Am 7. März morgens um vier endet die für viele Rennsportfans quälend lange Abstinenz: Mit dem Großen Preis von Australien in Melbourne startet die Formel 1 in die neue Saison. Während die Anhänger der Königsklasse des Motorsports fast fünf Monate lang ohne dröhnende Motoren, qualmende Reifen und waghalsige Überholmanöver überwintern mussten, gab es für die Ingenieure und Mechaniker der zehn Formel-1-Teams keine Verschnaufpause. Sie feilten eifrig an den neuen Wagen, mit denen Schumacher, Räikönen & Co bei den 18 Rennen der Weltmeisterschaft 2004 ihre Runden auf den Pisten drehen werden.
Die größte Herausforderung für die Konstrukteure bedeutet in diesem Jahr eine Änderung im Reglement. Der Automobil-Weltverband FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) verlangt erstmals, dass die Motoren der Fahrzeuge ein ganzes Grand-Prix-Wochenende lang durchhalten müssen. Das Aggregat vor dem Rennen noch zu tauschen, ist nun nicht mehr erlaubt – wessen Motor zwischen Qualifying und Rennen schlapp macht, wird in der Startaufstellung um zehn Plätze nach hinten gerückt. Statt bislang etwa 400 Kilometer muss ein Motor damit rund 800 Kilometer packen. Die früher üblichen „Kurzläufer”, die für die Dauer eines Rennens das Äußerste leisteten, danach aber kollabierten, sind deshalb nicht mehr gefragt. Stattdessen zählen bei den Triebwerken nun Tugenden wie Zuverlässigkeit und Ausdauer.
„Wenn ein Motor länger halten soll, muss prinzipiell jedes Teil robuster ausgelegt werden”, erklärt Dr. Mario Theissen, Motorsport-Direktor bei BMW – dem Motor-Lieferanten des BMW-Williams-Teams. „Das bedeutet: Der Motor wird größer und schwerer, und das wiederum kostet Drehzahl und somit Leistung.” Diese Verluste so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig die geforderte Robustheit des Motors zu sichern, war die Aufgabe, die die Formel-1-Ingenieure bei der Vorbereitung auf 2004 erfüllen mussten. Wie sie das geschafft haben, ist jedoch keinem Rennstall zu entlocken. Denn die Motoren sind die Heiligtümer im Rennsport, und was sich genau unter der Haube der Boliden abspielt, wird gehütet wie ein Staatsgeheimnis. Daher sind auch nur grobe Daten zu Aufbau und Leistung der Aggregate bekannt – von denen viele durch die Regeln der FIA vorgegeben sind.
So werden heute alle Formel-1-Rennwagen durch 10-Zylinder-Motoren angetrieben. Die oft nicht mal 100 Kilogramm schweren Aggregate haben einen Hubraum von 3000 Kubikzentimetern und bringen es – bei einer Leistung von teils über 900 PS – auf etwa 18000 bis 19000 Umdrehungen pro Minute. Die Ventile werden, anders als bei normalen Fahrzeugen, statt durch Federn pneumatisch per Druckluft bewegt, um ein „Flattern” der beweglichen Teile zu verhindern. Turbinen und Wankelmotoren sowie Motoren mit Turbo-Aufladung sind laut FIA-Reglement verboten.
Auch für das Gewicht gelten strenge Regeln: Mindestens 600 Kilogramm muss ein Formel-1-Bolide inklusive Fahrer auf die Waage bringen. Bezogen auf dieses Gewicht stehen einem Formel-1-Rennwagen rund 1,3 PS pro Kilogramm zur Verfügung – etwa 100- bis 200-mal so viel wie einem gewöhnlichen Straßenauto. Mit dieser gewaltigen spezifischen PS-Zahl schaffen es die Rennmotoren, einen Boliden in nur 2,5 Sekunden von 0 auf 100 Kilometer pro Stunde zu beschleunigen – dabei legt der Wagen gerade mal 37 Meter zurück. Tempo 200 wird aus dem Stand in weniger als 5 Sekunden erreicht, das entspricht einer gefahrenen Strecke von 140 Metern. Die Tachonadel zeigt in einem Formel-1-Auto bis zu 370 Kilometer pro Stunde an, selbst manche Kurve wird mit rund 300 Kilometer pro Stunde genommen. Steigt der Pilot bei 200 Sachen voll in die Eisen, kommt der Wagen nach 55 Metern zum Stehen – in weniger als 2 Sekunden. Dabei ist der Fahrer einer Verzögerung von etwa 5 g – der fünffachen Erdbeschleunigung – ausgesetzt.
