So oder so ähnlich soll der Hyperloop eines Tages aussehen. Mit der Reisegeschwindigkeit eines Flugzeugs soll er mittles Magnetschwebetechnik durch eine nahezu luftleere Röhre sausen. Die Reisezeit zwischen München und Berlin würde somit etwa 40 Minuten betragen. (Bild: TUM)
Die Spannung stieg ins Unermessliche: Nach den jahrelangen Entwicklungen und Vorbereitungen ist nun die Teststrecke für den Hyperloop in München eröffnet. Das Forschungsteam der Technischen Universität München stand demzufolge in den letzten Wochen und hoher Anspannung. Denn im Anschluss folgen bereits erste Testfahrten mit Personen. Obwohl einige Aspekte noch gar nicht final geklärt sind.
Seit 2015 gibt es auch an der TUM eine Hyperloop-Initiative. Im Zeitraum 2020/2021 ist dort das aktuelle Projekt entstanden, in dem das Team eine 24 Meter lange Röhre für den Hyperloop im richtigen Maßstab baut - explizit ausgelegt für den Passagiertransport. Nicht nur für den Maschinenbau sondern auch für Instandhaltung, IT und Bauindustrie eröffnen sich dadurch neue Geschäftspotenziale.
Hyperloop nur bei Personentransport wirtschaftlich
Mittlerweile haben sich schon wieder einige Initiativen bereits vom Personentransport verabschiedet und forschen hauptsächlich für Cargotransporte. Dazu erklärt Projektleiter Gabriele Semino von der TUM: „Ich glaube, dass die Firmen, die daran arbeiten, möglichst schnell ein Produkt haben müssen, um damit Umsatz zu machen. Es sind also rein kommerzielle Gründe, warum sie sich vom Personentransport verabschiedet haben. Zumal ein System, das explizit nur für Passagiere ausgelegt ist, eine längere Zertifizierungs- und Prüfungsphase hat. Ich denke allerdings, dass sich das System aus wirtschaftlicher Sicht langfristig nur trägt, wenn es für Passagiere ausgelegt wird.“
Die Fahrzeuge haben ähnliche Bedarfe wie eine Flugzeugfabrik oder Zugfabrik. Wir werden Fertigungshallen haben müssen, in denen Kapseln serienmäßig produziert werden. Das ist nicht anders, als wenn man Züge baut.
Hyperloop ist um das Sechsfache schneller als ICE-Sprinter
Dazu spricht Semino zwei wesentliche Aspekte an und bezieht sich beispielhaft auf die Bahnstrecke von München nach Berlin: „Der ICE-Sprinter benötigt dafür vier Stunden, der Hyperloop circa 40 Minuten. Für eine Person macht das einen gravierenden Unterschied, ob es eine wirkliche Fernreise ist oder gefühlt eine etwas längere U-Bahn-Fahrt. Für Cargo ist das weniger relevant.“
Langfristig mache der Hyperloop laut Semino nur für Passagiere Sinn. „Demnach ist unsere Vorstellung, dass das System für Passagiere ausgelegt werden muss“, betont er. Zusätzlich könne die gleiche Kapsel auch mit Paletten oder Paketen befüllt werden. Habe das System höhere Kapazitäten, als Personen transportiert würden, könne es zusätzlich für Cargo genutzt werden. Vor allem nachts, wie es die Bahn heute schon mache.
Als zweiten Aspekt führt Semino die heutige Denkweise an: „Für den Hyperloop sprechen auch die heutigen Herausforderungen. Man will mehr Verkehr auf die Schiene bringen und auch weniger Inlandsflüge haben.“
Hyperloop erzielt Topwerte bei CO2-Reduzierung und Energieeffizienz
So gingen beim Thema CO2-Reduzierung und Energieeffizienz die Hochrechnungen davon aus, dass der Hyperloop um den Faktor 10 effizienter sein könne als ein Flugzeug – bezogen auf die Energie pro Passagierkilometer – und dabei keine Emissionen verursacht.
Ein wesentlicher Aspekt sei dafür das Vakuum in der Röhre, „denn somit ist der Energieverbrauch geringer und zudem kann das System heute schon komplett elektrisch und somit mit erneuerbaren Energien betrieben werden“, verdeutlicht Semino.
Beim Faktor 10 im Vergleich zum Flugzeug sei auch die Pumpe zum Erzeugen des Unterdrucks mit eingerechnet. „Die Luft erstmalig aus der Röhre zu saugen ist zunächst sehr energieaufwändig, muss aber nur einmal geschehen. Wir reduzieren von einem Bar Luftdruck auf zehn Millibar, das heißt ein Prozent des Atmosphärendrucks“, rechnet Semino vor. Um den Unterdruck zu halten, müsse man nur noch gegen die Leckage arbeiten. Also gegen die Luft, die von außen in die Röhre ströme.
