Kopf oder Zahl?

Future

Schnelle Fahrzeuge müssen leicht und windschlüpfrig sein. Das gilt auch für Hochgeschwindigkeitszüge. Leider gibt es da Zielkonflikte: Doppelstockwagen sind ein Beispiel dafür. Wir begeben uns wieder ins Jahr 2035.

06. April 2011

Dass die Booster der Ares-Trägerraketen bisheriger US-Raumfähren ein ganz natürliches Maß haben, ist Ihnen natürlich bekannt. Für alle anderen hier die Erklärung: Diese Solid-Rocket-Booster (Feststoffraketen) wurden im gebirgigen Utah hergestellt und mussten von dort per Bahn nach Cape Canaveral in Florida transportiert werden. Die Bahnstrecke führt aber in Utah durch einige Tunnel, die man nicht eigens für diese seltenen Transporte erweitern wollte.

Also mussten die Durchmesser jener Booster an das Lichtraumprofil, genauer gesagt das Lademaß der US-amerikanischen Bahnen angepasst werden. Das Lichtraumprofil richtet sich nach der Spurweite, die in den USA wie in den meisten europäischen Ländern 1435 mm (4 8½) beträgt – ein nicht nur im metrischen System sehr krummes Maß. Dieses Maß hatten die Engländer schon für ihre Pferde-Eisenbahnen von den Spurweiten der Kutschen übernommen, und die wiederum wurden durch die Spurrillen bestimmt, die einst die für die Ewigkeit bauenden Römer für ihre Streit- und Transportwagen festgelegt hatten – und zwar so, dass dazwischen bequem zwei Pferde nebeneinander laufen konnten.

Weil Pferde – wie auch etwa die Hälfte der erwachsenen Menschen – an den Oberschenkeln am breitesten sind, wird der Durchmesser von Weltraumraketen also wesentlich – und ganz natürlich – von der Breite antiker Pferdehintern bestimmt.

Auch Doppelstockwagen (Dostos) – auch sie müssen in das Lichtraumprofil passen – wiegen relativ wenig pro Sitzplatz, bieten dem Fahrtwind aber eine Menge Stirn, mehr jedenfalls als ein normaler Waggon. Hätten die europäischen Bahnen das gewaltige Lichtraumprofil der Nordamerikaner, ließe sich das Thema Dosto zumindest platzmäßig wesentlich leichter realisieren. Haben sie aber nicht: In Europa geht es vergleichsweise (und auch noch unterschiedlich) eng zu; in der Schweiz zum Beispiel oben herum und in England überhaupt. Es ist allerdings ein Gerücht, dass der Landesname vom dortigen Lichtraumprofil abgeleitet ist.

Im europäischen Lichtraumprofil G1 der EBO lässt sich Dosto-mäßig gar nichts machen, denn es ließe nur eine Deckenhöhe von etwa 1,70 zu. Deshalb bauten die Bahnverwaltungen möglichst viele Strecken auf G2 um. Doch auch diese Begrenzung bietet zu wenig Platz, selbst wenn man sich im oberen Bereich auf drei Sitze nebeneinander beschränkt: Die Einzüge im unteren Bereich, früher nötig, um zum Beispiel die 75 cm hohen ›niedrigen‹ Sperrsignale und andere Bauten in Gleisnähe unterzubringen, haben den Fußraum der Außensitze im Tiefgeschoß unzumutbar eingeschränkt. Um hier Abhilfe zu schaffen, bekamen die Doppelstockwagen bald eine Sondergenehmigung – für entsprechend umgebaute Strecken, versteht sich. Dieses unten erweiterte Profil galt – zunächst inoffiziell – als G3 und ist 2035, nach Jahrzehnten gängiger Praxis, endlich zur Norm gereift.

Frankreich war schon in den 90er-Jahren einen Schritt weiter gegangen und hatte mit dem zweistöckigen TGV Duplex auch oben das EBO-Profil verlassen, sodass im zweiten Stockwerk ebenfalls die volle Wagenbreite zur Verfügung stand – Ausgangsbasis für das Profil G4, das sich inzwischen durchzusetzen scheint.

Schon um 1960, also vor über 70 Jahren, haben die Japaner, bis dahin auf die 1067-mm-›Kapspur‹ beschränkt, mit der Einführung der Normalspur für den Shinkansen ein radikal neues Lichtraumprofil definiert, das Wagenkästen über 3400 mm Breite und damit sechs Sitze nebeneinander erlaubt – in denen freilich ein richtiger Europäer (Generation 100 kg plus) nur schwer (!) Platz findet.