„Rund 200 Motoren für die Formel 1 haben bei BMW in München letztes Jahr die Fabrik verlassen”, berichtet Theissen. Doch endgültig fertig sind die Aggregate nie. Während der gesamten Rennsaison feilen die Ingenieure weiter an der Technik von Motor und Wagen, um auch noch das Letzte an Leistung herauszukitzeln. So werden nach jedem Rennen Fahrzeug und Motor – der allein aus rund 5000 Einzelteilen besteht – komplett zerlegt und etlichen Diagnose-Checks unterzogen. Aus den Analysen versuchen die Konstrukteure Anhaltspunkte zu gewinnen, wie sie den Boliden noch schneller machen können. „Stillstand ist tödlich in der Formel 1″ , sagt Williams-Chefkonstrukteur Gavin Fisher. „Man darf sich keine Minute zurücklehnen.” Und so läuft in der Formel 1 parallel zu den Grand-Prix-Rennen ein ständiger Wettstreit der Techniker. Sie nahmen beispielsweise am Aufbau des BMW-Motors während der letzten Saison insgesamt fast 1400 Veränderungen vor.
Eine Fülle von Daten über das Verhalten der Fahrzeuge beziehen die Ingenieure per Telemetrie – die drahtlose Übertragung von Informationen, die direkt im Fahrzeug gewonnen werden. Mit bis zu 200 Sensoren ist ein Rennwagen regelrecht voll gestopft, wenn er während einer Testfahrt, beim Training oder im Rennen über die Strecke braust. Die Messfühler nehmen während der Fahrt ständig eine Vielzahl von Daten auf. Sie messen zum Beispiel die Viskosität des Benzins, die Menge der dem Motor zugeführten Luft, Verunreinigungen im Getriebeöl, Temperaturänderungen in Motor und Reifen und Bewegungen am Fahrwerk.
Um Elektronik-Komponenten für die Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Daten auf Rechenleistung und Belastbarkeit zu testen und weiterzuentwickeln, leistet sich das Halbleiter-Unternehmen Infineon in München eigens ein Team von Ingenieuren und Technikern. Sie entwerfen und bauen – zum Beispiel für die Formel-1-Rennwagen von Ferrari, aber auch für Porsche- und Audi-Fahrzeuge, die etwa bei der American Le Mans Series mitfahren – Steuergeräte, die selbst unter extremsten Bedingungen für einen zuverlässigen und stabilen Betrieb der Gesamtelektronik im Fahrzeug sorgen. „Die Komponenten für Telemetrie, Motorsteuerung und Getriebemanagement müssen Temperaturen über 125 Grad Celsius und bis zu 20 g Beschleunigung aushalten”, weiß Andreas Pechlaner, der den Bereich Motorsport Electronics bei Infineon leitet. Das stellt enorme Anforderungen nicht nur an die Elektronik selbst, sondern auch an die Verbindungen der einzelnen Bauteile.
„Viele der für den Motorsport verwendeten Komponenten müssen speziell entworfen und gefertigt werden”, sagt Pechlaner. Zum Beispiel eine Steuerung für die Telemetrie-Einheit, die sein Team für Ferrari entwickelt hat: Sie kann bis zu 500 Datenkanäle aufzeichnen, von denen viele erst aus den Messdaten der Sensoren berechnet werden. Um sperrige Kabelbäume zu vermeiden, werden die Daten optisch über Breitband-Glasfaserleitungen zwischen Sensoren, Mikrochips und Speicherzellen übertragen.
Die während des Rennens gewonnenen Informationen werden gespeichert und bei jedem Passieren des Start- und Zielbereichs per Funk an Rechner des Teams übertragen. Rund vier Megabyte an Daten gelangen so Runde für Runde aus dem Wagen zu den Technikern, die diese am Rande des Rings als Kurven und Diagramme auf dem Monitor verfolgen. „So können die Ingenieure weit vor dem Fahrer erkennen, wenn beispielsweise die Temperatur zu stark steigt oder der Wasserdruck fällt”, sagt BMW-Motorsportchef Theissen. Parkt das Fahrzeug an der Box, werden weitere 40 Megabyte aus seinem elektronischen Fahrtenschreiber gezogen.
Die aus dem Wagen gefunkten Daten fließen in die Weiterentwicklung der Rennautos ein. Sie werden oftmals direkt von der Rennstrecke ins Werk übertragen und dort unter anderem für aufwendige Simulationen genutzt. Die sind aus der Entwicklung der Rennwagen inzwischen nicht mehr wegzudenken. „Es ist enorm, was in den letzten fünf Jahren bei der Simulation erreicht wurde” , sagt Theissen. „Es wird fast nichts mehr konstruiert, was parallel nicht auch am Computer modelliert wird.”
