Magnetschwebebahn

JR-Maglev

Magnetschwebebahn –
Der später verunglückte Transrapid 08 auf seiner Versuchsstrecke im Emsland

Magnetschwebebahnen sind spurgeführte Landverkehrsmittel, die durch magnetische Kräfte in der Schwebe gehalten werden. Räder sind dabei entweder gar nicht oder nur bei niedrigen Geschwindigkeiten notwendig.

Magnetisches Schweben

JR Maglev MLX01 Supraleitermagnet-Drehgestell

Bei magnetisch schwebenden Bahnen werden Magnetfelder genutzt, um Fahrzeuge in einen Schwebezustand zu bringen und damit eine berührungsfreie Bewegung entlang der Bahn zu ermöglichen.

In der Praxis unterscheidet man

• Elektromagnetisches Schwebesystem (EMS) und
• Elektrodynamisches Schwebesystem (EDS).

Bei elektromagnetisch schwebenden Bahnen werden die Fahrzeuge schon vor der Abfahrt mittels magnetischer Anziehungskräfte angehoben und seitlich geführt (Beispiel: Transrapid). Da das anziehende Verfahren ohne Regelung instabil wäre, muss hier eine aktive Luftspaltregelung eingesetzt werden. Dafür sind schnelle und effiziente dynamische Regelungen von entscheidender Bedeutung. Um das Fahrzeug durch Anziehungskräfte anheben zu können, umgreift beim Transrapid System das Fahrwerk die Fahrbahn

Beim elektrodynamischen Schweben werden die Fahrzeuge erst während der Fahrt ab einer bestimmten Geschwindigkeit von der Fahrbahn angehoben (Beispiel: JR-Maglev). Dazu werden durch magnetische Wechselfelder in (supraleitenden) Spulen innerhalb des Fahrzeugs Ströme induziert, die ihrerseits ein Gegenfeld für die Tragfunktion erzeugen (Lenzsche Regel).

In der Theorie gibt es auch das permanentmagnetische System, das auf der Basis der Abstoßung gleicher Pole beruht. Es wurde aber nie eingesetzt, da es aufgrund der Instabilität zum Tragen und Führen ungeeignet ist.^[1]

Antriebsarten

Funktionsschema Langstator (Antrieb in der Trasse)

Langstator-Animation

Nach Art des Antriebs lassen sich einteilen:

• rückstoßgetriebene und
• linearmotorgetriebene Bahnen
  • Kurzstator-Bauweise
  • Langstator-Bauweise

Die Magnetschwebetechnik benötigt zu ihrer sinnvollen Nutzung einen berührungsfreien Horizontalantrieb. Als umweltverträgliche Technik kommt dafür nur der Linearmotor in Frage. Rückstoßmotoren sind relativ energieineffizient, verursachen Lärmemissionen und erlauben kein regeneratives Bremsen; sie werden mithin aus denselben Gründen nicht verbaut, aus denen sie sich bei der Eisenbahn nicht durchgesetzt haben.

Wird der Linearmotor als Langstator in den Fahrweg verlegt, entstehen sowohl in der Anschaffung durch den nötigen Einbau fortlaufender Motorwicklungen als auch durch den ineffizienteren Betrieb sehr hohe Kosten. Ein Kurzstator-Linearmotor (Bestromung des Fahrzeugs, nicht des Fahrwegs) bringt dies nicht mit sich, es muss aber eine Stromschiene, ein Dieselaggregat oder dergleichen zur Energieversorgung vorgesehen werden; außerdem entfällt hier, da der Maximalschub des Fahrzeugmotors immer gleich ist, der Trassierungsvorteil, den der Langstator dadurch bringt, dass in längsgeneigten Strecken mehr Schub installiert werden kann als auf Flachstrecken.

Vorteile der Magnetschwebebahn

• Hohe Geschwindigkeit (bis 500 km/h bei herkömmlicher Trassierung, theoretisch bei Ausführung in Vakuumtunnel noch wesentlich höher).
• Fahrwegumgreifende Konstruktionen bieten Schutz gegen Entgleisung.
• Kann prinzipiell beliebige Steigungen überwinden (z. B. Transrapid 10 %).
• Hohe Taktfrequenzen bzw. kurze Taktzeiten (10 Minuten auf der Strecke Hamburg–Berlin) im Flachland.
• Fahrerlose Technik.
• Bei gleicher Fahrgeschwindigkeit sind wesentlich engere Kurvenradien möglich, da eine stärkere Überhöhung zulässig ist.
• Durch Ausnutzung von vorgenannten Trassierungsparametern kann mehr auf teure aufwändige Kunstbauten wie Tunnel und Brücken verzichtet werden.
• Kein Verschleiß durch Reibung.
• Keine Feinstaubbelastung durch Reibung und Schienenschleifen bzw. -fräsen.
• Geringere Schallemission als bei herkömmlicher Rad/Schiene-Technik.

