20.06.2012

Spektrum.de

In der Bremse liegt die Kraft

Der Zug der Zukunft: Er rast mit 400 Kilometer pro Stunde über die Lande und spuckt am Zielort 1600 Menschen aus seinen Doppelstockwaggons. Unterwegs benötigt er nur halb so viel Energie wie ein ICE, und leiser ist er obendrein. Doch wird er jemals fahren?

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Stuttgart 21 spaltete das Land: Parteien und selbst Familien zerstritten sich über der Frage, ob man einen Bahnhof im Boden der schwäbischen Metropole versenken dürfe oder nicht. Nach dem zumindest in den Augen von Bahn und Politik bestandenen Stresstest wird nun kräftig gebaut – bis 2020 soll der neue Tiefbahnhof den Betrieb aufnehmen. Doch womöglich ist das modernste Vorzeigeprojekt der Deutschen Bahn dann schon wieder veraltet und entspricht nicht mehr den Anforderungen der neuen Zeit, befürchtet Joachim Winter vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

"Die vorhandene Bahninfrastruktur mit den aus Kaiserzeiten übernommenen Bahnhöfen ist nicht mehr zeitgemäß. Und auch Stuttgart 21 ist konventionell geplant. Die heutigen Bahnsteigbreiten verkraften beim Umsteigeverkehr überhaupt nicht die Passagierzahlen, die wir im Sinn haben", sagt der Projektleiter des Next Generation Train (NGT), des Zugs der Zukunft, der vielleicht schon bald über Deutschlands Hochgeschwindigkeitstrassen rauscht. Bis zu 1600 Passagiere kann und soll der NGT dann in seinen Doppelstockwaggons im Eiltempo transportieren – viel zu viele für die schmalen Bahnsteige, auf denen sich schon jetzt die Reisenden mit ihrem Gepäck stauen und in die Quere kommen. Zum Vergleich: Heutige ICE der dritten Generation besitzen gerade einmal 460 Sitzplätze.

Wenn Deutschland die Energiewende jedoch ernst nimmt, werde die Politik auch nicht an der Bahn und damit dem NGT mit seinen großen Passagierzahlen vorbeikommen, meint Markus Hecht von der Technischen Universität Berlin: "Die Eisenbahn muss wachsen – aus Umweltgründen und wegen der Energieeffizienz, und beides ließe sich mit relativ wenig Aufwand bewerkstelligen. Doch hierzulande werden die Potenziale noch nicht genutzt." Und das Potenzial ist riesig, wie seine Arbeit und die des Kollegen Joachim Winter zeigt: Schon mit kleinen Veränderungen kann man die Eisenbahn in Deutschland dramatisch leiser, energiesparender und schneller machen – so es denn gewollt ist.

Die Bremse als Dynamo
Allein über die Bremse zum Beispiel können die Zukunftszüge um bis zu ein Drittel effizienter werden, so Hecht: "Die gängige Bremse ist momentan die Luftbremse, die freigesetzte Energie verpufft als Wärme in die Umwelt. Mit einer elektrisch regenerativen Bremse sparen wir dagegen bis zu 30 Prozent der benötigten Energie ein." Beim Hochgeschwindigkeitszug des DLR treiben Elektromotoren die Lokomotive an, die beim Bremsen als Generatoren funktionieren und Strom produzieren. "Und diesen speisen wir entweder ins Stromnetz zurück oder speichern ihn an Bord, damit er gleich vor Ort wiederverwertet werden kann", ergänzt Winter. Das erfordere jedoch auch neue Speichermöglichkeiten im Zug, denn die bisherigen Batterien reichen hierfür einfach noch nicht aus. "Beim Bremsen entstehen keine kleinen Mengen. Wir brauchen daher vorerst vor allem im Netz Abnehmer – ähnlich wie bei der Windkraft. Es nützt nichts, diesen Strom zu erzeugen, wenn es dafür keine Nutzer oder Speicher gibt", so der DLR-Ingenieur.

