Elektrische Bahnen
Umgestürzter Container-Tragwagen der Bahngesellschaft Union Pacific: Wie breit und wie hoch darf ein Fahrzeug sein, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist?

Gedanken zur Eisenbahn der Zukunft, insbesondere Zukunft des Personenschnellverkehrs von Dr.-Ing. Rainer Fleiss

In den letzten 30 Jahren erlebt die Eisenbahn eine Renaissance, die vor allem als Streckenneubau sichtbar ist. Dabei wird nach Ansicht des Autors das Gleisnetz von morgen für die Fahrzeugtechnik von heute gebaut. Es wird ein Vorschlag unterbreitet, wie man in drei Phasen ein modernes, zu-kunftweisendes Eisenbahnsystem gestalten könnte. Dies sollte mit neuer Struktur und hoher Geschwindigkeit in der Lage sein, den Individualverkehr zurückzudrängen und zumindest den innerdeutschen Luftverkehr zu er-setzen.

Entwurf einer Breitspurlok der Deutschen Reichsbahn (Quelle: DB Museum Nürnberg)

1. Einleitung

Vor dem zweiten Weltkrieg war die Eisenbahn in Deutschland wie auch in den Nachbarländern der dominante Verkehrsträger. Diese Führungsrolle hat sie aber ab den 1950er Jahren an den Individualverkehr abgeben müssen und verlor massiv an Bedeutung. Vor gut 30 Jahren erfolgte jedoch eine Rück-besinnung auf die Vorzüge des spurgebundenen Verkehrs, und europaweit wurden mit staatlichen Geldern die Eisenbahnen modernisiert. Das hieß auch und vor allem Neubau von Strecken.

2. Rückblick

Überlegungen zu einer Eisenbahn der Zukunft wurden bereits im Dritten Reich angestellt. Bild 1 zeigt den Entwurf einer gigantischen Doppel-Lokomotive mit einer Breite von 5,50m und einer Höhe von knapp 7,00m für ein noch zu errichtendes Breitspurnetz mit 3,00m Spurweite. Dieser Ent-wurf ist antriebsseitig angelehnt an die Ellok der Baureihe E19, konzep-tionell ähnelt sie der Diesellok V188, beides Loks der damaligen Deut-schen Reichsbahn. Diese Ideen sind aber aus verschiedenen, nahe liegenden Gründen nicht weiterverfolgt worden.

Größenvergleich Fiat500 alt/neu (copyright AUTO BILD Syndication/K.Ernsthaler)

3. Istzustand

Das Bestandsnetz der deutschen Bahnen ist rund 100 Jahre alt, und wenn jetzt mit Milliardenaufwand neue Strecken gebaut werden, dann sollten sie doch mindestens den Ansprüchen der nächsten 50 Jahre genügen. Tatsächlich sind sie aber für den heutigen Stand der Fahrzeugtechnik ausgelegt, nicht für künftige Entwicklungen.

3.1 Durchschnittsgröße des Menschen

In den letzten 100 Jahren sind die Menschen durchschnittlich um 10-14cm gewachsen, je nach Statistik, und es ist zu erwarten, dass sich diese Entwicklung fortsetzt. Die Automobilindustrie hat jenem Umstand durch im-mer größere Fahrzeuge Rechnung getragen, siehe Bild 2. Die Eisenbahn konnte diesem Trend nicht folgen, weil es die betrieblichen Normen und Vorschriften nicht zulassen. Diese sind zwar unabdingbar für einen siche-ren Betrieb, können aber auch für künftige Entwicklungen hinderlich sein. Spätesten beim groß angelegten Bau neuer Strecken müssen auch und vor al-lem Überlegungen dieser Art angestellt werden.

3.2 Anforderungen an das System Bahn

Zuallererst sollten die Potentiale des normalspurigen Rad/Schiene-Systems ausgelotet werden, damit diese heute getätigten Investitionen auch mit-telfristig den zu erwartenden Anforderungen genügen können.

