Schweizer Flitzer

Mit 500 km/h durch die Röh­re – eid­ge­nös­si­sche Prä­zi­si­on und Blom­ber­ger Inno­va­ti­on berei­ten den Weg für Hoch­ge­schwin­dig­keits-Trans­por­te der Zukunft

Swiss­loop Modell 2018 “Mujin­ga”

Tat­ort Zürich. Doch nicht das Ban­ken­vier­tel, son­dern der Cam­pus der Eid­ge­nös­si­schen Tech­ni­schen Hoch­schu­le Zürich steht dies­mal im Licht der Öffent­lich­keit. Denn hier resi­diert Swiss­loop. Der Name steht für ein Inno­va­ti­ons­pro­jekt an der inter­na­tio­nal höchst ange­se­he­nen Aus­bil­dungs- und For­schungs­stät­te.
Ziel ist die Ent­wick­lung inno­va­ti­ver Tech­no­lo­gi­en für schnel­le, rohr­ge­bun­de­ne Trans­port­sys­te­me mit Geschwin­dig­kei­ten bis zu 1.200 km/h, ent­spre­chend der Hyper­loop-Visi­on des Tes­la-Grün­ders Elon Musk. Geforscht und getüf­telt wird dazu welt­weit von unter­schied­li­chen Teams. Ein­mal im Jahr wird ein gro­ßer Wett­kampf, die Hyper­loop Pod Com­pe­ti­ti­on, beim Musk-Unter­neh­men SpaceX in Los Ange­les abge­hal­ten, wo die Teil­neh­mer demons­trie­ren, was ihre Gefähr­te leis­ten kön­nen. Von den ursprüng­lich rund 1.000 Teams, die sich 2018 am Wett­be­werb betei­lig­ten, blie­ben letzt­lich nur 18 übrig.

Han­no Kap­pen

Nach­dem das Swiss­loop-Team 2017 den 3. Platz errei­chen konn­te, mach­te man sich 2018 erneut gro­ße Hoff­nun­gen auf einen der vor­de­ren Plät­ze. Doch ein Pro­blem des Motor­reg­lers in der Vaku­um­röh­re ver­ei­tel­te in letz­ter Sekun­de den erwar­te­ten Sprung aufs Trepp­chen.
Han­no Kap­pen, 2018 noch Stu­dent der Elek­tro­tech­nik an der ETH Zürich, war eines der rund 20 Mit­glie­der des Stu­die­ren­den­teams, die die Ent­wick­ler­grup­pe 2018 bil­de­ten.

Beschleunigung wie ein Supersportwagen

„Das als Pod bezeich­ne­te Pro­jekt­fahr­zeug muss in der Ver­suchs­röh­re von Musks Fir­ma SpaceX inner­halb von weni­gen Sekun­den auf eine mög­lichst hohe Geschwin­dig­keit beschleu­ni­gen und recht­zei­tig wie­der zum Ste­hen kom­men“, erläu­tert Kap­pen. Das Ren­nen der fah­rer­lo­sen Pods fin­det in den USA in einer von SpaceX gebau­ten „Hypertu­be“ statt, einer tei­leva­ku­ier­ten, 1,25 Kilo­me­ter lan­gen Röh­re mit einem Durch­mes­ser von 1,8 Metern. Die Fahr­zeu­ge bewe­gen sich hier­bei ent­lang einer im Boden ver­an­ker­ten, durch die gan­ze Röh­re ver­lau­fen­den I-Schie­ne.

Das Anfor­de­rungs­pro­fil erin­nert an Drags­ter-Ren­nen: Gewin­ner ist, wer in der zur Ver­fü­gung ste­hen­den Distanz die höchs­te Maxi­mal­ge­schwin­dig­keit erreicht – und es gleich­zei­tig schafft, am Ende der Stre­cke nicht zu cras­hen.