Was ist ein Hyperloop?
Der Hyperloop ist ein Konzept von sehr schnellem Transport auf dem Boden. Prinzipiell soll die Geschwindigkeit eines Flugzeugs auf den Boden gebracht werden. Die Idee mit dem Namen Hyperloop ist seit 2013 bekannt, als Elon Musk dazu ein Whitepaper veröffentlicht hat. Musk hat ein Beispiel herausgebracht mit seiner Vorstellung von einer Städteverbindung mit sehr hoher Reisegeschwindigkeit, um die Reisezeit drastisch zu reduzieren. Fast mit Schallgeschwindigkeit soll eine Kapsel durch eine Vakuum-Röhre rasen und Menschen von A nach B bringen – emissionsfrei.
Nur minimaler Druckverlust bei der Vakuumröhre
Dabei sei die in München stehende Röhre laut Semino ziemlich dicht. „Wir haben schon erste Vakuumversuche über Nacht gemacht. Am Abend haben wir den Luftdruck auf zehn Millibar gesenkt und am nächsten Morgen lag der Druck noch bei 30 Millibar“, erläutert Semino. Somit sei der Druckverlust vergleichbar mit einem wenige Millimeter großen Loch über die gesamte Anlage. Das sei ein sehr guter Wert, so der Projektleiter.
Um den Unterdruck halten zu können, benötige es auch Schleusen - vor allem, wenn Fahrzeuge neu in das System kommen. „Das ist eines der Themen, das wir auch graduell untersuchen. Die Kapsel verlässt nicht an jedem Bahnhof die Röhre, um danach wieder hineinzufahren. Denn das wäre sehr energieaufwändig. Die Kapseln fahren vielmehr in den Bahnhof auch noch im Vakuum ein, um dann von einer Art Brücke angedockt zu werden – ähnlich einem Arm, durch den Passagiere beim Flugzeug ein- und aussteigen“, erläutert Semino.
In der Kapsel selbst herrsche normaler Luftdruck, am Bahnhof müsse der Arm dafür sorgen, dass in die Röhre keinen Außenluft gelange.
Aerodynamik bleibt trotz Unterdruck wegen Tunnelwand ein Thema
Einer der großen Aspekte, die noch zu beachten seien, sei die Aerodynamik. „Denn obwohl die Kapsel im Unterdruck ist, verdrängt sie bei hohem Tempo Luft. Diese kann nicht so einfach ausweichen wie bei einem Flugzeug, da ja die Wand der Röhre begrenzend ist. Und obwohl nur sehr wenig Luft da ist, haben wir trotzdem aerodynamisch relevante Effekte, die tatsächlich neue, nicht triviale Untersuchungen benötigen, da es nichts gebe, was ähnlich dazu ist“, beschreibt Semino.
Dazu liefen gerade Simulationen, aber es stelle sich die Frage, wie man diese validieren könne. „Beim Flugzeug hat man im Vergleich ein stehendes Flugzeug und lässt Luft herum strömen – ähnlich einem Windkanal. Dieses Prinzip funktioniert bei der Kapsel nicht, denn die Wand der Röhre müsste sich mit bewegen“, betont der Projektleiter.
Hyperloop fährt bis zu 900 Stundenkilometer schnell
Bei diesen hohen Geschwindigkeiten – die Rede ist von bis zu 900 Stundenkilometern - lohne es sich energetisch nicht, wenn man Zwischenhalte einlegen müsse. „So sollen die Kapseln, in denen vermutlich zehn bis zwanzig Personen sitzen, von München nach Berlin ohne Halt durchfahren, während Personen, die nach Leipzig oder Erfurt wollen, direkt in anderen Kapseln sitzen“, unterstreicht Semino.
Das mache einen großen Unterschied, sowohl bei der Reisezeit als auch beim Energieverbrauch, weil nicht ständig beschleunigt oder abgebremst werden müsse. So ließe sich die Reisezeit deutlich reduzieren, wenn immer mit voller Geschwindigkeit gefahren werde. „Unsere Vorstellung ist, einen Hauptstrang zu haben, in dem die Kapseln mit voller Geschwindigkeit fahren und Verzögerungs- beziehungsweise Beschleunigungsstreifen für die Bahnhöfe - wie bei einer Autobahn“, sagt Semino.