Nachteile herkömmlicher Magnetschwebebahnen

• Inkompatibilität zur vorhandenen Bahninfrastruktur.
• Weichen sind aufwendig und teuer.
• Bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten (z. B. 500 km/h) bestehen, analog zu anderen bodengebundenen Verkehrsmitteln (z. B. ICE, TGV), Sicherheitsrisiken durch Hindernisse auf dem Fahrweg.
• Aufgrund des hohen Energieverbrauchs ungeeignet für Güterverkehr mit Nutzlasten jenseits der Größenordnung von Kurier-, Gepäck-, Express- und Paketdiensten.
• Der Energiebedarf für das Schweben bzw. für hohe Betriebsgeschwindigkeiten kann Vorteile durch den Wegfall der Rollreibung zunichtemachen.
• Der Fahrweg (Balken oder Trog) lässt sich aufgrund der außerordentlich geringen Toleranzen (Abstand vom Traggestell zum Fahrweg beim Transrapid ca. 1 cm) nur schwer in eine Straßenebene integrieren, sondern muss meist freistehend ausgeführt werden. Das erschwert den Einsatz als langsameres Nahverkehrssystem.
• Eis- und schneebedingte Räumung des Fahrwegs im Winter erforderlich.

Zusätzlich speziell bei Langstatorsystemen:

• Teuer, da der Motor ‚im Fahrweg sitzt‘.
• das Betriebsprogramm ist durch den Fahrweg fixiert.

Und bei Kurzstatorsystemen:

• Wegen der notwendigen Energieübertragung per Stromabnehmer für hohe Geschwindigkeiten ungeeignet

Geschichte

Zeichnung der Magnetschwebebahn in London, 1914

Zeichnung einer magnetisch balancierten Hochbahn von 1903

Transrapid 05 auf der IVA 1979 in Hamburg

Prototyp TR06 vor dem Deutschen Museum in Bonn

Die erste Magnetschwebebahn, in London 1914 vorgeführt

Im Jahre 1914 erregte in London die Vorstellung einer neuen Schnellbahn ungeheueres Aufsehen. Emile Bachelet, ein Franzose, hat eine Bahn erfunden, die keine Räder, keine Gleise, keine Lokomotive und keinen Motor hat und dennoch 300 Meilen in der Stunde zurücklegt. Dabei wird weder Reibung noch Vibration erzeugt. An Stelle der Gleise sind als Spur Aluminiumklötze aufgestellt, die alle 7 bis 8 Meter von einem torähnlichen Magneten unterbrochen werden. Über diesen Klötzen und unter den Toren schwebt ein Stahlzylinder, der die Form einer Zeppelingondel hat und den eigentlichen Zug darstellt. Die elektromagnetischen Gewinde im Inneren der Aluminiumklötze stoßen bei der Einschaltung des elektrischen Stromes den Zug von sich ab und halten ihn in der Luft, während die großen Magneten ihn vorwärts ziehen.^[2]

Deutsches Reich

Die Entwicklung der Magnetschwebebahn wurde 1922 im Deutschen Reich von Hermann Kemper begonnen, der sich mit Techniken elektromagnetischer Schwebebahnen beschäftigte. Für das elektromagnetische Schweben von Fahrzeugen erhielt Hermann Kemper am 14. August 1934 das Reichspatent 643316 zugesprochen. Es war zunächst eine Versuchsbahn für höchste Geschwindigkeiten im Gespräch; dieses Projekt wurde jedoch wegen des Zweiten Weltkrieges nicht weiterverfolgt.

Bundesrepublik Deutschland

1967 gründete Stefan Hedrich die Gesellschaft für bahntechnische Innovation, in der sich Forscher und Firmen für die Weiterentwicklung der Magnetschwebebahn engagierten.^[3] Ab 1973 nahmen der Physiker Götz Heidelberg und Professor Herbert Weh von der Technischen Universität Braunschweig die Entwicklung wieder auf.

