Magnetschienenbahn

Magnetschienenbahn
Magnetschwebebahn -
Der später verunglückte Transrapid 08 auf seiner Versuchsstrecke im Emsland
Prototyp TR06 vor dem Deutschen Museum in Bonn

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

In englischer Sprache ist für Magnetschwebebahnen das Kunstwort Maglev üblich, das in den 1960er Jahren durch den amerikanischen Physiker Howard T. Coffey aus dem Ausdruck „Magnetic Levitation“ abgeleitet wurde.

Inhaltsverzeichnis

Magnetisches Schweben

Bei magnetisch schwebenden Bahnen kommt das Prinzip der gegenseitigen Anziehung bzw. Abstoßung von Magnetfeldern je nach ihrer Pol-Lage zur Wirkung. Mit den dadurch ausgeübten Kräften können Objekte mit magnetischen Eigenschaften gegen die Schwerkraft und andere Kräfte bewegt werden, solange die Kraft des Magnetfeldes größer ist als entgegenwirkende Kräfte. Ein dauerhaftes freies „Schweben“ und eine gleichzeitige Fahrbewegung mit statischen und ungeregelten Magnetfeldern ist jedoch erst möglich, seit es hinreichend schnelle und effiziente dynamische Regelungen gibt. Ausschlaggebend für das dauerhafte magnetische Schweben war damit bislang vorrangig ein leistungsfähiges Regelungssystem in Verbindung mit einem regelbaren Magnetfeld. Seit Hochtemperatursupraleiter verfügbar sind, rücken auch relativ einfache aber wirkungsvolle Supraleitermagnetbahnen in den Bereich des technisch Machbaren.

Es wird in der Praxis unterschieden nach

  • elektromagnetisch bzw. Elektromagnetisches Schwebesystem (EMS) und
  • elektrodynamisch schwebenden Bahnen bzw. elektro-dynamische Schwebesystem (EDS).

Bei elektromagnetisch schwebenden Bahnen bewirken die Anziehungskräfte von Elektro- oder Permanentmagneten das Tragen und Führen des Fahrzeugs (Beispiel Transrapid). Da das anziehende Verfahren instabil ist, muss hier eine aktive Luftspaltregelung eingesetzt werden.

Beim elektrodynamischen Schweben werden während schneller Fahrt 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:

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%)
  • 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

  • Bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten (z. B. 500 km/h) bestehen, analog zu anderen bodengebundenen Verkehrsmitteln (z. B. ICE, TGV), Sicherheitsrisiken durch Hindernisse auf dem Fahrweg
  • Ungeeignet für Güterverkehr mit Nutzlasten jenseits der Größenordnung von Kurier-, Gepäck-, Express- und Paketdiensten. Der Energieverbrauch wäre zu hoch
  • Bei Langstatorsystemen: Teurer Fahrweg; energieineffizienter Betrieb durch hohe Wirbelstromverluste; schlechter Wirkungsgrad aufgrund großer Streufelder; das Betriebsprogramm ist durch den Fahrweg fixiert
  • Energieineffizienter Betrieb durch im Vergleich mit einem Elektromotor hohen Luftspalt zwischen Stator und Rotor/Fahrzeug
  • Weichen sind aufwändig und teuer
  • Der Fahrweg (Balken oder Trog) lässt sich aufgrund der außerordentlich geringen Toleranzen (Abstand vom Traggestell zum Fahrweg ca. 1 cm) nur schwer in eine Straßenebene integrieren, sondern muss meist freistehend ausgeführt werden

Geschichte

Zeichnung der Magnetschwebebahn in London, 1914

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]

Zeichnung einer magnetisch balancierten Hochbahn von 1903

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

Transrapid 05 auf der IVA 1979 in Hamburg

In der Bundesrepublik Deutschland nahmen 1973 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).[3]
  • 1971 - am 11. Oktober präsentiert die Firma KraussMaffei in München-Allach das Versuchsfahrzeug Transrapid 02.
  • 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 so genannte M-Bahn. Ihre Trasse wurde aber aufgrund der Vereinigung West- und Ostberlins 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 nicht magnetisch angetriebenen Werkstattwagen der Magnetschwebebahn auf. 23 Fahrgäste verloren dabei ihr Leben und 10 wurden schwer verletzt.[4]

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

Ein wegen der sowohl für Flugverkehr als auch klassische Eisenbahnen schwierigen Topologie aussichtsreiches Zukunftsprojekt ist Swissmetro, ein Stadtverbindungsnetz für die Schweiz. Die Swissmetro AG hat 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.

Japan

JR-Maglev

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).

Linimo-Zug fährt vorwärts in den Bahnhof Fujigaoka

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 9 km langen Nahverkehrslinie im Rahmen der Expo 2005 östlich von Nagoya und hat bis Juli 2005 10 Millionen Passagiere befördert.

China

Transrapid Shanghai
Transrapid in Shanghai; das Bild zeigt die Überleitstelle im Fahrweg bestehend aus 4 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 3 km 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 - 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). Von Guinness bestätigt.
  • 2003 - China - TR-08 - 501 km/h (bemannt)
  • 2003 - Japan -MLX01 - 581 km/h (3er Zuggarnitur). Von Guinness bestätigt.

Entwicklung

  • Das südkoreanische Firmenkonsortium Rotem entwickelt zur Zeit eine Nahverkehrs-Magnetschwebebahn für Geschwindigkeiten bis ca. 110 km/h, mit der ca. 2005 eine Stadtbahnlinie realisiert werden sollte.
  • 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 [5] 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.[6][7] 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[8].

Ausgeführte Anlagen

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. Jhg. Nr. 63 vom 6. Juni 1914
  3. ↑ Teststrecke der Magnetschwebebahn
  4. ↑ Newsmeldung
  5. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory, Toward More Efficient Transport: The Inductrack Maglev System Stanford Global Climate and Energy Project, 10 October 2005
  6. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Artikel über einen Inductrack-Zug mit Halbach-Array
  7. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Feb 1998, Inductrack Demonstration Model incl.Berechnung
  8. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory Artikel Oktober 2004 Inductrack II Takes Flight

Siehe auch

Weblinks


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