Prinzipiell wäre diese Technik sogar schon heute einsetzbar, bei den modernen ICE würden schon einige Softwareanpassungen genügen, um den Zug zur Eigenenergieproduktion zu nutzen, sagt Markus Hecht: "Dazu müsste aber auch das Signalsystem der Bahn großflächig auf das European Train Control System (ETCS) umgestellt werden, was die Politik aber wegen der Investitionskosten bislang scheut." Bislang läuft dieses Leitsystem, das Europas Eisenbahnverkehr einheitlich steuern soll, nur auf wenigen ausgewählten Strecken, bis 2020 sollen dann 8000 Kilometer Gleis damit ausgerüstet sein – Deutschlands gesamtes Netz hat jedoch eine Länge von rund 40 000 Kilometer.

Das höchste Level 3 des ETCS ermöglicht das so genannte Fahren im relativen Bremswegabstand und damit eine höhere Auslastung viel genutzter Hauptstrecken. Zusammen mit dem Bordcomputer kann das System gezielt und sanft bremsen, während der menschliche Lokführer mitunter zu stark auf die Bremse tritt, weshalb er nach Kurven oder Eng- und Gefahrenstellen wieder beherzter beschleunigen muss – was entsprechend Energie kostet.

Die Aerodynamik ist noch lange nicht ausgereizt
Großes Potenzial steckt zudem in einer weiter verbesserten Aerodynamik: Der Zug der Zukunft soll deshalb durchgängig doppelstöckig von der Zugspitze an aufgebaut sein und nicht mehr wie momentan die Regionalbahnen, bei denen ein deutlicher Sprung zwischen der Lok und den Waggons auftritt. Dadurch entstehen Verwirbelungen und ein erhöhter Luftwiderstand, der energiezehrend überwunden werden muss.

Der eigentlich Clou des NGT ist allerdings der Strombezug aus der Strecke, was nicht nur die Lärmbelastung dämpft, sondern vor allem Reibungsverluste minimiert. Dazu sollen Stromschleifen in der Strecke verlegt werden, die per Induktion die Energie direkt auf den Zug übertragen, wenn dieser darüber hinweg rast. "Diese Technik funktioniert bereits bei Straßenbahnen wie in einem Augsburger Beispiel von Bombardier, allerdings noch bei langsamen Geschwindigkeiten. Wir wollen es aber auch bei 400 Kilometer pro Stunde schaffen", erläutert der DLR-Mitarbeiter.



Im Gegensatz zum Systemwechsel bei den Bremsen ist dieses Vorhaben aber nicht ohne Schwierigkeiten zu bewältigen: "Die nötigen 18 Megawatt lassen sich nicht so ohne Weiteres übertragen. Das kann nicht nur unter einem einzigen Wagenteil wie dem Zugkopf geschehen, sondern wir müssen die gesamte Zuglänge berücksichtigen." Außerdem dürfe der Strom stets nur dann durch die Schleifen fließen, wenn das Gefährt genau über diesem Streckenabschnitt auftaucht. "Alles andere wäre aus Sicherheitsgründen nicht möglich, sonst müsste man die gesamten Strecken absperren."

Und ihr Comeback soll eine Technik geben, die es bereits zur Zeit der Dampflokomotiven gab, die aber zwischenzeitlich völlig in Vergessenheit geriet: mechanotronisch gesteuerte Fahrwerke, die selbsttätig einzeln in die Kurve lenken können. "Starre Achsen sind billiger, deshalb wurde in der Vergangenheit lange auf diese gebaut. Diese wollen jedoch stets nur geradeaus fahren und werden durch den Spurkranz in die Kurve gezwungen, was Lärm produziert und den Verschleiß erhöht. Auf kurvenreichen Altstrecken könnten Züge mit flexiblen Achsen dagegen bis zu ein Drittel weniger Energie benötigen," meint der Berliner Ingenieur Hecht.

