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Alle gängigen Verkehrsträger des Personenverkehrs weisen eine Nachfragesteigerung auf. Dies führt zu Kapazitätsengpässen, vermehrter Umweltbelastung und Störsituationen. Eine vielversprechende Lösung für diese Probleme ist der Hyperloop: Dies ist ein Hochgeschwindigkeits-Transportsystem bei dem Kapseln in einer Vakuumröhre auf Luftkissen oder mittels Magnetschwebetechnik fahren.
Das niederländischen Ministerium für Infrastruktur und Wasserwirtschaft hat eine Studie in Auftrag gegeben, die einen aktuellen Überblick über die Entwicklung des Hyperloops bietet. Das Hauptziel dieses Berichts besteht darin, einen objektiven Überblick über das Hyperloop-Wissen zu geben, um eine entsprechende Realisierung zu beschleunigen. Ausserdem werden Empfehlungen an das Ministerium für Infrastruktur und Wasserwirtschaft gegeben. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung arbeiten mehrere Studententeams, Unternehmen und Non-Profit-Organisationen an der Realisierung eines Hyperloops. Sie haben jedoch unterschiedliche Visionen von einem Hyperloop-System. Eine Konvergenz in Bezug auf bestimmte Technologien oder Parameter ist noch nicht erreicht.
Technologie
Mehrere Technologien haben das Potenzial für eine Hyperschleife. Es müssen weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgen, um die praktikabelsten Technologien zu herauszufinden. Delft Hyperloop hat mehrere Subsysteme erforscht. Auf der Grundlage dieser Forschung werden hier Empfehlungen gegeben.
Levitation
Elektrodynamische (EDS) und elektromagnetische Aufhängung (EMS) sind die beiden vielversprechendsten Technologien für das Schweben, wie sie derzeit für Magnetschwebebahnen eingesetzt werden. Für die Betriebsgeschwindigkeiten einer Hyperschleife müssen beide Technologien noch erprobt werden. EMS ist aufgrund des geringen Energieverbrauchs sehr vielversprechend. Da das System jedoch ein aktives Steuerungssystem benötigt, um schweben zu können, ist es bezüglich Sicherheit weniger zuverlässig. EDS, eine ausfallsichere Methode des passiven Schwebens mit relativ grossen Luftspalten, wird daher als aussichtsreichste Schwebeoption gewähnt, da die Sicherheit ein wichtiges Auslegungskriterium ist.
Swissloop Pod «Claude Nicollier» ist 3,27 m lang, 1,0 m breit und 0,49 m hoch. Er besteht aus über 1 415 Einzelteilen, von denen ca. 147 Sonderanfertigungen sind.
Der Antrieb
Ein linearer Synchronmotor (LSM) und ein linearer Induktionsmotor (LIM) sind die beiden versprechendsten Technologien für den Antrieb. Ein LIM schneidet am besten bezüglich Kosten und Zuverlässigkeit ab. Die heutige Technologie kann jedoch nicht die gleiche Geschwindigkeit wie ein LSM erreichen. Darüber hinaus ist der LSM die beste Option hinsichtlich des Energieverbrauchs. Bei der weiteren Entwicklung sollte die Zuverlässigkeit und Sicherheit eines LSM erhöht werden.
Passagierkapsel
Trotz der vakuumnahen Umgebung sollten bei der Konstruktion von Passagierkapseln aerodynamisch optimierte Formen berücksichtigt werden, die den Luftwiderstand minimieren. Das Fassungsvermögen einer Gondel sollte etwa 50 Personen betragen, um der erwarteten Nachfrage in einem europäischen Netz gerecht zu werden. Basierend auf den Richtlinien für die Flugzeugkonstruktion empfiehlt sich ein Pod-Durchmesser von 2,7 m, einschliesslich eines Durchganges, um drei Sitze nebeneinander unterzubringen. Dies schliesst 0,2 m für strukturelle Komponenten inklusive Isolierung ein. Um die Grösse der Station zu verringern, wird ausserdem eine bidirektionale Gondel empfohlen.
