Bahnreisen mit einem Tempo, das bisher nur Flugzeuge schaffen – was in Deutschland utopisch klingt, soll ein neuer Typ von Magnetschwebebahnen in China bis in etwa 10 Jahren Realität werden lassen. An der Entwicklung des schnellsten Zugs der Welt sind auch die Institute für Technische und Numerische Mechanik (ITM) sowie für Eisenbahn- und Verkehrswesen (IEV) der Universität Stuttgart beteiligt. Vor kurzem traf sich das Projektteam in Qingdao.
Im Auftrag der Regierung der Volksrepublik China baut die China Railway Rolling Stock Corporation (CRRC) in Qingdao, der weltgrößte Hersteller von Schienenfahrzeugen, seit 2016 den Prototyp einer neuartigen Magnetschwebebahn. Im späteren Regelbetrieb soll sie einmal mit einer planmäßigen Betriebsgeschwindigkeit von 550 km/h und einer Höchstgeschwindigkeit von 600 km/h große Distanzen in wenigen Stunden überwinden. Damit wird die Magnetschwebebahn einmal das schnellste Verkehrssystem im Landverkehr überhaupt sein.
Das futuristische Transportmittel, das durch magnetische Kräfte in der Schwebe gehalten, angetrieben und gebremst wird, beruht auf einem Konzept, das der deutsche Ingenieur und Erfinder der Magnetschwebebahn, Hermann Kemper, bereits im Jahr 1934 beschrieben hat: dem so genannten Langstatorprinzip. Dabei wird analog dem unbeweglichen Teil (Stator) eines Drehstrom-Synchronmotors abschnittsweise entlang des Fahrweges ein wanderndes Magnetfeld aufgebaut. Durch die Wechselwirkung mit den am Fahrzeug angebrachten Magneten, die dem Rotor im Drehstrom-Synchronmotor entsprechen, entsteht eine Bewegung. Da diese Bewegung berührungslos erfolgt, muss das Fahrzeug zunächst angehoben und dann während des gesamten Bewegungsvorgangs im Schwebezustand gehalten werden. Unter Berücksichtigung der vielfältigen internen und externen Krafteinwirkungen ist es notwendig, den so entstehenden Abstand zwischen Fahrweg und Fahrzeug sowohl in vertikaler wie auch in horizontaler Richtung möglichst konstant zu halten, um die Sicherheit, Verschleißarmut und Fahrkomfort des Systems zu gewährleisten.
Internationale Wertschätzung
Um dieses extrem anspruchsvolle Projekt umzusetzen, bedarf es auch vielfältiger und oftmals sehr komplexer ingenieurtechnischer Lösungen. Das 2015 unter Beteiligung der Universität Stuttgart und des Verkehrswissenschaftlichen Instituts Stuttgart gemeinsam mit der Firma CRRC gegründete Chinesisch-Deutsche Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Stuttgart e. V. (CDFEB) hat die Aufgabe, in diesem Zusammenhang wichtige fahrdynamische Aspekte zu erforschen. Die Institute für Technische und Numerische Mechanik (ITM) sowie für Eisenbahn- und Verkehrswesen (IEV) der Universitäten Stuttgart sind an diesen technisch wie gesellschaftlich spannenden Entwicklungen unmittelbar beteiligt.
„Magnetschwebebahnen haben eine wechselvolle Geschichte in Deutschland und es hat eher politische als technische Gründe, dass die Shanghai Maglev Bahn derzeit weltweit die einzige kommerziell betriebene Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn ist. So ist es eine große Ehre und Freude für uns, unser Wissen und unsere Erfahrung für die Modellierung, Simulation und Regelung der nächsten Generation dieser Bahnen einbringen zu dürfen“, betont der Leiter des Instituts für Technische und Numerische Mechanik, Prof. Peter Eberhard. „Dass uns dieses Vertrauen von der chinesischen Firma CRRC entgegengebracht wird, zeigt die internationale Wertschätzung, die unsere Arbeiten genießen.“
Prof. Ullrich Martin, Leiter des Instituts für Eisenbahn- und Verkehrswesen, würde die Technologie gerne auch hierzulande im Einsatz sehen: „So erfreulich die anhaltende weltweite Wertschätzung für das deutsche Ingenieurverständnis bei hochinnovativen Verkehrssystementwicklungen auch ist, stimmt es doch sehr bedenklich, dass wir in Deutschland oftmals nur noch von den Errungenschaften der Vergangenheit leben und innovativen Entwicklungen zunehmend skeptisch gegenüberstehen, während in anderen Ländern neue attraktive Lösungen zum Einsatz kommen.“
Simulationen mit Instituts-Software Neweul-M²
Ein wesentlicher Schwerpunkt der Kooperation ist zunächst die weitere konzeptionelle Detaillierung als Grundlage für eine hinreichende Spezifikation des Prototyps sowie eine darauf aufbauende dynamische Analyse der Einzelmagnete am Fahrzeug. Hierfür wird die am ITM entwickelte Software „Neweul-M²“ zur Modellierung, Regelung und Simulation von Mehrkörpersystemen genutzt. Die auf diese Weise per Simulation bestimmten Ergebnisse werden mit Messdaten von einem noch in Entwicklung befindlichen Prüfstand iterativ abgeglichen, um so die Voraussetzungen für eine anforderungsgerechte Konstruktion zu schaffen. Eine besondere Herausforderung besteht dabei darin, die mit zunehmender Geschwindigkeit quadratisch anwachsende Energie so zu beherrschen, dass sowohl die Funktionsfähigkeit als auch die Sicherheit, aber ebenso ein hinreichender Fahrkomfort unter dynamischen Beanspruchungen erreicht werden können.