ETH Zürich ist mit Swissloop bei Entwicklung von Hochgeschwindigkeitstransportsystemen ganz vorne mit dabei

Im Minutentakt von Stadt zu Stadt

Die weisse Transportkapsel (Pod) ist rund 3,5 Meter lang. Bild: Swissloop
So könnte ein Swissloop-Terminal am Bahnhof Zürich dereinst aussehen. Die Fahrt von der Limmat bis nach Genf würde mit diesem auf magnetischer Levitation basierenden Hochgeschwindigkeitstransportsystem bloss 15 Minuten dauern.
Luca Di Tizio, CEO von Swissloop.
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Die Revolution des Transports mittels reibungsarmer Fortbewegung von schwebenden Kapseln in Vakuumröhren und Geschwindigkeiten nahe an der Schallmauer braucht Zeit. Ob es eine Vision bleibt oder schon in zehn Jahren am Persischen Golf eine Pilotanlage steht, bleibt abzuwarten.

Man stelle sich vor, die Reise von Genf nach Zürich dauere nur 15 Minuten, und die von Zürich nach Berlin etwas mehr als eine halbe Stunde. An dieser Zukunftsvision arbeitet ein Team von Studierenden der ETH Zürich. Das Projekt Swissloop wurde im Spätsommer 2016 ins Leben gerufen, im April diesen Jahres stand das fertige Computermodell des Kapseltransportsystems, im Juli wurden alle Bauteile gefertigt und bereits am 28. August erreichte man aus dem Stand den dritten Rang am von Elon Musk ausgerufenen zweiten Hyperloop-Wettbewerb von SpaceX in Los Angeles.

Warten auf Elon Musk

Das von CEO Luca Di Tizio geleitete Team aus Studenten der Bereiche Elektrotechnik, Maschinenbau, Physik, Informatik, Materialwissenschaft, Wirtschaft und Recht unterlag schliesslich im Finale zwei Mitbewerbern aus Deutschland und den USA. Diverse technische Probleme waren aufgetreten. Der Kontakt zum Pod (Kapsel) brach ab und verzögerte den Start. Als nach langem Warten der Antrieb in den Aktivmodus umgeschaltet wurde, gab die Batterie den Geist auf. «Grund dafür war», so Di Tizio, «dass wir vor dem eigentlichen Start sehr lange Wartezeiten überbrücken mussten, mit denen wir im Vorfeld nicht gerechnet hatten. Einerseits mussten wir auf Elon Musk warten, der den Start nicht verpassen wollte; dann verzögerte sich die Übergabe des Verbindungsprotokolls durch das Vorgängerteam. Dies führte schliesslich dazu, dass die Batterien ins Schwitzen kamen. Als es so weit war und wir das System aktivieren wollten, verloren wir die Verbindung zum Prototyp.» Weil anschliessend die Batterie ausgewechselt werden musste, konnte am Ende nur noch ein Save-Run mit reduziertem Druck im Tank und ohne Vakuum in der Transportröhre durchgeführt werden.

War also letztlich Elon Musk daran schuld? «Nein», gibt sich Bachelorabsolvent Di Tizio selbstkritisch. «Die Schuld lag klar bei uns. Wir hätten die Batterie grösser auslegen müssen.» Die Lehren hat das  Swissloop-Team bereits gezogen: «Dieses Jahr werden wir konstant bei allen Komponenten mit dem Sicherheitsfaktor zwei arbeiten, und bei den Batterien sogar mit einem erhöhten Faktor», so Di Tizio.

Wirbelströme erzeugen magnetisches Feld

Für die Beförderung der Kapsel in der Fahrröhre sind diverse technische Subsysteme verantwortlich. Das Gesamtsystem ist von drei Variablen abhängig: vom Vakuum, der magnetischen Levitation und vom Antrieb. Geschwindigkeiten von über 1000 Kilometern pro Stunde können mit Rädern als Transportmittel nicht mehr bewältigt werden, weil die Lagerungen dies nicht aushalten würden. Aus diesem Grund arbeitet das Swissloop-Team mit Permanentmagneten. Das sind Magnete, wie man sie von Wandtafeln her kennt, nur viel stärker. «In der Mitte der Fahrbahn steht der Aluminium-H-Träger und auf beiden Seiten sind jeweils Aluminiumplatten montiert. Die Magnete sind ausschliesslich an den Levitationsskis befestigt. Dort angebracht sind vier Arrays aus jeweils sieben Permanentmagneten, welche über die Aluminiumplatten geführt werden. Sobald die Kapsel über diese Aluminiumplatten fährt, entstehen Wirbelströme, welche ein magnetisches Feld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt, als ob man in der Platte selbst einen Magneten hätte. Dadurch werden die Abstosswirkung und damit der Schwebezustand erzeugt. Dem Magnetfeld wird keinerlei Energie zugeführt. Die einzige Energie, die zum Schweben benötigt wird, ist die Fortbewegungsenergie. Sobald die Kapsel eine Geschwindigkeit von 40 Kilometern pro Stunde erreicht hat, fängt sie an zu schweben», erläutert Maschinenbauer Di Tizio die Funktionsweise des Transportsystems.