Trasse für den Hyperloop ist ähnlich wie beim Transrapid
Die Trasse sei ähnlich wie die vom Transrapid, also auf Beton. „Im Detail ist das von der Geographie abhängig. Die günstigste Variante ist etwa ein Meter über dem Boden zu bauen. Der Hyperloop benötigt in manchen Fällen weniger Tunnel als eine Bahn, da er verglichen mit der Schiene deutlich größere Steigerungen schafft,“ erläutert Semino. Der Energieaufwand im Vergleich zur Bahn sei im Übrigen laut ersten Hochrechnungen um den Faktor Zwei besser.
Der Hyperloop baue auf der Funktionsweise der Magnetschwebebahn auf. „Diese Technologie besteht aus zwei Komponenten. Das eine ist das Schweben, was schon im Transrapid verwendet worden ist, sodass ein Luftspalt zur Schiene besteht. Die andere Komponente ist kontaktloses Antreiben“, teilt Semino mit.
Es gebe auch laufende Untersuchungen, den Motor in der Kapsel zu integrieren. Aber das sei energetisch sehr schwierig, denn man brauche sehr gute Batterien und habe zudem das Problem der Abwärme.
Vergleich mit ICE: Baukosten vergleichbar, Betriebskosten geringer
Bei den Kosten für Bau und Betrieb kämen laut Semino die meisten Studien auf eine ähnliche Größenordnung, wie bei einer Hochgeschwindigkeitstrasse für einen ICE. Man spreche über eine Größenordnung von 40 Millionen Euro pro Doppelkilometer.
„Aber die Betriebskosten müssten beim Hyperloop niedriger sein, denn Verschleiß ist natürlich ein großes Thema bei der Schiene. Beim Hyperloop gibt es hingegen keine bewegten Teile und keine sich berührenden Teile“, vergleicht der Projektleiter. Lediglich bei den Haltestellen gebe es Kontaktpunkte, aber im Betrieb und vor allem bei der Fahrt solle es keine Teile geben, die sich berühren.
Das Thema Instandhaltung wiederum ist höchst interessant, denn „heute schon zu wissen, wie die Wartung genau aussehen wird, ist nochmal schwieriger als den Bau zu verstehen. Denn die Wartung in der Röhre müsste ja im Vakuum stattfinden“, beschreibt Semino.
Vorgehen bei Wartungsarbeiten noch unklar
Das hätte für die Instandhalter zur Folge, dass er mit Sauerstoffmaske und Astronautenanzug in die Röhre müsse. „Alternativ kann man die Wartungsarbeiten automatisiert durchführen oder man müsste in den zu wartenden Teilabschnitt Atmosphärendruck hineinlassen, muss diesen Abschnitt aber gegenüber der Gesamtstrecke atmosphärisch abschließen“, erkennt Semino eine gewisse Problematik.
Aktuell entwickelten die Münchner ihre Teststrecke möglichst realitätsnah und wollen dabei möglichst viele der Herausforderungen mitnehmen. „So haben wir die einzige Teststrecke mit Kapseln in Originalgröße und alles ist auf Passagiergröße ausgelegt. Deswegen haben wir entschieden, die ganze Anlage so zu zertifizieren, dass wir nahe am echten Betrieb dran sind und möglichst viele Sachverhalte erproben können“, so Semino.
Fertigung: Hyperloop vereint Luftfahrt und Elektromobilität
Irgendwann komme auch das Thema der Skalierbarkeit auf, denn wenn der Hyperloop im Großen anlaufen soll, stelle sich die Frage nach Fertigungskapazitäten für die Röhre, die Kapsel sowie weitere Komponenten.
Dazu erläutert Semino: „Die Fahrzeuge haben dann ähnliche Bedarfe wie eine Flugzeugfabrik oder Zugfabrik. Wir werden Fertigungshallen haben müssen, in denen Kapseln serienmäßig produziert werden. Das ist nicht anders, als wenn man Züge baut.“
Wenn man eine Strecke betreibe, sei es München-Berlin, brauche man Hunderte solcher Fahrzeuge und somit eine Serienfertigung. „Viele derzeitigen Technologien, die wir nutzen, sind ähnlich zur Luftfahrt - von der Elektronik dann wiederum näher zu Elektroautos. Beim Hyperloop kommen dann diese verschiedenen Bereiche zusammen“, verdeutlicht Semino.
Fertigung der Kapsel
Die aktuelle Kapsel habe die TUM nicht bei Airbus bestellt, sondern sie bestehe aus einzelnen Teilen, die vom Team ausgelegt worden sind und dann von geeigneten Unternehmen produziert worden sind.
„Momentan gibt es kaum komplette Systeme, die ein bestehendes Unternehmen ohne Umstellung für ein Hyperloop bauen könnte. Dafür muss langfristig eine explizite Serienfertigung geplant werden und es braucht neue Fertigungsstraßen. Wir benötigen aber dafür jedoch keine neue Physik, sondern können auf bestehende Fertigungstechnologien zurückgreifen“, lässt Semino wissen.