Röhre
Bei einem Blockierungsverhältnis von 0,7 beträgt der Rohrdurchmesser 3,5 m. Als Material wird Stahl empfohlen. Es ist jedoch sinnvoll, neue technologische Entwicklungen anderer Materialien genau im Auge zu behalten. Entwicklungen, die es zu beobachten gilt, sind Gewichtsoptimierungen von Stahl und faserverstärkte Polymere. Wenn ein zusätzlicher ästhetischer Wert benötigt wird, könnten sich transparente Acrylglasrohre eignen, auch wenn diese teuer sind. Eine Stahlrohrdicke von 25 mm einschliesslich eines Sicherheitsfaktors ist ratsam, um einem Vakuumknicken entgegenzuwirken. Für den endgültigen Entwurf des Rohres sind umfangreichere Berechnungen erforderlich.
Vakuum
Der optimale Rohrdruck hängt von der Gondelfrequenz im Rohr ab: Je mehr Gondeln sich in den Rohren befinden, desto grösser ist der Wirkungsgrad, wenn der Druck niedriger ist, da alle Gondeln einen geringeren Luftwiderstand und damit einen geringeren Stromverbrauch aufweisen. Bei einer Frequenz von zwei Pods pro Minute beträgt der optimale Schlauchdruck 3 Pa, unter der Annahme, dass das Saugvermögen und die erforderliche Leistung pro Vakuumpumpe nicht mit dem Druck variieren. Die Verwendung eines variablen Schlauchdrucks empfiehlt sich, da der in Abhängigkeit von der sich ändernden Pod-Frequenz variiert.
Kommunikation
Die derzeit in Hochgeschwindigkeitsbahnen eingesetzten Kommunikationstechnologien sind für Hyperloop-Geschwindigkeiten nicht geeignet. Die grösste Herausforderung der Kommunikation liegt im Datenaustausch von der Gondel zur Aussenwelt. Glasfaser ist eine Technologie, die das Potenzial hat, diese Herausforderung zu lösen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass in den kommenden Jahren neue Kommunikationsprotokolle entwickelt werden, wie z.B. 5G. Damit würde der Bedarf an aktuellen Technologien in einem Hyperloop-System wegfallen. Da die Entwicklung neuer Technologien jedoch ungewiss ist, ist es sinnvoll, die derzeitigen Technologien entsprechend weiterzuentwickeln, um sie für den Hochgeschwindigkeitsverkehr anzupassen.
Künstliche Intelligenz
Der Einsatz von künstlicher Intelligenz ist für den Hyperloop vielversprechend. Sie kann bei Entwurf, Bau, Betrieb und Wartung des Systems eingesetzt werden. Beispielsweise können die Erkennung von Zwischenfällen, die Gewährleistung der Sicherheit an Bord und die Vorhersage von (Teil-)Systemausfällen Bereiche sein, in denen die Künstliche Intelligenz einen sinnvollein Einsatz findet. Darüber hinaus kann sie zur Optimierung von Sicherheitskontrollen, Zeitplänen und Terminplanung verwendet werden.
Auswirkungen eines Hyperloops
Ein europäisches Hyperloop-Netz kann jährlich über 300 Millionen Passagiere befördern und könnte einen Teil der Kurzstrecken-Passagierbeförderung im Luftverkehr ersetzen. Ein geplantes Netz verbindet 48 der grössten Städte in Europa und kann zwei Drittel aller Passagiere aufnehmen, die zwischen diesen Städten üblicherweise fliegen. So können die Umweltauswirkungen aus dem Verkehr verringert werden, da ein Hyperloop vollständig elektrisch betrieben wird. Kostenschätzungen gehen davon aus, dass die Hyperloop-Infrastruktur etwa 38 Millionen Euro «pro Kilometer überirdisch» und 61 Millionen «pro Kilometer unterirdisch» kostet. Das bedeutet, dass das gesamte geplante Netz, für das 19 700 km bidirektionale Röhren erforderlich sind, fast eine Billion Euro kosten würde. Neben der Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitstransporten würde sich ein Hyperloop-Netz auch positiv auf die Gesellschaft auswirken. Durch die Erhöhung der Konnektivität zwischen den Städten wird der Wohlstand vergrössert.