Die aerodynamische, an einen Wal erinnernde Form der weissen Transportkapsel von Swissloop erreicht eine Länge von 3,5 Metern. Im Innern dieser Kapsel (Pod) ist ein System installiert, das auf eine Mischung aus Levitation und Kaltgasantrieb setzt. Die Magnetschienen auf der Unterseite des Pods erzeugen Wirbelströme auf der Aluminiumplatte in der Röhre, wenn sie über die Platte geschoben werden. Der Pod beginnt zu schweben, sobald er eine Geschwindigkeit von 40 Kilometern pro Stunde erreicht. Beschleunigt wird die Kapsel durch einen Kaltgasantrieb, indem – ähnlich wie bei einer Rakete – komprimierte Luft durch den Druckunterschied aus dem Pod in der Vakuumröhre geschossen wird. Auf diese Weise sind Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 1200 Kilometern pro Stunde möglich.

Angetrieben werden die Kapseln durch einen Kaltgasantrieb. Dies war allerdings eine Verlegenheitslösung, wie Di Tizio zugibt. In Zukunft will Swissloop daher in einem Nachfolgemodell mit einem «elektrischeren» Pod arbeiten. Ob es ein konventioneller Motor oder ein selbstentwickelter Linearantrieb sein wird, ist noch offen.

Beförderung in hohen Taktfrequenzen von wenigen Minuten

Der von Swissloop konstruierte Prototyp ist um den Faktor vier kleiner als die angepeilte Zielgrösse der Levitationskapseln, deren Höhe vordefiniert ist. Die Länge aber – und das ist ein Vorteil von Hyperloop – ist frei dimensionierbar. Di Tizio und sein Team gehen davon aus, dass rund 20 Personen in einem solchen Kapselzug befördert werden könnten. Im Vergleich zur Eisenbahn ist das wenig, allerdings könnte dies durch erhöhte Taktfrequenzen von 3 oder 5 Minuten kompensiert werden, analog zu U-Bahnen in Metropolen wie Paris oder London.

Technisch wären Höchstgeschwindigkeiten von 1200 Kilometern pro Stunde machbar. Da die Geschwindigkeit jedoch von der Streckenführung und den Kurvenradien abhängig ist, ist ein Maximum von 1000 Kilometern pro Stunde realistischer, versichert Di Tizio. In einem solchen Transportsystem wäre der Mensch – ähnlich einem Flugpassagier – keinen aussergewöhnlichen physikalischen Kräften ausgesetzt. «Das einzige, was der Körper spürt», so der Maschinenbaustudent aus Cham, «sind Relativbewegungen wie Beschleunigungen und Bremsmanöver. Bei Strecken zwischen 200 und 1000 Kilometern Länge könnte man ziemlich gemächlich beschleunigen, so dass maximal 0,8 oder 0,86 G auf den Körper wirken.»

Wie scharf dürfen die Kurven sein? Di Tizio: «Kurven müssen in sehr hohen Radien von rund 15 bis 20 Kilometern durchlaufen werden, denn ein Abbremsen macht energetisch keinen Sinn. Deshalb müssen die meisten Strecken relativ gerade sein. Auf geraden Strecken mit geringen Kurvenneigungen wirken auf den Menschen keine nennenswerten Fliehkräfte.»