Fertigung der Röhre
Die Segmente, aus der die Röhre besteht, werden ähnlich gefertigt wie Windtürme. Die Produktionsstraße, die sonst Türme herstellt, hat zwischendurch die Segmente für die Röhre produziert.
Hyperloop-Initiativen
Heutzutage gibt es verschiedene Initiativen wie Forschungsprogramme, verschiedene Universitäten und studentischen Initiativen.
Allen gemein ist, dass sie in erster Linie noch die bestmögliche Technik zu finden wollen, um Hyperloop umzusetzen. Beispielsweise wie Anordnung von Elektromagneten aussieht oder wo der Elektromotor platziert werden soll. Wie das alles kombiniert werden soll, ist noch nicht ganz klar. So laufen verschiedene Initiativen und Versuche, welche irgendwann zu dem möglichst besten Konzept zusammengebracht werden sollen.
Es ist weniger ein Wettbewerb zwischen den Initiativen, sondern das Hauptthema ist, dass es sich um ein Verkehrsmittel handelt. Diese haben die Besonderheit, dass sie alle auf die gleiche Infrastruktur zugreifen müssen. Wenn also eines Tages Hyperloop-Röhren durch die Landschaft gezogen werden, kann es zwar verschiedene Fahrzeughersteller geben, aber alle müssen die gleiche Strecke nutzen.
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Trasse ist eine Kombination aus Tunnel und Brücke
„Während die Ringsegmente für Windtürme stehen, hängen die Ringe für die Röhre. Das Besondere an der Röhre ist, dass es eine Kombination aus Tunnel und Brücke ist, denn es ist ein Tunnel in der Form, aber es ist eine Brücke, die in der Mitte nicht gehalten wird und nur an den Rändern aufliegt“, erläutert Semino.
Dafür habe das Bauunternehmen Max Bögl verschiedene Technologien kombiniert. „Deswegen handelt es sich bei den Ringen um keine einfachen Windturmsegmente, sondern sie wurden in ähnlicher Art gefertigt“, so Semino.
Sie seien aber aufgrund des notwendigen Unterdrucks etwas anders ausgelegt. Es habe zwar ein bestehendes Fertigungsverfahren genutzt werden können, aber mit starken Anpassungen, sodass es sich um ein Sonderprojekt handelte.
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Zusammensetzung der Ringe
„Die Ringe werden stehend gegossen und dann gedreht. Sie haben an den Stirnflächen eine Dichtung und werden dann auf einem Schienensystem mit dem Kran platziert, um sie dann zusammenzuspannen. In der Betonwand sind Spannlitzen, die dann zusammengezogen werden und die Dichtung zusammendrücken“, erklärt Semino. Das halte die Elemente zusammen, drücke die Dichtung zusammen und halte auch die Brücke.
Durch den Bau des Hyperloop sowie der Röhre profitierten laut Semino natürlich die Bauindustrie (Fundamente und Röhre) und auch der Maschinenbau (Kapsel). Zudem werde viel Software und Elektronik benötigt.
Eröffnung der Teststrecke und erste Fahrten mit Personen
„Die Kapsel ist aus Metallschweißkonstruktionen gefertigt – sowohl der Rahmen als auch die Kapsel selbst. Das ist ein aus Aluminium geschweißter Druckbehälter, wo dann die ganze Elektronik hinzukommt. Da geht es vor allem um Leistungselektronik aufgrund von Elektromagneten und Elektromotoren“, beschreibt der Projektleiter. Die ganze Anlage habe viele Kilometer Kabel, denn für den Betrieb benötige es viel Elektronik und Überwachung. Das entspreche der Betriebsleittechnik bei Zügen.
Nach den jahrelangen Entwicklungen und Vorbereitungen freute sich das Team um Gabriele Semino nun über die endgültige Eröffnung der Teststrecke. Und das nächste Highlight folgt dann im Anschluss mit den ersten Testfahrten mit Personen in der Kapsel.
Der Autor Dietmar Poll ist Redakteur bei mi-connect und fokussiert sich auf Themen rund um die klimaneutrale Industrie. Nach einem Geographiestudium (ja, er wollte die Welt retten) und mehrjähriger Arbeit als wissenschaftlicher Angestellter wechselte er in den Fachjournalismus, arbeitete in verschiedenen Verlagen und betreute dort unterschiedlichste Ressorts. Spannend findet er, bei der Recherche die Geschichte hinter der Geschichte zu entdecken. Privat erwischt man in häufig auf seinem Mountainbike durch die Berge rumpeln.