• 1971 stellt die Firma MBB (heute EADS) in Ottobrunn bei München einen Demonstrator für die Personenbeförderung vor (Prinzipfahrzeug).^[4]
• 1971 – am 11. Oktober präsentiert die Firma Krauss-Maffei in München-Allach das Versuchsfahrzeug Transrapid 02.
• 1972 Erlanger Erprobungsträger (EET 01) auf dem Siemens Forschungszentrumsgelände in Erlangen.^[5][6]
• 1979 präsentierte die Internationale Verkehrsausstellung (IVA) in Hamburg die weltweit erste für Personenverkehr zugelassene Magnetbahn (Transrapid 05).
• Ab 1983 wurde in Berlin eine 1,6 km lange Magnetbahn für den Nahverkehr gebaut, die sogenannte M-Bahn. Ihre Trasse wurde aber aufgrund der Vereinigung West- und Ost-Berlins für den U-Bahn-Wiederaufbau benötigt und ihre Weiterentwicklung 1992 daher eingestellt.
• 1984 wurde der erste Bauabschnitt der Transrapid-Versuchsanlage im niedersächsischen Emsland in Betrieb genommen.
• Am 22. September 2006 ereignete sich bei Lathen im Emsland ein schwerer Unfall: Der Transrapid fuhr mit ca. 170 km/h auf einen nichtmagnetisch angetriebenen Werkstattwagen der Magnetschwebebahn auf. 23 Fahrgäste verloren dabei ihr Leben und 10 wurden schwer verletzt.^[7]

In Deutschland regelt die Magnetschwebebahn-Bau und Betriebsordnung (MbBO) den Bau und Betrieb von öffentlichen Magnetschwebebahnen. Die entsprechenden Genehmigungsregularien sind im Allgemeinen Magnetschwebebahngesetz (AMbG) geregelt. Das Eisenbahn-Bundesamt ist Aufsichts- und Genehmigungsbehörde, wie auch bei der herkömmlichen Eisenbahn. Die Transrapid-Versuchsanlage im Emsland unterliegt dem Gesetz über den Bau und Betrieb von Versuchsanlagen zur Erprobung von Techniken für den spurgeführten Verkehr (SpurVerkErprG) von 1976. Aufsichtsbehörde hierfür ist die Niedersächsische Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr (NLStBV).

Projekt

In München war zwischen Hauptbahnhof und Flughafen eine Magnetschwebebahn geplant. Die Pläne wurden offiziell am 27. März 2008 aufgegeben.

→ Siehe Hauptartikel Transrapid München

Schweiz

Das SwissRapide-Konsortium plant und entwickelt eine Magnetschwebebahn für die Schweiz. Als Pionier unter den grossen Infrastrukturprojekten wird es mehrheitlich oder gar vollständig durch private Investoren finanziert. Der SwissRapide Express soll langfristig das Gebiet zwischen Genf und St. Gallen erschliessen sowie die Städte Luzern und Basel einbinden. Die ersten Projekte umfassen die Strecken Bern–Zürich, Lausanne–Genf und Zürich–Winterthur. Tendenziell als erstes realisiert wird die Strecke zwischen Lausanne und Genf – frühestens im Jahr 2020. Der SwissRapide Express basiert auf der Transrapid Magnetbahn-Technologie, die in Shanghai seit 2004 im Einsatz ist (Transrapid Shanghai).

Ein früheres, ambitiöses Zukunftsprojekt war Swissmetro, ein Stadtverbindungsnetz für die Schweiz. Die Swissmetro AG hatte die Vision, eine unterirdische Magnetschwebebahn in einer Teilvakuumröhre zu betreiben und damit die wichtigsten Schweizer Stadtzentren und Flughäfen zu verbinden. Zuerst wurde eine Strecke zwischen Lausanne und Genf ins Gespräch gebracht. Andere mögliche Strecken wären Basel–Zürich und Verlängerungen zu deren Flughäfen oder Genf–Lyon gewesen. Swissmetro ist an fehlender Finanzierung gescheitert.

Japan

Linimo-Zug fährt vorwärts in den Bahnhof Fujigaoka

Seit 1962 laufen in Japan Forschungsarbeiten zu Magnetschwebebahnen. Mittlerweile sind zwei Systeme entwickelt worden: Der elektrodynamisch auf supraleitenden Magneten schwebende JR-Maglev bzw. Chūō-Shinkansen (Langstatorantrieb, Betriebshöchstgeschwindigkeit 500 km/h) und der elektromagnetisch schwebende HSST (Kurzstatorantrieb, Betriebshöchstgeschwindigkeit ca. 100 km/h).