So lässt sich mit einem von IBM und dem französischen Software-Hersteller Dassault Systèmes entwickelten Programm ein exaktes virtuelles Gegenstück eines Formel-1-Autos inklusive aller Einzelteile bis hin zur kleinsten Schraube am Rechner darstellen und beliebig verändern. Damit können sämtliche Komponenten des Boliden simuliert werden, noch lange bevor man reale Prototypen baut. Zudem lässt sich die Software nutzen, um die Leistungsfähigkeit des Rennwagens anhand der Messdaten aus einer Testfahrt zu optimieren. Die Ingenieure geben dazu die Daten in das Programm ein, variieren verschiedene Parameter wie Radaufhängung oder Reifendruck und testen so, wie sich das Verhalten des Fahrzeugs dadurch verändert.
Zusätzlich zu den digitalen Daten des Autos horten die Formel-1-Ingenieure auch Informationen zu Fahrern, Rennstrecken und unterschiedlichen Wetterverhältnissen. Damit können sie einen Rennwagen per Computersimulation innerhalb kürzester Zeit exakt an einen bestimmten Fahrer, einen neuen Grand-Prix-Ring oder das aktuelle Wetter anpassen. „Indem die Software den Fahrer simuliert, gehen beispielsweise seine Größe, Arm- und Beinlänge, Beweglichkeit und seine individuellen Vorlieben bei der Instrumentenbedienung mit in die Entwicklung ein”, sagt Harald Bock, Leiter des Bereichs PLM bei IBM Deutschland, Österreich und Schweiz. „Nach jeder Änderung an einem Formel-1-Wagen testet zunächst der virtuelle Pilot die neuen Fahreigenschaften auf dem Bildschirm.”
Selbst die Entwicklung der richtigen Benzinmischung für die Boliden wird mit enormem Einsatz an Computertechnik betrieben. Zwar muss der Sprit in den Rennwagen seit 1995 hinsichtlich seiner Inhaltsstoffe dem an normalen Zapfsäulen erhältlichen Superbenzin entsprechen. Durch Variieren des Mischungsverhältnisses können Chemiker den Motoren dennoch oft entscheidende zusätzliche Leistungsreserven entlocken. Dafür betreibt der Mineralölkonzern Shell einen „optischen Motor”, mit dem die Ingenieure exakt verfolgen können, wie effizient eine bestimmte Sprit-Mixtur im Inneren des Brennraums verbrennt. Auch den Einspritzvorgang können die Experten präzise simulieren und optimieren. Sie mischen am Computer virtuell Benzin und lassen es verbrennen, ohne dafür tatsächlich Treibstoff herstellen zu müssen. Ferrari, dessen Wagen mit Sprit von Shell betankt werden, hat die Simulation für seine nur im Computer existierenden Motoren so angepasst, dass darin auch virtuelles Benzin getestet werden kann.
Neben der Weiterentwicklung der Motoren konzentrieren sich die Formel-1-Konstrukteure vor allem auf eine Reduzierung des Gewichts und eine Optimierung der Aerodynamik der Fahrzeuge. Zur Gewichtsverringerung trägt vor allem die Verwendung von Leichtbaumaterialien wie Kohlefasern bei. Dadurch wiegen die meisten Formel-1-Autos inzwischen deutlich weniger als die vorgeschriebenen mindestens 600 Kilogramm. Das Untergewicht von bis zu 80 Kilogramm füllen die Ingenieure auf, indem sie zusätzliche Gewichte so im Wagen verteilen, dass seine Straßenlage verbessert wird.
Auch das aerodynamische Design eines Rennwagens ist ein Mittel, um die Straßenlage zu optimieren. So nutzen die Konstrukteure das Wechselspiel zwischen Luft und Fahrzeug aus, um den Wagen über den so genannten Abtrieb auf die Piste zu drücken. Etwa zwei Drittel des Abtriebs werden durch die Front- und Heckflügel erreicht, das übrige Drittel durch den so genannten Venturi- Effekt: Die Luft muss unter dem sehr niedrigen Chassis des Wagens mit hoher Geschwindigkeit durchströmen und erzeugt dort einen Unterdruck, der das Auto an den Boden saugt. Diese Wirkung ist umso größer, je geringer die Bodenfreiheit des Wagens ist. Sie beträgt bei einem stehenden Boliden 5,5 Zentimeter, während des Rennens schrumpft sie auf nur noch wenige Millimeter – ein Heft von bild der wissenschaft würde dann gerade noch knapp zwischen Bodenplatte und Asphalt passen. Der Abtrieb presst ein Formel-1-Fahrzeug so stark auf die Fahrbahn, dass es ab einer Geschwindigkeit von etwa 150 Kilometern pro Stunde theoretisch sogar kopfüber an der Decke entlang fahren könnte.