Die Antriebs­en­er­gie muss (ohne Ver­bren­nungs­mo­tor) an Bord des Pods erzeugt wer­den. Bei dem von Swiss­loop kon­zi­pier­ten Gefährt wird sie von Bat­te­ri­en mit 250 kWh gelie­fert. Für den Vor­trieb sor­gen vier Naben­mo­to­ren mit je 110 kW in den Lauf­rä­dern, die mit einem spe­zi­el­len PU-Schaum beschich­tet wur­den, der die Über­tra­gung hoher Beschleu­ni­gungs- und Brems­kräf­te ermög­licht. 540 PS Gesamt­leis­tung ent­wi­ckelt der „Mujin­ga“.

Ziel des Swiss­loop-Teams war es 2018, eine Geschwin­dig­keit von rund 500 km/h zu errei­chen. Das erfor­dert eine mitt­le­re Beschleu­ni­gung um die 12 m/sec2 – eine Grö­ßen­ord­nung, die sonst nur Super­sport­wa­gen errei­chen.

Hightech in jedem Detail

Um der­ar­ti­ge Wer­te errei­chen zu kön­nen, müs­sen Teams aus ver­schie­de­nen Dis­zi­pli­nen eng zusam­men­ar­bei­ten“, schil­dert Han­no Kap­pen. Für den Pod arbei­ten Fach­leu­te aus den Berei­chen Maschi­nen­bau, Fahr­zeug­tech­nik, Elektrotechnik/Elektronik sowie Hydrau­lik und Pneu­ma­tik zusam­men.

Das gesam­te Gefährt ist in Ultra­leicht­bau­wei­se aus­ge­führt. Das Chas­sis und zahl­rei­che wei­te­re Kom­po­nen­ten bestehen aus Leicht­bau­werk­stof­fen wie Car­bon­fa­ser oder Alu­mi­ni­um. Bei jedem Bau­teil wur­de das Gewicht begut­ach­tet und jeder Trick ver­sucht, um an der einen oder ande­ren Stel­le noch ein paar Gramm ein­zu­spa­ren. Nur so ist es mög­lich, trotz der enor­men Leis­tung das Gesamt­ge­wicht im Bereich von 300 kg zu hal­ten.

E-Flitzer auf Formel-1-Niveau

Beson­de­re Her­aus­for­de­run­gen erga­ben sich im Bereich Sen­so­rik, Steue­rung und Akto­ren“, ergänzt Kap­pen. Auf­grund der hohen Geschwin­dig­keit müs­sen die­se Kom­po­nen­ten an den
Gren­zen ihrer Mög­lich­kei­ten ein­ge­setzt wer­den. Bei 500 km/h bewir­ken selbst kleins­te Uneben­hei­ten erheb­li­che Stoß­kräf­te auf die Räder und die gesam­te Mecha­nik, die blitz­schnell kom­pen­siert wer­den müs­sen. Ach­sen, Fede­rung und Dämp­fung müs­sen For­mel-1-Anfor­de­run­gen erfül­len.

Das Fahr­zeug besitzt kei­ne Len­kung. Rich­tungs­än­de­run­gen müs­sen durch mini­ma­le Nach­jus­tie­rung der ein­zel­nen Rad­an­trie­be erfol­gen. Beson­ders hei­kel ist der Kon­takt zur I-Schie­ne, denn die­ser erfolgt durch klei­ne Rol­len, und zwar nicht nur seit­lich, son­dern auch ver­ti­kal von unten. Die­se Rol­len wer­den über Feder- und Dämp­fer­glie­der an die Schie­ne gedrückt und mel­den Posi­ti­ons­ab­wei­chun­gen über Sen­so­ren an die Steue­rung. Die­se muss dann im Mil­li­se­kun­den­be­reich
reagie­ren, denn die Tole­ran­zen für Bahn­ab­wei­chun­gen sind extrem gering. Zudem müs­sen die ver­ti­ka­len Rol­len auch noch kon­trol­liert Andruck­kräf­te auf­brin­gen, um den ver­ti­ka­len Nei­gungs­win­kel des Fahr­zeugs – etwa beim Beschleu­ni­gen und Brem­sen – zu kon­trol­lie­ren.