Mit dem Chūō-Shinkansen soll eine Linie Tokio–Nagoya–Osaka realisiert werden; die bereits bestehende 18,4 km lange Teststrecke in der Präfektur Yamanashi bildet ein Teilstück davon.

Der HSST verkehrt seit März 2005 unter dem Namen Linimo auf einer neun Kilometer langen Nahverkehrslinie im Rahmen der Expo 2005 östlich von Nagoya und hat bis Juli 2005 zehn Millionen Passagiere befördert.

China

Transrapid Shanghai

Transrapid in Shanghai; das Bild zeigt die Überleitstelle im Fahrweg bestehend aus vier Langsamfahrweichen vor der Station Long Yang Road

Anfang 2004 wurde der Regelbetrieb des Transrapid Shanghai als fahrplanmäßig schnellstes spurgebundenes Fahrzeug der Welt zur Anbindung des Flughafen Pudong aufgenommen. Es handelt sich um ein berührungsloses elektromagnetisches Schwebesystem (EMS) mit berührungslosem synchronen Langstator-Linearmotorantrieb.

Projekte

Noch 2006 sollte in der nordchinesischen Hafenstadt Dalian die erste von chinesischen Ingenieuren entwickelte Magnetschwebebahn gebaut werden. Projektname: CM1 Dolphin. Es handelt sich dabei um eine nur drei Kilometer lange Versuchsstrecke deren Entwicklung von der Hafenstadt finanziert wird. Chefingenieur Li Lingqun gibt eine Betriebsgeschwindigkeit von 220 km/h an. Ein weiteres System mit einer Geschwindigkeit von 540 km/h liegt in der Modellprojektierung vor. Die Entwicklung der Bahn in Dalian soll halb soviel kosten wie ein vergleichbares ausländisches Konkurrenzsystem, womit womöglich der Transrapid gemeint ist.

Es bestehen Planungen, die bestehende Transrapid-Strecke in Shanghai zu verlängern, zunächst über die Expo 2010 zum alten Flughafen Hongqiao (34 km) und darüber hinaus weiter bis zur Stadt Hangzhou (170 km).

Die Entwicklung der Geschwindigkeitsrekorde bei Versuchsfahrten

• 1971 – Deutschland – Versuchsfahrzeug – 90 km/h
• 1971 – Deutschland – TR-02 – 164 km/h
• 1972 – Japan – ML100 – 60 km/h
• 1973 – Deutschland – TR04 – 250 km/h
• 1974 – Deutschland – EET-01 – 230 km/h (unbemannt)
• 1975 – Deutschland – Komet (Komponentenmeßtrager) – 401,3 km/h (unbemannt, Dampf-Raketen-Antrieb)
• 1978 – Japan – HSST01 – 307,8 km/h (unbemannt, Raketenantrieb von Nissan)
• 1978 – Japan – HSST02 – 110 km/h
• 1979 – Japan – ML500 – 504 km/h (unbemannt)
• 1979 – Japan – ML500 – 517 km/h (unbemannt, schaffte als erstes Schienenfahrzeug eine Geschwindigkeit von über 500 km/h)
• 1987 – Deutschland – TR06 – 406 km/h
• 1987 – Japan – MLU001 – 400,8 km/h
• 1988 – Deutschland – TR-06 – 412,6 km/h
• 1989 – Deutschland – TR-07 – 436 km/h
• 1993 – Deutschland – TR-07 – 450 km/h
• 1994 – Japan – MLU002N – 431 km/h (unbemannt)
• 1997 – Japan – MLX01 – 531 km/h
• 1997 – Japan – MLX01 – 550 km/h (unbemannt)
• 1999 – Japan – MLX01 – 548 km/h (unbemannt)
• 1999 – Japan – MLX01 – 552 km/h (5er Zuggarnitur). Vom Guinness-Buch der Rekorde bestätigt.
• 2003 – Japan – Maglev – 581 km/h
• 2003 – Japan – MLX01 – 581 km/h (3er Zuggarnitur). Vom Guinness-Buch der Rekorde bestätigt.