Energie für Vakuum und Antrieb aus Solarstrom

Je nach Anwendung kommen in der Industrie und Forschung unterschiedliche Vakuumgrade zu Anwendung. Diese reichen vom Vorvakuum, wie es beispielsweise für das Abpacken von Fleisch verwendet wird, bis zum Ultrahoch- beziehungsweise kompletten Vakuum, wie es im Weltall herrscht. Dazwischen gibt es unterschiedliche Grade wie das Mittelvakuum. Dieses eignet sich energetisch am besten für Hyperloop-Transportröhren. In der Teströhre von Elon Musk in Los Angeles herrschte ein Unterdruck von 8 Millibar. Dies erlaube es, schnell unterwegs zu sein, ohne dass der Energieaufwand überproportional wäre, erläutert Di Tizio. Die Erzeugung des Vakuums in den Fahrröhren könnte man energieneutral gestalten, indem man Photovoltaikzellen auf den Röhren montiert, welche annähernd genügend Energie sowohl für die Aufrechterhaltung des Vakuums als auch für den Antrieb erzeugen würden, gibt sich der Zuger Maschinenbaustudent zuversichtlich. «Bei optimaler Entwicklung und einer Errichtung an einem warmen und sonnigen Standort, kann man so praktisch gratis fahren.»

Hyperloop wird zwar in erster Linie für den Passagiertransport konzipiert. Allerdings wäre das System auch tauglich für die Beförderung von Waren. Luca Di Tizio denkt hier im Besonderen an die Möglichkeit, medizinische Güter oder Organe für die Transplantationsmedizin auf schnellem Weg zu transportieren. Es wäre durchaus machbar, reine Cargo-Pods zu entwickeln. Der Aufwand, so schätzt Di Tizio, wäre nicht besonders viel höher.

Lernen aus Scheitern von Transrapid und Swissmetro

Hyperloop basiert technologisch auf dem Vorgängersystem der Magnetschwebebahnen, wie sie in Deutschland mit dem Transrapid realisiert wurden und heute noch in Shanghai fahren. Allerdings bieten Magnetschwebebahnen, welche Höchstgeschwindigkeiten von 450 Kilometern pro Stunde erreichen, gegenüber konventionellen Fahrsystemen mit Rolllagerungen keinen Mehrwert, denn sie sind vergleichsweise sehr viel teurer. Die technische Weiterentwicklung dieser Technologie ist nur mittels Vakuumröhren zu erreichen. So entstand Hyperloop.

Auch die in der Schweiz von Interessengruppen eingebrachte Vision der Swissmetro wäre eine Alternative gewesen. Allerdings wird das Projekt derzeit nicht mehr weiterverfolgt. Dessen grösstes Problem sei, so Di Tizio, die Realisierung in unterirdischen Tunnelsystemen. «Wenn man bedenkt, wie lange es gedauert hat, den 50 Kilometer langen Gotthardtunnel zu bauen, dann sind Dimensionen von 200 Kilometern Länge und mehr mit dem heutigen Stand der Technik fast ein Ding der Unmöglichkeit.»

Erste Pilotanlage in den Emiraten?

Das ist auch der Grund, weshalb Hyperloop-Transportsysteme oberirdisch verlaufen. Konzipiert werden sie für bereits bestehende Fernstrassenverbindungen, welche genutzt werden könnten, um die Fahrröhren darüber auf Stützen zu bauen. Doch steigen die Infrastrukturkosten für den Bau solcher Transportröhren nicht ins Unermessliche? Luca Di Tizio gibt zu, dass die Kosten für den Bau erheblich wären. Deshalb glaubt er nicht, dass die ersten Röhren in Europa, sondern wohl eher in den Emiraten entstehen werden. Die flache Wüstenlandschaft sowie die relativ billigen Errichtungskosten favorisierten diese Lösung. In den nächsten zehn Jahren könnte dort eine erste Hyperloop-Lösung implementiert werden. Die Realisierung sei dort am einfachsten, wo die Landschaft nicht beeinträchtigt werde. Eine realistische Möglichkeit sieht Di Tizio deshalb in der Verbindung zwischen Dubai und Abu Dhabi.

Swissloop als Schweizer Vorzeigeprojekt

Zurzeit betreibt das Team um Di Tizio an der ETH Zürich vorwiegend Grundlagenforschung. Das Swissloop-Team hofft, die Vision einerseits weiterzuentwickeln, aber andererseits auch mittels mathematischer Machbarkeitsstudien die Antriebs- und Levitationsforschung voranzubringen. Luca Di Tizio sieht Swissloop entsprechend als Schweizer Vorzeigeprojekt analog zu Solar Impulse von Bertrand Piccard, aber auch als europäische Kraftanstrengung, schliesslich stammen die Projektbeteiligten aus den unterschiedlichsten Ländern des Kontinents.

Wo sieht sich Di Tizio in fünf Jahren? «Eine gute Frage. Wenn es Swissloop in fünf Jahren noch geben sollte, dann werde ich bestimmt noch an Bord sein. Falls nicht, sehe ich mich irgendwo im Bereich der biomedizinischen Wissenschaften.»