Teamwork mit der Industrie

„Ohne Unter­stüt­zung durch zahl­rei­che Fir­men hät­ten wir die­ses Pro­jekt gar nicht durch­füh­ren kön­nen“, weiß Han­no Kap­pen. Das galt nicht nur für die zahl­rei­chen Kom­po­nen­ten des Pods, son­dern auch für die Bera­tung bei Aus­le­gung und Ein­satz. Infra­ge kam nur Spit­zen­tech­no­lo­gie. Sei­ne aus
vier E-Tech­nik-Stu­den­ten bestehen­de Grup­pe hat­te die Auf­ga­be, alle im Bereich Ener­gie­ver­sor­gung und Steue­rung ent­ste­hen­den Her­aus­for­de­run­gen zu bewäl­ti­gen.

Dazu gehör­ten Bat­te­rie­ma­nage­ment und diver­se elek­tro­ni­sche Sub­sys­te­me bei Sen­so­ren und Akto­ren sowie die Aus­le­gung des Ver­knüp­fungs­netz­werks, über das der Daten- und Befehls­fluss zwi­schen der Steue­rung und den zahl­rei­chen Peri­phe­rie­ein­hei­ten abge­wi­ckelt wer­den muss.

Nervenbahnen in Grün

Für unse­re E-Tech­nik-Grup­pe war wert­voll, dass wir mit Phoe­nix Con­tact einen Part­ner für die elek­tri­sche Ver­net­zung gefun­den haben, der welt­weit für sei­ne Spit­zen­qua­li­tät bekannt ist“, sagt Kap­pen. Dar­über hin­aus enga­gier­te sich Phoe­nix Con­tact auch mit inten­si­ver Bera­tung und Unter­stüt­zung.

Rund­steck­ver­bin­der M12

Es kris­tal­li­sier­te sich her­aus, dass sich für die­se Auf­ga­ben­stel­lung Rund­steck­ver­bin­der im M12-For­mat am bes­ten eig­ne­ten.“ Die mehr­po­li­gen Kabel kön­nen bei Bedarf auch sel­ber kon­fek­tio­niert wer­den. Hier­zu lie­fer­te Phoe­nix Con­tact auch gleich das geeig­ne­te Kabel­ma­te­ri­al.

Auf­grund des grü­nen Out­fits der Kap­pen ste­chen die­se „Ner­ven­bah­nen“ des Pods optisch her­vor, ins­be­son­de­re bei der von Kap­pen ent­wi­ckel­ten zen­tra­len Netz­werk-Con­trol­ler-Pla­ti­ne mit ihren ins­ge­samt 20 mehr­po­li­gen Kom­mu­ni­ka­ti­ons­an­schlüs­sen. „Beson­ders erfreu­lich war für mich, dass das Unter­neh­men über sei­ne orts­na­he Schwei­zer Nie­der­las­sung schnel­le, unbü­ro­kra­ti­sche und vor allem auch sehr kom­pe­ten­te Hil­fe­stel­lung geleis­tet hat“, fasst Han­no Kap­pen sei­ne Erfah­run­gen zusam­men. Er lebt und arbei­tet heu­te in Los Ange­les.

Neuer Anlauf 2019

Swiss­loop Team 2018

Die Schmach des tech­ni­schen Knock-outs 2018 wol­len die Akteu­re der Eid­ge­nös­si­schen Tech­ni­schen Hoch­schu­le Zürich natür­lich nicht auf sich sit­zen las­sen und tüf­teln längst an Ver­bes­se­run­gen und einem erneu­ten Ver­such. Im Juli 2019 geht der neue Pod mit Namen “Clau­de Nicol­lier” mit einem neu ent­wi­ckel­ten Line­ar­mo­tor an den Start. Mit heh­rem Ziel, denn auch die Schweiz als Land der Tun­nel plant eine eige­ne Ver­si­on der vaku­um­ier­ten Hoch­ge­schwin­dig­keits­röh­re. Und das mit pas­sen­den Fahr­zeu­gen.

Klaus Voll­rath, frei­er Tech­nik- und Wis­sen­schafts­jour­na­list

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