Warum wird dieser immense Aufwand im Kampf um wenige PS, um einzelne Kilogramm und um Bruchteile von Sekunden überhaupt betrieben? Welchen Nutzen ziehen die großen Automobilhersteller aus ihrem Engagement im Formel-1-Rennzirkus? Für sie zählt zum einen das Prestige: Ein Grand-Prix-Sieg auf einem Mercedes, Renault oder Toyota bedeutet für das betreffende Unternehmen einen riesigen Werbeeffekt. Zum anderen aber versprechen sich die Firmen auch einen handfesten Nutzen für die Entwicklung von Bauteilen und Herstellungsverfahren für Serienautos.
„Synergieeffekte zwischen Formel 1 und Serienentwicklung herzustellen, war für BMW die Grundvoraussetzung für den Wiedereinstieg in die Formel 1″, sagt Mario Theissen. Der Automobilkonzern hat deshalb die Formel-1-Fabrik in direkter Nähe seines Forschungs- und Innovationszentrums (FIZ) in München errichtet und beide Einrichtungen eng miteinander verzahnt. Das soll einen permanenten Austausch zwischen Motorsport und Serie gewährleisten: Die Formel-1-Mannschaft kann auf die Ressourcen des FIZ zugreifen. Für das FIZ wiederum stellt das Formel-1-Projekt ein ideales Testlabor dar – Komponenten, die den extremen Bedingungen dort standhalten, sind auch den Anforderungen auf der Straße gewachsen.
Der Transfer von Technologie zwischen Motorsport und Serie ist bei BMW auch in anderen Bereichen zu erkennen. So hat das Unternehmen die Gießerei für den Formel-1-Motor mit seiner Motorengießerei in Landshut vernetzt. Die Ingenieure dort haben für die 10-Zylinder-Motoren der Rennwagen eine neue Gusstechnologie entwickelt, die es erlaubt, besonders dünne und leichte, zugleich aber sehr steife Motorwände zu fertigen. Mit demselben Verfahren werden nun auch Ölwannen für die BMW-Modelle M3, M5 und Z8 sowie die Sauganlage für den 8-Zylinder-Dieselmotor gegossen.
Ingenieure, die sich sonst mit der Bordelektronik für M3 und M5 befassen, schufen auch das Motor-Management für die Formel-1-Triebwerke. Ihr dabei erworbenes Wissen fließt mittlerweile zurück in die Serienentwicklung. So verfügt neben den Wagen der M-Serie auch der 7er-BMW über zwei neuartige Typen von Mikroprozessoren, die für die Formel 1 entwickelt und dort erprobt wurden. In dem Sportcoupé M3 arbeiten zudem Automatik-Systeme aus der Formel 1: das Sequenzielle M-Getriebe (SMG) mit „Drivelogic” und der Beschleunigungs-Assistent. Beim SMG werden die Gangwechsel elektrisch per Schaltwippe hinter dem Lenkrad ausgelöst. Wie in einem Rennwagen ersetzt ein elektrohydraulisches System den mechanischen Kupplungs- und Schaltvorgang. Mithilfe des Beschleunigungs-Assistenten lässt sich ein optimales Anfahren mit reguliertem Schlupf programmieren – vergleichbar mit der in der Formel 1 beim Start genutzten „ Launch-Control”.
Vor allem aber sind es neue Materialien, die den Weg aus der Formel 1 in Straßenfahrzeuge finden. Kohlefasern sind in Sicherheitszellen und Bremsen von Formel-1-Autos längst Standard. Auf der IAA 2003 in Frankfurt stellte DaimlerChrysler mit dem Sportwagen SLR McLaren erstmals ein in Serie gefertigtes Auto vor, dessen Karosserie nahezu vollständig aus Kohlefaser-Werkstoffen besteht. So sind im Frontbereich des 450000 Euro teuren Luxusflitzers zwei Längsträger aus Kohlefaser angebracht, die bei einem Unfall die Fahrgastzelle schützen: Die Fasern brechen beim Zusammenprall von vorne nach hinten und dämpfen so die Wucht des Stoßes.
KOMPAKT
• Die rund 900 PS starken Motoren beschleunigen ein Formel-1-Auto in weniger als 5 Sekunden von 0 auf 200 Kilometer pro Stunde und treiben den Wagen mit teils Tempo 370 über den Rennparcours. • Um die Rennleistung der Fahrzeuge weiter zu steigern, haben die Ingenieure vor allem eine Erhöhung der Motordrehzahl, ein möglichst geringes Gewicht und eine optimale Aerodynamik im Visier. • Am Computer simulieren Techniker jedes Detail eines Rennwagens und das Verhalten des Fahrers.
Ralf Butscher