3.2.1 Lichtraumprofil

Die Forderung nach breiteren und höheren Fahrzeugen ist nahe liegend und wurde dementsprechend bereits von mehreren Autoren erhoben, beispielsweise [1-3]. Dabei lautet die Kernfrage: Wie breit und wie hoch darf ein Fahrzeug sein, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist? Die russischen und finnischen Bahnen hatten von Anfang an ein deutlich größeres Lichtraumprofil als der Rest in Europa. Die nordamerikanischen Bahnen haben auf den meisten Hauptstrecken das Lichtraumprofil nach oben sukzessive erweitert. Dort gibt es drei Kategorien von Fahrzeughöhen je nach Containertyp: von 5,54m (18’2“) bis 6,15m (20’2“). Das ermöglicht bekanntlich einen doppelstöckigen Containertransport. Allerdings kommt es immer wieder vor, dass starke Winde solche Wagen umwerfen. Weitere Bilder kann man zuhauf im Internet abrufen unter den Suchbegriffen derailment storm bzw. wind. Da auch in Europa mittlerweile ähnliche Windverhältnisse herrschen, kann zumindest für den Personentransport aus Sicherheitsgründen nur eine geringere Höhe von 5,00-5,50m empfohlen werden. Die maximale Breite ist schwieriger zu bestimmen. Damit die Kippsicher-heit gewährleistet ist, muß die Nutzlast einigermaßen gleichmäßig über der Breite verteilt sein. Das ist bei Schüttgütern und Flüssigkeiten nicht ohne weiteres gegeben, sodaß solche Fahrzeuge nur unwesentlich breiter als bisher sein können. Allerdings sollte für sperrige Güter (Behälter, Maschinen, Anlagenteile usw.) eine nutzbare Breite von 4,00-4,50m verfügbar sein. Bei Personenfahrzeugen kann ein Kompromiß im Bereich 3,50-4,00m liegen.

3.2.2 Geschwindigkeit

Die derzeitigen betrieblichen Höchstgeschwindigkeiten weltweit liegen bei 320-350km/h. Einzig Russland plant neue Strecken für 400km/h, was aber aktuell alltagstauglich nicht erreichbar ist. Der Weltrekord für Schie-nenfahrzeuge liegt zwar bei 574km/h (SNCF), konnte aber nur unter Laborbedingungen erreicht werden. Für reale Fahrzeuge unter realen Betriebsbedingungen liegt die derzeitige Grenze wie vorab erwähnt bei etwa 350km/h. Darüber hinaus laufen konventionelle Fahrzeuge instabil, vor allem infolge der praktisch ungedämpften Radsatzschwingungen. Erst die Ablösung des Radsatzes durch Losräder eröffnet den Weg zu höheren Geschwindigkeiten. Angestrebt werden sollten diese im Bereich von 450-500km/h.

3.2.3 Wirtschaftspolitische Anforderungen

Das Ziel eines leistungsfähigen Eisenbahnnetzes sollte neben dem Zurückdrängen des Individualverkehrs auch der Ersatz mindestens des innerdeut-schen Flugverkehrs sein. Davon ist man derzeit allerdings weit entfernt, denn dann müsste das Netz ähnlich strukturiert sein wie die Autobahnen: Lediglich Abzweigungen führen in die Städte hinein, sodaß die Fernzüge auf weiten Strecken durchgehend ihre Höchstgeschwindigkeit ausfahren kön-nen. Nur so ist in einem dicht besiedelten Land wie Deutschland ein schneller und konkurrenzfähiger Bahnverkehr realisierbar, allerdings mit enormen Investitionskosten. Das wäre ein Konjunkturprogramm für die nächsten 20-30 Jahre; der Wille dazu ist aber nicht erkennbar.