Lösung des Gewichtsproblems
Die Kombination aus durchgängigen Doppelstockwägen mit zwei Radsätzen stellt die Entwickler allerdings vor ein anderes Problem: "Wir müssen die europäische Vorgabe von maximal 16 bis 17 Tonnen Achslast einhalten, die auf den Hochgeschwindigkeitsstrecken die Norm sind", sagt Winter. Das lässt sich nicht ohne Leichtbauweise einhalten, die aber ebenfalls maximale Sicherheit gewähren muss. Dies soll etwa über Sandwichstrukturen mit einem Honigwabenkern und glasfaserverstärkten Deckschichten erreicht werden. Sie besitzen die gleiche Biegesteifigkeit wie Massivbauteile aus Aluminium, sind aber viel leichter.

Um bei Unfällen die Gefahren für die Passagiere zu reduzieren, gehen die Entwickler außerdem die Triebköpfe des Zugs an: Spezielle Knautschzonen sollen hier einen großen Teil der Aufprallenergie abfangen und so die Belastung für die anschließenden Waggons dämpfen. "Außerdem müssen die Innenräume so gestaltet werden, dass Koffer nicht mehr herumfliegen und Köpfe treffen können", ergänzt Markus Hecht – sie über dem Kopf zu verstauen ginge in den Doppelstockwagen allerdings aus Platzgründen ohnehin nicht mehr.

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Viel von der geplanten Technologie im NGT schauen sich die Entwickler vom Flugzeugbau ab – neben den Leichtbaumaterialien etwa auch Spoiler, Bremsklappen oder aktive Steuerflächen, mit denen die für die doppelstöckigen Waggons heiklen Seitenwinde in den Griff bekommen werden sollen: Sie werden bei starkem Wind oder Böen automatisch ausgefahren oder aufgestellt und sollen durch ihre Aerodynamik den Zug sicher und stabil auf das Gleis drücken.

Andere Alternativen ohne Chance
Mit diesem Superzug setzen die Ingenieure weiter auf die Rad-Schienen-Technologie, die mit Elektrizität angetrieben wird. Anderen Optionen räumen zumindest Joachim Winter und Markus Hecht keine Chance ein. "Die deutsche Magnetschwebe- oder die Luftkissenbahn in Frankreich sind einfach zu teuer und besitzen nicht so viele Vorteile wie die Eisenbahn. Ihre Entwicklungsursprünge stammen aus einer Zeit, als viele dachten, dass Züge nicht schneller als 200 Kilometer pro Stunde leisten könnten. Heute schaffen wir aber schon 400 Kilometer pro Stunde", sagt Hecht.

Und auch alternativen Energieträgern räumt Joachim Winter nur in Spezialfällen Chancen ein: "Es werden zwar bereits Brennstoffzellenzüge betrieben, diese fahren jedoch nicht auf öffentlichen Strecken, sondern vor allem beim Tunnel- oder Bergbau. Hier spielt Geld kaum eine Rolle, und der Einsatz dieser sauberen Züge lohnt sich, weil die Trassen keine dafür ausgelegte Stromversorgung aufweisen." Das DLR arbeitet allerdings daran, E-Züge auch auf nicht elektrifizierten Strecken fahren zu lassen. "Die Züge erhalten dann etwas, das den früheren Kohletendern entspricht: Das kann dann durchaus eine Brennstoffzelle sein, die die Energie liefert – als Zusatz. Als einziger Antrieb wird sie sich aber wohl nicht durchsetzen."

Stattdessen soll der Next Generation Train mit 400 Kilometer pro Stunde dem Flugzeug auch auf Strecken wie Paris-Berlin Konkurrenz machen und dabei nur noch halb so viel Energie brauchen wie der ICE 3. Wann der Superzug der Zukunft aber aufs Gleis kommt, steht in den Sternen. Erst muss wohl noch das leidige Problem der unzeitgemäßen Bahnhöfe gelöst werden.

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