Um jedoch auch in ganz Europa diesseits des Ärmelkanals bis hinten in die Walachei verkehren zu können, hielt sich die DB in den Vorschriften für den ICE 7 wieder streng an das Profil G2. Die einstigen ›Gröswaz‹-Pläne (Größte Spurweite aller Zeiten) mit 3000, 4000 oder gar 9000 mm Spurweite von 1942 sind ja aus bekannten Gründen seit 90 Jahren ausgeträumt.

Realität werden aber wohl spezielle Wagenkästen für die Neubau- und bestimmte ›freigeräumte‹ Strecken mit dem G4-Profil (nur die Kastenenden sind eingezogen, um Übergangsprobleme zu G2-Wagen zu vermeiden), die auch im oberen Bereich vier 2.-Klasse- und drei 1.-Klasse-Sitze in einer Reihe erlauben. In G2 passen dagegen nur drei 2.-Klasse- oder zwei 1.-Klasse-Sitze nebeneinander, letztere freilich in ›Club‹-Ausführung, ähnlich den Business-Class-Sitzliegen für Langstreckenflüge. In einen derartigen 200-m-Zug mit Bistro- und Rolli-Wagen (für Radwanderer und Behinderte) passen somit 640 bis 700 Passagiere, also ein Drittel bis die Hälfte mehr als in den einstöckigen ›Velaro‹ von 2011.

Um möglichst viele Passagiere oder große Lastvolumina unterzubringen, sollte ein möglichst großer Teil der Zuglänge genutzt werden. Deshalb hat man ab dem ICE 3 die Antriebstechnik weitgehend in den Wagenboden versenkt. Dann ist aber nur Platz für ein Stockwerk. Deshalb werden Dosto-Züge wieder von Lokomotiven gezogen und/oder geschoben.

Über kurz oder lang

Über Jahrzehnte war man sich einig über die Kopfform schneller Triebzüge: lang und spitz wie Haischnauzen, um der Luft möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen. Doch lang und spitz braucht Platz. Eine aerodynamisch sinnvoll gestreckte Kopfform braucht schon beim Einstöcker fast zehn Meter an jedem Ende, wofür insgesamt leicht 40 bis 50 m³ an Bauraum verloren gehen – zu viel für die Kalkulateure der Bahngesellschaften. Also sollten die Kopfformen betriebswirtschaftlich kurz und marketinggerecht lang werden. Heraus kamen sowohl beim ICE wie beim TGV mehr als faule Kompromisse – aerodynamische Witzfiguren quasi, aber als PR-Gag beeindruckend.

Denn die Luft hat ihre Tücken, vor allem wenn sie hinten frei wird – rein aerodynamisch betrachtet, versteht sich: Während die Kopfform relativ leicht (weil gedrungen) zu gestalten ist, macht der Rampenwinkel am Heck Probleme: Ab etwa 20° steigt der Luftwiderstand steil an, erreicht bei etwa 35° ein Maximum und fällt dann wieder deutlich zurück.

Den Le-Mans-Sportwagen der 60er-und 70er-Jahre verpasste man einfach ein Langheck. Aber wie gesagt, kostet Zuglänge Platz und damit Geld und außerdem müssen Triebwagenzüge im Gegensatz zu Rennwagen vorwärts und rückwärts gleich schnell fahren können, folglich symmetrisch gestaltet sein.

Die frühen ICEs und TGVs liegen leider im Maximalbereich des Luftwiderstandes am Fahrzeugheck. Und selbst der ICE 3 zog zwei riesige Wirbelschleppen hinter sich her, weil die Heckströmung etwa auf halben Wege abriss, eine Wirkung, die man beim ›Velaro‹ durch einen unauffälligen Trick abmilderte:

ein geringerer seitlicher Einzug und ein etwas kantigerer Querschnitt sorgen dafür, dass eine seitliche laminare Strömung die Wirbelschleppen einschnürt und somit verkleinert; das verringert nicht nur den – übrigens keineswegs größen- und geschwindigkeitsunabhängigen (Luft ist nicht masselos) – cw , sondern schont auch Personen in Gleisnähe, etwa auf Bahnsteigen.