3.2.4 Europäische Situation

Derzeit werden in mehreren europäischen Ländern geradezu wettbewerbsmäßig die Eisenbahnen modernisiert und das Netz erweitert. Abgesehen von der ERTMS-Initiative (Zugsicherung und Zugfunk) driften jedoch die Entwick-lungen eher auseinander, was z.B. betriebliche Standards, Geschwindigkei-ten, Lichtraumprofil, Gleisradien, Gleisabstände usw. betrifft. Die Er-fahrungen mit der gescheiterten Einführung der automatischen Kupplung vor knapp 50 Jahren in Europa zeigt, dass man übergreifende technische Lösun-gen gesamteuropäisch nicht durchführen kann, sondern nur im Alleingang oder mit einigen wenigen eng verbundenen Nachbarbahnen. Irgendwann werden sich dann sukzessive weitere Bahnen diesen Entwicklungen anschließen. Wenn einer nicht vorangeht, wird es nie zu tiefgreifenden Veränderungen kommen.

Streckenquerschnitt der vorgeschlagenen Neubaustrecke

4. Vorgeschlagene Maßnahmen

Wie kann man also angesichts realer Randbedingungen mittelfristig eine deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Bahnwesens erreichen? Dazu werden Maßnahmen in drei Phasen vorgeschlagen:

Phase I: Bei der Neubaustrecke (NBS) Köln-Frankfurt mit einem Gleisabstand von ≥4,50m als Referenzstrecke sollte die Oberleitung um 20cm konstant auf 5,70m angehoben werden. Dann können neue, geräumigere Fahrzeuge wie im folgenden Kapitel vorgestellt zwischen beiden Städten pendeln. Die Höchstgeschwindigkeit muß in dieser Phase mit 300km/h beibehalten werden. Der durch die geräumigeren Fahrzeuge erzielte Komfortgewinn wird die Öffentlichkeit überzeugen und die Bereitschaft bei den Anteilseignern stärken, weitere Mittel für den Schienenverkehr bereitzustellen. Sollte es wider Erwarten infolge der breiteren Fahrzeuge zu Problemen bei Zugbegegnungen kommen, ist die Geschwindigkeit kurzzeitig auf etwa 200-250km/h zu verringern. Das sollte mit Hilfe von ETCS möglich sein.

Phase II: Neue Strecken ausschließlich für den Personenverkehr werden ab sofort mit einem Gleisabstand von 6,00m gebaut und einer konstanten Höhe der Oberleitung von 5,80m. Die Fahrzeuge können dann ≥3,60m breit und 5,20-5,40m hoch sein. Die Oberleitungsmasten stehen zwischen den Gleisen, was den Geländeverbrauch der Strecke gegenüber den jetzigen NBS sogar noch ver-ringert (Bild 4). Die Auslegungsgeschwindigkeit kann bei 400km/h liegen, was in den nächsten 10-20 Jahren betrieblich erreichbar erscheint. Diese Strecken müssen solide eingezäunt sein, damit nicht Unfälle passieren wie im April 2008, wo ein ICE bei Fulda am Tunnelportal in eine Schafherde gefahren, dabei entgleist ist und dadurch einen Millionenschaden verur-sacht hat.

