz und saubere Felgen.