Zug der Zukunft

© Alciro Theodoro da Silva
Text von: Heidi Niemann

Schneller, sicherer, effizienter, umweltfreundlicher, komfortabler: Bahnreisen sollen sich in Zukunft in ganz neuen Dimensionen bewegen. Bei der Entwicklung neuer Hochgeschwindigkeitszüge spielen Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Göttingen auch international eine führende Rolle.

,Next Generation Train‘ (NGT) heißt das Projekt, mit dem sich Forscher aus neun DLR-Instituten seit mehreren Jahren beschäftigen. Die Ziele, die sie sich gesteckt haben, sind sehr ehrgeizig: Die Wissenschaftler wollen einen Hochgeschwindigkeitszug entwickeln, der dem Flugzeug Konkurrenz machen kann.

Auf den ersten Blick gleichen die Anforderungen, die dieser Zug erfüllen soll, einer Quadratur des Kreises: Der Superzug soll bis zu 400 km/h und damit um 25 Prozent schneller fahren können als heutige ICE-3-Züge. Gleichzeitig soll er mehr Passagiere transportieren und nur noch halb so viel Energie pro Sitzplatz verbrauchen. Außerdem muss er die vorgeschriebenen Sicherheitsstandards erfüllen und so ausgelegt sein, dass er auch bei unterschiedlichsten Fahr- und Streckenverhältnissen nicht umkippt, abhebt oder entgleist.

Als wäre das alles nicht schon kompliziert genug, soll der Zug der Zukunft auch noch weniger Lärm verursachen und den Passagieren mehr Komfort bieten. Um diesen Fragestellungen nachgehen zu können, müssen die Forscher modellhaft möglichst reale Bedingungen simulieren können. Hierbei nimmt der DLR-Standort in Göttingen eine herausragende Rolle ein.

Göttingen gilt als Wiege der Aerodynamik, seit mehr als 100 Jahren forschen hier Wissenschaftler an Techniken für Flugzeuge, Hubschrauber, Raumfahrzeuge und Züge. Für experimentelle Untersuchungen stehen ihnen mehr als 20 Windkanäle und Großforschungsanlagen zur Verfügung. Zwei dieser Anlagen sind speziell für die Zugforschung konzipiert, eine davon ist besonders spektakulär: Auf einer 60 Meter langen Versuchsstrecke können die Wissenschaftler das Fahrverhalten von bis zu 400 km/h schnellen Zügen in Tunneln testen. „Diese Tunnelsimulationsanlage ist weltweit einzigartig“, sagt Andreas Dillmann, Leiter des DLR-Instituts für Aerodynamik und Strömungsmechanik. Ihr besonderer Clou besteht in der Verbindung von modernster Messtechnik mit antiken Wehrtechniken. Die Göttinger Forscher hatten nach einer effizienten Methode gesucht, um Zugmodelle in kürzester Zeit beschleunigen zu können.

Fündig wurden sie bei den alten Römern: Diese setzten vor 2.000 Jahren sogenannte Torsionsgeschütze ein, um Pfeile auf ihre Gegner zu schießen, und erzielten dabei Geschwindigkeiten von bis zu 200 Stundenkilometern. Die Göttinger Anlage kombiniert die römische Katapulttechnik mit heutigen Flugzeugkatapulten. Damit lassen sich Zugmodelle auf wenigen Metern von null auf bis zu 400 km/h beschleunigen und anschließend durch einen Tunnel aus Plexiglas katapultieren.

Besonders kritisch ist bei Hochgeschwindigkeitszügen die Tunneleinfahrt. „Dabei entsteht eine Druckwelle, die ähnlich wie bei Überschallflugzeugen Knallgeräusche auslösen kann“, erläutert Daniela Heine. Die Physikerin untersucht seit vier Jahren die Ausbreitung dieser Druckwellen. „Je schneller der Zug, je enger der Tunnel, desto stärker ist die Druckwelle“, erklärt sie. Genau hier liegt das Problem: Um mehr Passagiere transportieren zu können, werden die neuen Züge doppelstöckig ausgelegt sein und damit eine deutlich höhere Querschnittsfläche haben. Damit nehmen sie auch mehr Tunnelfläche ein und lösen eine stärkere Druckwelle aus.

Daniela Heine sucht nach Lösungen, wie sich diese Druckwellen besänftigen lassen. Hierzu katapultiert sie die Zugmodelle in immer neuen Versuchsanordnungen durch den Plexiglastunnel. Dieser ist mit zahlreichen Messsonden bestückt, die den jeweiligen Druck während der Durchfahrt aufzeichnen. Die Physikerin kann so die Entstehung und Ausbreitung der Druckwellen verfolgen und untersuchen, wie sich bestimmte Faktoren auswirken. „Um zu verhindern, dass sich die Druckwelle im Tunnel auftürmt und am Ende einen lauten Knall erzeugt, muss der Druckanstieg bei der Einfahrt möglichst flach verlaufen“, erklärt die Physikerin. Hierfür hat sie bereits einen Lösungsansatz gefunden: Ein dem Tunnel vorgelagertes Portal mit vertikalen Lüftungsschlitzen kann die Druckwelle um bis zu 70 Prozent abschwächen. Ein anderes großes Problem – vor allem für doppelstöckige Hochgeschwindigkeitszüge – ist der Seitenwind. Schon bei Tempo 300 wird die Spitze von doppelstöckigen Zügen entlastet, bei Tempo 400 ist der Effekt entsprechend größer.

„Bei starkem Seitenwind könnte der Triebkopf trotz eines Zuggewichts von Hunderten von Tonnen kippen“, erläutert Sigfried Loose, Leiter der Gruppe Experimentelle Fahrzeugaerodynamik und Vater des Projekts ,Next Generation Train‘. Mit einer speziellen Seitenwind-Versuchsanlage können die Göttinger Forscher simulieren, welche Kräfte und Drücke bei Seitenwind auf einen Zug wirken, und Wege erforschen, wie sich diese Empfindlichkeit verringern lässt.

Für den DLR-Standort Göttingen birgt das Projekt auch ein großes wirtschaftliches Potential. Weil der Zugverkehr immer mehr an Bedeutung gewinnt und vielerorts neue Hochgeschwindigkeitsstrecken gebaut werden, bekommen die Aerodynamik-Spezialisten inzwischen Aufträge von Zugherstellern aus aller Welt.