Phase III: Schließlich soll ein Blick in die Zukunft geworfen werden. Dazu gehört auch ein Hinweis auf das Projekt Next Generation Train NGT des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR [4]. Dieser Zug bezieht seine Antriebsenergie induktiv aus dem Gleis. Allerdings ist wie bei herkömmlichen Bahnen die gesamte Antriebstechnik im Fahrzeug untergebracht, was Gewichts- und Adhäsionsprobleme bringen kann. Man mag bezweifeln, ob mit diesem Konzept bei nassen Schienen und leichter Steigung Geschwindigkeiten über 400km/h zuverlässig gefahren werden können. Nun zu den eigenen Vorstellungen: Auch hier wird auf die störanfällige Oberleitung verzichtet, aber der Antrieb wird in das Gleis verlegt. Die Feste Fahrbahn eignet sich vorzüglich für die Aufnahme der Spulen eines Linearmotors (LIM). Dadurch werden die Fahrzeuge wesentlich leichter, und mit nicht angetriebenen Losrädern kann eine Geschwindigkeit von mindes-tens 500km/h erreicht werden, wie auf dem ehemaligen Rollenprüfstand der DB in München nachgewiesen wurde [5]. Somit ist man unabhängig vom Reibwert Rad/Schiene und könnte zur Vermeidung von Lärm und Verschleiß die Schienen nässen, eventuell sogar mit Seifenemulsion. Im übrigen ist die LIM-Technik vom TRANSRAPID her erprobt und die einschlägigen Patente sind in deutscher Hand. Damit kann ein Teil der enormen Entwicklungskosten des TRANSRAPID-Systems wieder nutzbar gemacht werden. Diese Art des Antriebs ist im Vergleich zu herkömmlicher Technik nahezu kostenneutral:

  • Fahrzeuge werden leichter und billiger. Der Unterschied zwischen angetrie ben und nicht angetrieben entfällt
  • Oberleitung entfällt (störanfällig bei bestimmten Wetterlagen)
  • Schienenliegedauer verlängert sich erheblich (geringere Achslasten, keine Vortriebskräfte über Rad/Schiene-Kontakt – siehe aktuelle Probleme der Rollkontaktermüdung)

Zu erwähnen ist noch, dass infolge der größeren Wagenbreite die Räder eingekammert werden können, was die Schallemission erheblich verringert. Dieses Bahnsystem ist im Gegensatz zum TRANSRAPID voll kompatibel mit dem Bestandsnetz, weil man z.B. im Bahnhofsbereich ein solches Gleis auch mit Oberleitung ausrüsten kann. Dieselfahrzeuge wie beispielsweise Rangier-loks oder Arbeitsgeräte können ein LIM-Gleis selbstverständlich auch befahren.

NBS-Regelquerschnitt der freien Strecke (Quelle: Deutsche Bahn AG)

5. Fahrzeugentwürfe

Zur Veranschaulichung, wie sich alle diese vorab entwickelten Gedanken am konkreten Fahrzeug darstellen, sollen nun einige Skizzen mitsamt Erläute-rungen präsentiert werden.

5.1 Streckenquerschnitt

Bild 4 zeigt den NBS-Regelquerschnitt der DB. Verglichen mit dem hier vorgeschlagenen aus Bild 3 erkennt man, dass die Gesamtbreite und damit der Geländeverbrauch des Vorschlages bei deutlich größerem Gleisabstand sogar noch geringer ist als der derzeitige Regelquerschnitt. Ein wichti-ges Detail ist auch wie vorab erwähnt die solide Einzäunung der Trasse, die für Hochgeschwindigkeitsstrecken unabdingbar ist. Die mittig angeord-neten Betonmasten mit einem Abstand von 50m erscheinen angesichts der großen Gleisradien aus der Führerhausperspektive wie eine durchgehende Wand. Damit verhindern sie das Blenden des TFZ-Führers bei Zugbegegnung.

 

 

Grundrisse und Seitenansicht des Mittelwagens

5.2 Fahrzeuge

Bild 5 zeigt Grundrisse und Seitenansicht eines Wagens. Das linke Fahr-werk ist ein dreiachsiges Jakobs-Drehgestell mit zwei Antriebsmotoren und das rechte eine gekröpfte Einzelachse mit Losrädern, ähnlich wie bei Straßenbahnen. Ob man je Seite eine oder zwei Eintrittstüren zum Fahrzeug vorsieht, bleibt einem Praxistest vorbehalten. Zu erwähnen ist auch die durchgehende Schürze des Wagens, welche die Räder voll abdeckt und eine gute Aerodynamik bietet.

