Von Pionier-Ideen zu Pilot-Projekten

Leichtbau

Redaktionell wurde die Zukunft im Schienenfahrzeugbau am Beispiel von Hochgeschwindigkeitszügen (HGZ) 2010 auf die virtuelle Schiene gestellt – und die Auswirkungen der Entwicklung für die Branche der Bänder, Bleche, Rohre und Profile (bbr+p) als Visionen aufs Gleis gesetzt. Vergleichen wir doch die damaligen Visionen mit der Realität von heute!

17. September 2018
© Andreas Vogler; DLR
Bild 1: Von Pionier-Ideen zu Pilot-Projekten (© Andreas Vogler; DLR)

Wer keine Visionen hat, sollte bekanntlich zum Arzt gehen. Deshalb hat bbr bereits 2010 im Wege der Gesundheitsvorsorge den HGZ prognostiziert und vorgeschlagen: 

• eine Trapezstruktur aus Hohlprofilen für den doppelstöckigen

  Wagenkastenaufbau, beplankt mit Sandwich-Stahlblechen;

• Folien-Displays als Fensterersatz;

• lasergenerierte Laufräder, Wagen mit Einzelradantrieb und

  Energie-Rückgewinnung, induktive Energieübertragung;

• Power-Cars mit Brennstoffzellen und Akkus;

• Sicherheitskonzepte aus Radar, Funk und Multi-Sensoren

   und ein Schienenprofil mit Sensoren.

Inzwischen zeichnen sich die Entwicklungen im

Schienenfahrzeugbau ab, die schon nahe an diese Vorstellungen herankommen. Der Zug der Zukunft wird:

• doppelstöckig sein,

• eine wabenförmige Trage-Struktur aus Stahlrohr oder

  Aluminiumprofilen haben,

• mit mittragenden Sandwichblechen innen und außen

  beplankt sein.

Drei Projekte für den Schienenfahrzeugbau, insbesondere die Technologieträger Hochgeschwindigkeitszüge, liefern Belege zum Stand der Technik und zeigen Entwicklungstrends. 

Avionik und Automotive fusionieren

Diese Vertreter der Zug-Zukunft sind der NGT (Next Generation Train des DLR), der Velaro Novo der Siemens AG Mobility Division und der Aeroliner 3000 für Großbritannien, entwickelt und gestaltet von Andreas Vogler Studio, München, in Zusammenarbeit mit dem DLR.

Als Entwicklung auf der Schiene wurde der NGT auf der Fachmesse ›Innotrans‹ schon 2012 vorgestellt. Auf Basis dieses Zugkonzeptes wurde dann der Aeroliner 3000 entwickelt und 2016 präsentiert – ein Doppelstockzug, der trotz des dortigen engen Lichtraumprofils bald in Großbritannien fahren soll.

Ein neues Fahrzeugkonzept für die Schiene bringt auch der Velaro Novo, eine Siemens-Weiterentwicklung des ICE 3. Ein ›Einstöcker‹, der 2023 in den Normalbetrieb gehen soll – mit nochmals reduziertem Fahrzeuggewicht und Energieverbrauch. Nach bisheriger Zählung wäre das der ICE 5, denn der ›alte‹ Velaro ist ja schon einige Monate als ICE 4 unterwegs. Geliefert wird der Velaro Novo vom Hersteller als leere Hülle, die vom Käufer möbliert werden kann.

Die exotischste Vision für Schiene und Flug liefert Akka-Automotive, Sindelfingen, mit dem Designer-Konzept ›Link & Fly‹. Hier wird die Fahrgastkabine vom Schienenfahrzeug direkt zur Flugzeug-Passagierkabine: Inklusive der Fahrgäste wird er vom Zug gehievt, unter ein Flugzeug gehängt und bekommt so Flügel.

Die Materialqual der Wahl

Die Materialwahl im Schienenfahrzeugbau und Hochgeschwindigkeitszug ist noch nicht entschieden. Für Stahl spricht die Kombination aus Verfügbarkeit, kostengünstigen Herstellungsprozessen, Wiederverwendbarkeit und Wiederverwertbarkeit, Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit und Recycling – und vor allem die Anschaffungskosten.

Aluminium ist ebenfalls gut wiederverwendbar, benötigt aber für die Erstgewinnung sehr viel Energie und ist daher sehr teuer; dafür ist die Festigkeits-Masse-Relation noch günstiger als bei Stahl, was die laufenden Kosten für Energie mindert.

Die Bleche der Zukunft werden wahrscheinlich Nanostruktur, mit Haifischhaut- und Lotus-Effekt, aufweisen und möglicherweise endlos gewendelt sowie möglichst nahtlos um die Struktur des Wagenkastens gewickelt sein – nach dem Vorbild von Lüftungsrohren.

Kleben und Kleben lassen

Auch die von den bbr-Visionären bevorzugte Verbindungstechnik im Schienenfahrzeugbau zeichnet sich ab: Die schwächende Perforation mit Schraub- und Nietlöchern gehört wohl bald der Vergangenheit an; Kleben wird zur Perfektion entwickelt und hält zusammen – eben wie Blech und Kleber –, eine definierbare Verbindungstechnik mit empirischer Basis.

Alternativ-Verbindungstechniken sind die Laserschweißtechnik und das Explosionsschweißen (Plattieren), das unterschiedliche Materialien verbindet. Beide kennen keine Festigkeitsverluste durch schwache Schweißnähte und ersetzen die bisherige ›Perforations-Technik‹. 

