Immer schnellere Züge lösen unsere Transportprobleme nicht
Zwischen China und Europa werden Billionen in die Netze für Hochgeschwindigkeitszüge gesteckt. Da es jedoch immer schwieriger wird, die Eisenbahn noch schneller zu machen, sieht es so aus, als ob die rasenden Züge nicht die Lösung für unser Transportdilemma sein können.
Am 3. April 2007 raste ein eleganter Zug durch Nordostfrankreich, verfolgt von einem Düsenflugzeug. Auf offener Strecke zwischen Prény und Bezannes preschte der Zug immer weiter voran und erreichte schliesslich 500 km/h. Offiziell hatte noch nie ein Zug des französischen Hochgeschwindigkeitsbetriebs TGV die Höchstgeschwindigkeit von 515 km/h überschritten, die dieselbe Firma vor 17 Jahren aufgestellt hatte. Dieser Versuch, getauft Operation TGV 150, zielte darauf ab, 150 Meter pro Sekunde oder 540 km/h zu erreichen. Als das Jagdflugzeug die Daten und Videos an die Ingenieure in der Zentrale übermittelte, fuhr der Zug über 540 km/h und stellte einen neuen Geschwindigkeitsweltrekord auf: 574,8 km/h.
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Seitdem hat die Welt einen Boom der Hochgeschwindigkeitszüge erlebt. Im Jahr 2011 hat sich die EU vorgenommen, die Länge des europäischen Netzes bis 2030 zu verdreifachen, und seit 2000 23,7 Mrd. EUR in den Ausbau der Hochgeschwindigkeits-Eisenbahninfrastruktur investiert. Allein in den letzten zehn Jahren ist die Zahl der Personenkilometer in Hochgeschwindigkeitszügen (mit Geschwindigkeiten über 250 km/h) jährlich um 350 Prozent auf 845 Milliarden gestiegen. Den Löwenanteil dieses Wachstums hat China beigesteuert. Seit der Eröffnung des ersten Hochgeschwindigkeitsdienstes, einer 120 km langen Strecke zwischen Peking und Tianjin im Jahr 2008 wurden mehr als 20.000 km Gleis gebaut, die von 1.200 Zügen bedient werden.
Angesichts der zunehmenden Kritik am umweltschädlichen Luftverkehr wird die Schiene häufig als die umweltfreundlichste Form des Nahverkehrs angepriesen. In ganz Europa und Asien rasen ultraschnelle Züge durch die Lande und liefern sich einen Wettstreit um die Passiere ihrer fliegenden Konkurrenten. "Das grosse Problem ist die benötigte Energie", sagt Alan Vardy, emeritierter Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Dundee. „Die benötigte Leistung steigt mit der Geschwindigkeit des Zuges.“ Jeder Temposchub wird dadurch exponentiell schwieriger - und teurer. "Man muss den Strom haben, um diese Leistung zu erbringen, und die Motoren des Fahrzeugs müssen mit dieser Leistung fertig werden", sagt er.
Schlanke Nasen gegen den Überschall-Knall
Typischerweise wird diese Leistung (im Wert von etwa 15.000 bis 25.000 Volt) von den Oberleitungen geliefert, die ein Zug über einen angehobenen Arm, den sogenannten Stromabnehmer, erreicht. Diese Drähte sind nicht starr, sondern zwischen Stützpfeilern aufgehängt. „Wenn der Zug darunter durchfährt, verzieht er die Form und die Statik der Leitungen“, sagt Vardy. Und umso schneller die Züge fahren, desto mehr geraten die Leitungen ins Wanken. "Den Stromabnehmer im richtigen Abstand zu den Leitungen zu halten, erfordert hochtechnische Lösungen."
Und je schneller die Züge fahren, desto schwieriger wird es, diese Geschwindigkeit noch zu erhöhen. Der Luftwiderstand wird zum kritischen Faktor. "Eine Verdoppelung der Geschwindigkeit führt zu einem viermal so hohen Luftwiderstand", sagt Hugh Hunt, Ingenieurwissenschaftler in Cambridge. „Deshalb haben Hochgeschwindigkeitszüge diese spitzen Nasen.“ Die schlanken Frontpartien der japanischen Shinkansen-Hochgeschwindigkeitszüge dienen jedoch noch einem anderen Zweck: dem Verhindern des Überschall-Knalls. Wenn ein Zug in einen Tunnel einfährt, wirkt er wie ein Kolben und erzeugt eine Stosswelle, die dem Zug vorauseilt. Die Aerodynamik langer, enger Tunnel kann zu einem gewaltigen Knall am anderen Ende führen. Eine enorme akustische Belastung für die Anwohner.
Schallschutz-Hauben am Ende der Tunnel
Das Problem ist besonders in Japan akut, wo Tunnel gebaut wurden, bevor der Effekt verstanden wurde. Die Ingenieure entwickelten Züge mit langgestreckten Nasenkegeln, um den plötzlichen Anstieg des Luftdrucks zu mildern. Hochgeschwindigkeitszüge in Europa fahren genauso schnell wie japanische Hochgeschwindigkeitszüge - wenn nicht sogar schneller. Das Phänomen tritt aber aufgrund der Tunnel mit grösserem Querschnitt seltener auf. Wo es problematisch wird, lösen die Ingenieure das Problem in der Regel, indem sie lange Hauben an die Enden der Tunnel bauen. „So wie die lange Nase den Betrieb im Tunnel ohne Haube ermöglicht, ermöglichen die Hauben den Betrieb ohne speziell gefertigte Front-Partien“, erklärt Vardy.
Plötzliche Druckveränderungen im Tunnel sind auch für die Fahrgäste unangenehm, weshalb alle Hochgeschwindigkeitszüge bis zu einem gewissen Grad unter Druck stehen. Dies schafft jedoch ein neues Problem: Der Druckunterschied muss vom Fahrgestell des Zuges abgefangen werden und führt im Laufe der Zeit zu Materialermüdungen.
Raue Schienen machen Lärm
Hohe Geschwindigkeiten erzeugen hohe Geräusche. Und schmale Tunnel werden auch in Grossbritannien zum Problem, wo die Stollen aus dem 19. Jahrhundert für weitaus kleinere Züge gebaut wurden. Der Lärm nimmt aber mit der Geschwindigkeit zu. Hochgeschwindigkeitszüge sind normalerweise mit Verkleidungen ausgerüstet, um das Kreischen der Stahlräder auf den Schienen zu dämpfen. Der Geräuschpegel steigt, wenn die Schienen nicht ständig abgeschliffen werden. „Hochgeschwindigkeitsstrecken müssen sehr, sehr glatt sein“, sagt Vardy. "Sie können es hören, wenn Sie mit der U-Bahn in London oder einer anderen Stadt fahren. Manchmal wird es sehr laut, wenn der Schienenstahl besonders rau ist."
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Über den Author
Frank Swain ist Autor von WIRED, UK
Wer sind wir? Wie leben wir heute? Und wie wird die Digitalisierung unser Leben verändern? Die Frage nach der Zukunft bewegt die Gesellschaft mehr denn je. Antworten suchen Ingenieure, Mediziner, Politiker und jeder einzelne von uns. Der Report über die Hochgeschwindigkeitszüge ist einer von zahlreichen Beiträgen, die das Thema «Mobility» aus einem neuen, inspirierenden Blickwinkel beleuchten. Wir publizieren ihn hier als Teil unserer Serie «Impact».
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