Fahrzeug-Querschnitt und Stirnansichten

Bild 6 zeigt Stirnansicht und Querschnitt der Fahrzeuge. Die Breite von 3,60m erlaubt eine Sitzplatzanordnung von 2+2 in der ersten und 3+3 in der zweiten Klasse. Dabei sind Sitzplatzabstand und Fensterteilung in beiden Klassen gleich und somit auch der Rohbau-Wagenkasten für alle Sitzwagen. Die Fußbodenhöhe im unteren Stock ist mit 0,70m über SOK gleich der Bahnsteighöhe. Das gewährt barrierefreien Zugang zu allen Wa-gen und erübrigt gesonderte ausfahrbare Trittstufen. Diese sind bei höhe-ren Bahnsteigen aus subjektiven Angstgefühlen älterer Reisender notwen-dig. Die Sitzplätze beider Klassen sollten ähnlich wie bei Reisebussen auf ei-nem durchgehenden Podest von etwa 15-20cm Höhe angeordnet sein. Zum Gang hin kann in der Tiefe der Armlehne und der Höhe der Schulter eines Sit-zenden eine kleine Trennwand als Sichtschutz vorgesehen werden. Das schafft mehr Privatsphäre und ist gestaltungsmäßig ein Mittelding aus Großraum- und Abteilwagen. Derartiges könnte man aktuell bei der allfäl-ligen Aufarbeitung der ICE-Züge auf Akzeptanz der Reisenden testen. In einem oder zwei Wagen des gesamten Zuges kann ein Lift für Rollstuhl-fahrer vorgesehen werden; ansonsten ist es aber sicherlich auch zumutbar, wenn diese im unteren Stockwerk reisen. Der Wagenübergang oben kann groß-zügig bemessen werden, im unteren Stock gibt es nur jeweils einen mit eingeschränktem Querschnitt. Das ist aus Gründen des Antriebs erforder-lich und kann bei der Variante mit LIM beidseitig ausgeführt werden. Stromabnehmer sind eine der großen Geräuschquellen bei hoher Geschwindig-keit und sind mit einer Wippenbreite von 1450mm (wie bei SBB) sehr schmal und klein gehalten ähnlich den japanischen Bahnen. Die Wagenübergänge sind gerade bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen sehr sorgfältig zu gestal-ten, vor allem was Aerodynamik und Akustik anbelangt. Die Übergänge sind außen bündig, um Flugschnee abzuwehren und Windgeräusche zu vermeiden. Vorgeschlagen wird auf jeder Stirnseite eine die Stirnwand abdeckende Zellgummiwand von etwa 30cm Dicke. Diese ist bei gekuppelten Wagen leicht komprimiert, bietet eine gute Wärme- und Schalldämmung und benötigt keine gesonderten Vorrichtungen zur Verbindung. Bei Zellgummi sind die Luft-bläschen untereinander isoliert und können sich daher nicht mit Wasser voll saugen. Die Kabelverbindungen zwischen den Wagen können innerhalb der Übergangselemente über kleine Schächte an den Stirnseiten verwirk-licht werden. Die im Grundriß mit x gekennzeichneten Bereiche sind für Antriebs- und Klimakomponenten vorgesehen.

Ansicht einer 6teiligen Einheit mit Antriebsschema

Schließlich zeigt Bild 7 eine 6teilige Einheit dieses Triebwagens. Dabei ist auf Aerodynamik und Komfort gleichermaßen Wert gelegt. Man kann sich vorstellen, dass beispielsweise in einem Speisewagen die Küche unten und der Speiseraum in großzügigem Ambiente oben eingerichtet sind. Auch bei Schlafwagen lässt das größere Raumangebot wesentlich komfortablere Lösun-gen zu als bisher. Das Antriebsschema ist ebenfalls aus diesem Bild er-sichtlich: Bei einer vorgesehenen 6teiligen Einheit ist somit jede zweite Achse angetrieben, was für Geschwindigkeiten bis 400km/h ausreichend erscheint.