Wie Kürze und Strömungsgunst in Einklang gebracht werden, hat Mercedes mit dem ›Kofferfisch‹-Prototypen ›Bionic Car‹ gezeigt – sicher auch gut für einen 200-m-Zug. Dazu ein kleiner Ausflug: Als die SNCF, fortschrittlichste Bahngesellschaft Europas und seit 1955 Weltrekordinhaberin, 1964 die CC 40100, ›Großmutter‹ mehrerer Lokomotivbaureihen, die teilweise für 240 km/h vorgesehen waren, der Öffentlichkeit vorstellte, staunte diese nicht schlecht (»Nez cassé« – gebrochene Nase – hießen sie bald):

Dieses Zick-Zack-Gebilde, an die deutsche E 44 aus den 30ern erinnernd, sollte zu einer Schnellfahrlok passen? Wie überzeugend dagegen 1965 die E 03 mit ihrer Tropfenstirn, bis 250 km/h schnell! Dass die Franzosen kaum über 220 kamen, lag an der relativ mickrigen Leistung und weniger an der Gestalt. Denn: An langen Zügen ist der Reibungswiderstand weit größer als der Formwiderstand. Und damit sind wir wieder zurück vom Ausflug.

Hai, Delfin, Kofferfisch?

Auch wenn ein ›Kurzheck‹ suboptimal ist, spielt es also für den Gesamtfahrwiderstand eines Zuges eine untergeordnete Rolle: Der Luftwiderstandsbeiwert (cw) eines ICE 3 um die Jahrtausendwende zum Beispiel betrug etwa 1,1 (der eines typischen Autos aus jener Zeit lag bei 0,30); dieser Wert setzt sich aus dem Formwiderstand (Kopf, Heck, Fahrzeuglücken, Fahrwerk, Stromabnehmer und so weiter), der etwa ein Drittel des Luftwiderstands ausmacht, und dem längenabhängigen Reibungswiderstand zusammen. Ein strömungsoptimiertes Langheck bringt also allenfalls fünf Prozent Einsparung.

Da ein Zug zwar breiter als ein PKW ist, ein Lokführer aber nicht unbedingt breiter als ein Autofahrer, kann der Führerstand des Hochgeschwindigkeitszuges seitlich etwas eingezogen werden, was den HGZ-Kopf eher nach Delfin als nach Kofferfisch aussehen lässt und eine gewisse Ähnlichkeit mit den Schnelltriebwagen und Stromliniendampfloks des Tausenjährigen Reiches assoziiert. Und ähnlich Dampfloks erhält der ›Fischkopf‹-ICE Windleitbleche, die eine laminare Strömung auch im Front- und Heckbereich erzwingen.

Zunächst erhält der ICE 7 allerdings noch Lokomotiven mit langen Köpfen; für die langsameren Zugvarianten, die mit einer Lok auskommen, wurden aber zu Versuchszwecken auch Steuerwagen mit kurzem Kopf bestellt. Denn ein Nachteil dieser Variante sei nicht verschwiegen: Sie ist empfindlicher gegen Seitenwind. Ein lösbares Problem, denn zum einen besitzen die Steuerwagen kleine Hilfsantriebe mit immer noch sehr schweren Energiespeichern, zum anderen ließen sie sich als Fracht- (›Par-Cell‹) oder Container-Tragwagen (›Cont-Tra‹) ausführen, die man, falls es an Nutzlast mangelte, mit Ballastgewicht im Kopfbereich beschweren könnte.

Doch man tat noch mehr, um den cw des Cellaro zu senken: So hat er dank induktiver Leistungsübertragung keine Stromabnehmer mehr. Die Wagenzwischenräume werden geschlossen, die Unterseiten noch weiter geglättet, die Drehgestelle sowohl seitlich als auch unten verkleidet. Die Oberflächen erhalten eine strömungsgünstige, nanostrukturierte ›Haihaut‹. Alles in allem führt das dazu, dass der lange ICE 7 Cellaro trotz des um fast 15 Prozent größeren Querschnitts nahezu 30 Prozent weniger Luftwiderstand hat als sein Vorvorvorgänger ICE 4 Velaro. Deshalb reichen dem ICE 7 von 2035 schon 7,5MW für Tempo 400, und die installierten 11,5 MW könnten ihn über 450 km/h treiben. Zum Vergleich: Der Velaro erreichte mit 8,8 MW theoretisch knapp 385 km/h. Und er wog pro Sitzplatz mit rund 1 t etwa das Doppelte.

Hans-Georg Schätzl

380 km/h – leicht zu Erreichen

Gehen wir wieder 25 Jahre zurück: Zur weltgrößten Bahntechnikmesse im September 2010 ›Innotrans‹ in Berlin hat Bombardier Transportation seinen Super-Hochgeschwindigkeitszug ›Zefiro 380‹ vorgestellt: Der Zefiro 380 wurde ab 2012 in China eingesetzt und ist bis heute (2035) einer der schnellsten Züge der Welt. Bombardier Transportation hatte von 2007 bis 2010, also vor Baubeginn, Aufträge für insgesamt 160 Züge aus dem Hochgeschwindigkeitsbereich erhalten.

Erschienen in Ausgabe: 02/2011