Das Design des Hubs ist optimiert, um die Ein- und Ausstiegszeiten der Fahrzeuge zu reduzieren. Auf diese Weise können die Fahrzeuge alle paar Minuten abfahren und ankommen, damit andere pünktlich an ihr Ziel gelangen. (Hardt.global)
Sicherheit
Die Sicherheit ist der wichtigste Aspekt eines Hyperloop-Systems. Um die Sicherheit der Passagiere zu erhöhen, müssen bei der Konstruktion Methoden zur Gefahrenminderung berücksichtigt werden. Es ist wichtig, alle Subsysteme gründlich zu warten und überwachen, um die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen zu reduzieren. Darüber hinaus ist ein redundantes Stromversorgungssystem wünschenswert, um einen sicheren Betrieb im Falle eines Stromausfalls zu gewährleisten. Da die Kommunikation eines der kritischsten Subsysteme ist, empfiehlt sich der Einbau eines sekundären Kommunikationssystems. Darüber hinaus ist die Röhre das empfindlichste Subsystem für Black-Swan-Risiken: Risiken mit geringer Wahrscheinlichkeit und schwerwiegenden Folgen.
Um die Sicherheit zu gewährleisten, müssen alle Subsysteme gründlich getestet werden. Dies setzt eine Testanlage voraus, in deren Hülsen Geschwindigkeiten von über 1 000 km/h erreichen können. Eine Hochgeschwindigkeits-Prüfeinrichtung ist auch für Zertifizierungszwecke notwendig. Für diese Zertifizierung ist es ratsam, eine Agentur zu gründen, die für die Hyperloop-Zertifizierung zuständig ist. An dieser Agentur sollten mehrere Interessenvertreter beteiligt sein.
Um die Kosten für Notausgänge zu minimieren und die Sicherheit gleichzeitig zu gewährleisten, wird empfohlen, das Potenzial von «Safe Havens» weiter zu untersuchen. Sichere Häfen sind zwischengeschaltete Notausgangsstationen, an denen Pods anhalten können, um den Passagieren einen sicheren Ausstieg zu ermöglichen. Dabei werden die Auswirkungen auf den Betrieb des übrigen Systems so gering wie möglich gehalten.
Herausforderungen
Hyperloop ist eine vielversprechende Innovation, um die wachsenden Probleme des Transportwesens zu reduzieren. Es bestehen jedoch noch verschiedene Herausforderungen. Für die Interoperabilität ist es wichtig, dass es einen einheitlichen europäischen Standard geben wird. Dies darf allerdings nicht zu früh im Prozess geschehen, da zunächst mehrere Techniken entwickelt werden müssen, um deren Potenziale zu erforschen. Um die Entwicklung dieser Techniken zu beschleunigen, ist eine politische Unterstützung der Infrastruktur unerlässlich. Eine Standardisierung ist schwer zu erreichen, da es schwierig ist, zu einem optimalen System zu konvergieren. Zudem ist die Hyperloop-Infrastruktur ähnlich wie die bestehende Infrastruktur teuer. Es ist nahezu unmöglich, den Aufbau eines vollständigen europäischen Netzes von einer einzigen Partei zu finanzieren. Deshalb ist höchstwahrscheinlich eine öffentlich-private Partnerschaft erforderlich. Durch die Beteiligung von Regierungen wird dieses Projekt durch politische Aspekte jedoch noch komplexer. Schliesslich sind Hochgeschwindigkeitsweichen für die Realisierung effizienter Punkt-zu-Punkt-Verbindungen unerlässlich. Da es diese Weichen jedoch noch nicht gibt, müssen sie erst entwickelt werden.