Entwicklung

• Das südkoreanische Firmenkonsortium Rotem entwickelt zur Zeit eine Nahverkehrs-Magnetschwebebahn für Geschwindigkeiten bis ca. 110 km/h, mit der um 2005 eine Stadtbahnlinie realisiert werden sollte. Am 26. September 2010 fand am Flughafen Seoul der erste Spatenstich für eine 6,1 Kilometer lange Strecke statt. Die Fertigstellung der Linie ist für 2012 geplant.^[8]
• An der TU Dresden wird unter dem Namen SupraTrans ein Konzept entwickelt, das auf dem magnetischen Schweben eines massiven Supraleiters im Feld eines Permanentmagneten basiert. Prinzipbedingt ist sogar ein Betrieb über Kopf oder seitlich an einer Wand möglich. Der keramische Supraleiter wird mit preisgünstigem flüssigen Stickstoff gekühlt, wodurch der Energiebedarf für das Schweben äußerst gering gehalten wird.
• Magnetschwebebahnsysteme werden auch immer wieder als Starthilfen für Weltraumfahrzeuge diskutiert, wobei eine solche Bahn, die eine Rakete trägt, an einem steilen Berg errichtet oder eine riesige Schanze gebaut werden soll.
• Im Mai 1998 stellten Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley (Kalifornien) als Nebenprodukt des vorrangig betriebenen Schwungrad-Energiespeicher-Projektes ein völlig neues Magnetschwebebahn-System ^[9] Inductrack vor, das durch passive in Halbach-Array angeordneten Raum-Temperatur-Permanentmagneten aus neuartigen Legierungen charakterisiert ist und damit wesentlich kostengünstiger, energieeffizienter und wirtschaftlicher sei als alle übrigen Magnetschwebesysteme.^[10][11] Fährt der Zug, induziert er durch seine Bewegung ein abstoßendes Magnetfeld und schwebt über dem Gleiskörper. Wie das EDS JR-Maglev soll Inductrack mit Hilfsrädern ausgestattet und beispielsweise von einem Propeller bzw. im weiterentwickelten Inductrack II mit dualem Halbach-Array per elektromagnetischen Impuls angetrieben werden. Dieses System soll später nicht nur wirtschaftlichere Magnetschwebebahnen sondern auch kostensenkende Raketenstartvorrichtungen ermöglichen. Studien der NASA zeigen, dass durch Beschleunigen einer großen Rakete mit Hilfe eines weiterentwickelten Inductrack auf Mach 0.8 ca. 30–40 % Raketentreibstoff eingespart und entsprechend die Nutzlast vergrößert oder die Rakete verkleinert werden könnte.^[12]

Ausgeführte Anlagen

• Transrapid 05 Hamburg (1979 zur Verkehrsausstellung, demontiert)
• Transrapid-Versuchsanlage Emsland (seit 1984 in Lathen in Betrieb)
• Transrapid Shanghai
• Teststrecke Miyazaki
• Teststrecke Yamanashi (siehe JR-Maglev)
• Teststrecke Tongji-Universität, Jiading-Campus, Shanghai (siehe CM1 Dolphin)
• M-Bahn Berlin (demontiert)

Weblinks

 Commons: Magnetschwebebahn – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Transrapid International
• Allgemeines Magnetschwebebahngesetz (AMbG)
• Supratrans -- Supraleitermagnetbahn-Studie der TU Dresden
• Swissmetro - Unterirdische Magnetschwebebahn
• Magnetschwebebahnen
• Maglev Net
• eisenbahnkompatible Hybridmagnetbahn

Einzelnachweise

1. ↑ Stefan H. Hedrich: Transrapid oder Die Magnetschnellbahn in der politischen ‚Warteschleife‘. EK-Verl., Freiburg im Breisgau 2003, S.12. ISBN 3-88255-148-8
2. ↑ Fürstenfeldbrucker Wochenblatt, 68. Jg. Nr. 63 vom 6. Juni 1914
3. ↑ Erfinder des Transrapid gestorben
4. ↑ Teststrecke der Magnetschwebebahn
5. ↑ w1.siemens.com
6. ↑ www.igeawagu.com
7. ↑ Newsmeldung
8. ↑ http://dmm.travel/news/artikel/lesen/2010/09/magnetschwebebahn-am-flughafen-von-seoul-31539/
9. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory, Toward More Efficient Transport: The Inductrack Maglev System Stanford Global Climate and Energy Project, 10. Oktober 2005
10. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Artikel über einen Inductrack-Zug mit Halbach-Array
11. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Feb 1998, Inductrack Demonstration Model incl.Berechnung
12. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Artikel Oktober 2004 Inductrack II Takes Flight