Sicherheitkonzept und Unfallverbot

Wichtigste Voraussetzung für echten Leichtbau aufgrund geänderter Vorschriften wäre aber die Sicherheitstechnik. Kann der Konstrukteur von völliger Unfallfreiheit ausgehen, fällt auch der Leichtbau leichter. Für Sicherheitstechnik auf dem Weg zum von der bbr prognostizierten ›Unfallverbot‹ steht heute schon ein umfassendes Angebot zur Verfügung: das europäische Zugsicherungssystem ›European Train Control System‹ ETCS, Radar, Ultraschall, Bilderkennung, Sensortechnik, Laser, Funk und Vernetzung und auch das GPS, demnächst in der europäischen Variante ›Galileo‹, die ab 2019 in Europa vollständig nutzbar sein soll.

Zusätzliche Sicherheit bieten auch Systeme von Continental, die mit Radarsensoren und Umfeld-Kameras Unfälle vermeiden oder verhindern sollen. Eine Technik, die von der Straße und Straßenbahn jetzt auf die große Schiene gesetzt wird, so verkündet Continental-Vorstandsmitglied Hans-Jürgen Duensing.

Für die Bahntrasse gibt es zusätzlich Hinderniserkennungssysteme, die Bahnübergänge, Bahnsteige, Tunnel, Brücken, Viadukte, Straßenüberführungen und Ähnliches überwachen. Sie erkennen blockierte Gleise bei Tag und Nacht, Wind und Wetter, unabhängig vom Material. Auch der Velaro Novo hat zur Sicherheit bereits ein System an Bord, das Bauteile überwacht und die Schienenwege überprüft. Das Unfallverbot kann kommen – die Technik ist schon da.

Der Aeroliner zeigt vorbildlich, wie Ingenieure die Tragstruktur des Wagenkastens optimieren: Die DLR hat ein Fachwerk aus Hohlprofilen als Grundstruktur entwickelt, die Profilhersteller dürfte es freuen. Beplankt sind die projektierten Wagenkasten-Aufbauten mit Sandwich-Blechen, mit Metall- oder Kunststoffschäumen als Zwischenschicht. Außen für windschlüpfrige Gleitfähigkeit am Zug, innen für die Hygiene und das Wohlfühlen. Außen hui – und innen auch. Diese Bleche könnten schon im Walzwerk eine Nano-Prägung erhalten, eine ›Dressur‹ wie eine Haifischhaut mit Lotus-Effekt. Die eingesetzten Bleche müssen durch die genannten Verfahren möglichst nahtlos verbunden werden.

Das Ende der schweren Löcher

Ist die Unfallfreiheit erst einmal garantiert, braucht der Zug keine Notausgänge und daher keine Löcher mehr, denn Löcher sind nicht nur im All, sondern auch in der Technik schwer. Der fensterlose Zug ist ein Traum für den Konstrukteur und seine Festigkeitsberechnung. Display-Screens dienen als virtuelle Fenster und erzeugen eine perfekte Simulation der Außenwelt, erfasst von winzigen Kameras.

Beim schallschnellen Vakuumröhren-Fahrzeug Hyperloop, nach einer Idee des Tesla-Fabrikanten Elon Musk, sind Fenster ohnehin obsolet. Dass es fensterlos geht – zumindest im Flugzeugbau – zeigt die Emirates-Airline, die als Erste ein teilweise fensterloses Flugzeug, die Boeing 777, betreibt. Völlig fensterlose Flugzeuge hat das französische Design-Team Technicon Design aus Elancourt schon 2013 am Computer entwickelt und vorgestellt.

Einzelräder per 3D-Druck

Das Fahrgestell der Schienenfahrzeuge ist leider keine einträgliche Quelle für die bbr+p-Branche. Obwohl die Fahrgestelle weitgehend aus Profilen bestehen und Hauptquerträger vollständig aus Blech und Abkantprofilen geschweißt sind. Aber beim Aeroliner 3000 gibt es im Fahrgestell Neuerungen, wie sie die bbr ebenfalls vorausgesagt hat: Die Antriebseinheiten mit jeweils zwei Einzelrädern, nicht durch eine Achse verbunden, befinden sich an den Wagenenden. Zusammen mit dem Nachbarwagen bilden sie eine Art virtuelles Jakobs-Drehgestell, eine seit den frühen 30er-Jahren gebräuchliche Konstruktion.

Bei der Antriebstechnik und der Energiezufuhr liegt die Realität noch hinter den Visionen zurück. Die Hybridtechnik zieht zwar auch in den Schienenfahrzeugen ein, doch das Antriebskonzept mit Brennstoffzellen im Triebwagen, dem ›Power-Car‹ ist noch Zukunft.

Fährst du noch oder wohnst du schon?

Auch im Innenraum bleibt die Realität hinter der Vision einer Stahlblech-Möblierung zurück. Die redaktionellen Vorstellungen von 2010 ›außen Blech und innen auch‹ waren auf die Blech-Branche ausgerichtet. Sie hatten Lochblechsessel mit einer Gelauflage und trompetenförmigen Standbeinen vorgesehen. Vakuumfixiert am Boden und rollend mobilgemacht. Es gibt dafür auch heute noch kein Design-Konzept. Jedoch: Trotz des beengten Innenraums der Doppelstockwagen des Aeroliner 3000 hat der Münchner Designer Andreas Vogler als Innenarchitekt ein ansprechendes Innenraumkonzept gefunden.

Wolfgang G. Trapp Fachjournalist aus Swidwin (PL)

Erschienen in Ausgabe: 05/2018