Schlussfolgerungen
Der Hyperloop bietet eine nachhaltige Lösung für die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsreisen innerhalb Europas. Für die erfolgreiche Realisierung eines Hyperloop-Systems lassen sich zwei Schwerpunkte identifizieren: die Arbeit an der Standardisierung und die Schaffung der Grundlagen für die Umsetzung. Es wird empfohlen, in Zukunft mit der Schaffung eines Rahmens für die Standardisierung zu beginnen. Die drei Hauptschritte werden die Fortsetzung von Forschung und Entwicklung, die gemeinsame Nutzung von Wissen und die Investition in eine lange Teststrecke sein. Die Planung für die tatsächliche Umsetzung sollte bereits in den frühen Phasen des Projekts beginnen, um einen maximalen Nutzen für die künftigen Fahrgäste und die europäischen Bürger im Allgemeinen zu schaffen. Die drei Hauptschritte werden darin bestehen, eine europäische Agentur für Zertifizierung zu gründen, die Finanzierung zu sichern und den Standort der ersten Verbindungen festzulegen.
Hintergrundinformationen zur Standardisierung
Der Hyperloop ist eine autonome Transportlösung für Menschen und Güter, bei der Kapseln in einer Vakuumröhre auf Luftkissen oder mittels Magnetschwebetechnik äusserst schnell, sicher und effizient gleiten. Diese Transportlösung soll künftig Städte auch länderübergreifend verbinden. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich Normengremien entschieden, gemeinsame Standards, Spezifikationen etc. auf europäischer Ebene zu entwickeln. Auf diese Weise lässt sich die Interoperabilität der Systemlösungen der involvierten Anbieter gewährleisten. Deshalb haben das European Committee for Standardization (CEN) und das European Committee for Electrotechnical Standardization (Cenelec) das Joint Technical Committee JTC 20 gegründet.
Die dem Hyperloop zugrunde liegende Idee, durch Röhren zu fahren, in denen sich kaum Luft befindet, ist nicht neu. Erste Visionen hierzu sind über 200 Jahre alt. Aufgrund der aktuellen technischen Möglichkeiten haben sich viele Unternehmen und Forschungseinrichtungen dieser Idee weltweit wieder angenommen. Da es sich bei Hyperloop um ein Lösungskonzept handelt, sind viele Bereiche betroffen, die in enger Abstimmung autonom betrachtet und bearbeitet werden können, beispielsweise Fahrzeugsysteme, die Gesamtinfrastruktur und Kommunikationsprotokolle. Deshalb kann man davon ausgehen, dass es innerhalb der CEN/CLC JTC 20 verschiedene Arbeitsgruppen (sog. Working Groups) geben wird.
Beitrag aus der Schweiz
Swissloop ist ein eigenständiger Verein, welcher eng mit der ETH Zürich und anderen Schweizer Forschungsinstitutionen zusammenarbeitet. Der Verein verfolgt das Ziel, an der Erforschung der Hyperloop-Technologie und ihrer Anwendung in der Praxis mitzumachen. Swissloop wird, nach aktuellem Stand, ein aktives Mitglied in
diesem JTC 20 sein.
Hyperloop Connected, Hyperloop Knowledge Platform (Web)
The Future of Hyperloop, vollständige Studie (PDF)
Swissloop, studentische Initiative der ETH (Web)
Mobilität in Bewegung, Wie fährt die Schweiz in die Zukunft? (Artikel, bulletin.ch)
Lausanne schaut in die Röhre (Artikel, NZZ)
Veranstaltungshinweise
- Div. Termine, DrivingExperience, div. Orte
- 4. November 2020, Bahntagung 2020, Luzern
- 18. Mai 2021, Energiezukunft 2020 – Nur mit erneuerbarer Energie gelingt eine effiziente und CO2-neutrale Mobilität, Dietikon