6. Abschließende Bemerkung

Infolge kürzerer Züge können die Bahnhöfe kompakter angelegt werden und auf der ganzen Zuglänge Witterungsschutz gewähren. Die Bahnhofsgleise sind ebenfalls als Feste Fahrbahn zu errichten und regelmäßig mit Reini-gungsfahrzeugen abzusaugen. Sauberkeit im Bahnhof zusammen mit Sicherheit für die Reisenden sind unabdingbare Forderungen an den Verkehrsträger. Dies ist derzeit ebenfalls nicht überall im notwendigen Maß gegeben. Für die Variante LIM ändert sich technisch zwar grundlegendes, äußerlich am Fahrzeug aber wenig. Die Energie für Klimaanlage, Kompressoren und Be-leuchtung wird wie beim TRANSRAPID induktiv vom Gleis her zugeführt. Das angetriebene Jakobs-Drehgestell wie auch die einzelne Achse können durch zweiachsige Jakobs-Drehgestelle mit gekröpften Achsen und Losrädern er-setzt werden und ermöglichen so einen zweiten Wagenübergang im Unterge-schoß. Dazu müßte allerdings der Treppenaufgang zum Oberdeck verlegt wer-den. Einen Überblick über Innovationen für den Verkehr von Morgen gibt es alle zwei Jahre auf der Messe InnoTrans in Berlin. Neben dem bereits erwähnten Next Generation Train des DLR ist auch das Hochgeschwindigkeitssystem HY-PERLOOP des kalifornischen Unternehmers und Visionärs Elon Musk vorge-stellt worden [6]. Dabei sollen die Fahrzeuge in einer evakuierten Röhre eine Geschwindigkeit von mindestens 1200km/h erreichen. Abgesehen von enormen ungelösten technischen und Sicherheitsproblemen darf bezweifelt werden, ob sich Menschen in eine evakuierte Röhre zwängen lassen. Für den Gütertransport allerdings ist dieses System eher geeignet auch angesichts des stetig steigenden Luftfrachtvolumens. Das wäre dann eine Weiterent-wicklung der klassischen Rohrpost. Insgesamt dringlicher erscheint dem Autor jedoch, die klaffende Lücke zwischen den derzeitigen 300km/h und der visionären Überschall-Geschwindigkeit zu schließen, und das könnte in überschaubarer Zeit mit den vorgeschlagenen LIM-getriebenen Schienenfahrzeugen gelingen, zumal die Basis-Technologien dafür heute bereits verfügbar sind.

Quellen:

[1] Breimeier, R.: Güter gehören auf die Bahn: Autobahnen oder Eisenbah-nen? Teil 2. ERI Eisenbahn Revue International 7/2013, S.370-375

[2] Siegmann, J.: Neuer Schienengüterverkehr in Europa: effektiver, wirt- schaftlicher, leiser und energieärmer. ETR Eisenbahntechnische Rund- schau Mai 2014, S.10-15

[3] Boysen, H.E.: Entwicklung größerer Lademaße für Europa. ETR Eisen-bahn- technische Rundschau Juli-August 2014, S.38-43

[4] Next Generation Train NGT: www.dlr.de

[5] Netzel, A.: Talgo XXI – zuverlässige Neigetechnik im hochwertigen Reisezugverkehr. ZEVrail Glasers Annalen 2002, H.9, S.404-414 [6] Musk, E.: www.hyperloop-one.com

Zum Autor: Dr.-Ing. Rainer Fleiss; Vormals Berechnungs- und Versuchsingenieur bei Thyssen Henschel, Kassel, danach Projektingenieur bei Siemens, seit 2006 Ruhestand und theoretische Arbeiten über Eisenbahntechnik mit zahlreichen einschlägigen Veröffentlichungen. Kontakt: rainer.fleiss@t-online.de

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