Mit Sonnenenergie durch die Wüste

Seit 2019 erlaubt der Weltverband auch Autos mit nur drei statt vier Rädern. Weil so die Reibungsverluste durch Rollwiderstand geringer werden, konnten die Teams die Effizienz ihrer Autos weiter steigern. Das Teilnehmerfeld beim Wettkampf in Marokko zeigte die Fantasie der Studierenden. Die Konstrukteure des Siegers aus Twente hatten ebenso wie der Zweitplatzierte aus Belgien ein pfeilförmiges Auto entwickelt. Das deutsche Team „Sonnenwagen“ aus Aachen entschied sich dagegen für den Bau eines Katamarans und beendete das Rennen als Fünftes.

Alle zwei Jahre bringt der Weltverband neue Regularien heraus, die nächste Version ist für Herbst 2022 angekündigt. Diesmal seien keine großen Neuerungen zu erwarten, aber man werde den Fortschritten in der Branche und der Technologie Rechnung tragen, heißt es beim WSC. „Wir blicken gespannt darauf, was sich ändern wird“, sagt Lina Schwering, die seit Februar 2022 gemeinsam mit Tina Pauli Teamchefin beim Verein Sonnenwagen Aachen ist. Die Studierenden haben gerade ihr neues Team zusammengestellt und beginnen mit den Vorbereitungen für das vierte Rennfahrzeug aus der Aachener Produktion. Mehr als 200 Studierende haben sich für einen Platz im Team beworben, nur ein Fünftel kann dabei sein. Für die meisten angehenden Ingenieure bleibt der Bau des Rennwagens ein zeitaufwendiges Hobby, Leistungspunkte für das Studium gibt es nicht. „Wir wollen die Menschen aus der Reserve locken und ihnen zeigen, dass Mobilität in der Zukunft ganz anders aussehen kann, als wir das heute gewöhnt sind“, sagt Schwering. Der Verein darf inzwischen Themen für Bachelor- oder Masterarbeiten vergeben. Das soll die intensive Arbeit an einzelnen Entwicklungsschritten belohnen und eine Brücke zwischen Hobby und Innovation an den Universitäten bauen.

Die Entwicklung eines Rennwagens dauert etwa 18 Monate. „Ein chancenträchtiges Auto sollte für die Fahrt bei 90 bis 100 Kilometern pro Stunde optimiert sein und dabei höchstens so viel Energie verbrauchen, wie durch die Sonne geliefert wird“, erklärt Schwering. Viel ist das nicht: Die Spitzenleistung der Solarfläche liegt bei etwa 1000 Watt – weniger Energie, als ein Fön benötigt. Deshalb müssen alle Komponenten so energieeffizient wie möglich arbeiten. „An einem Solarrennwagen wird kein einziges Teil designt, damit es gut aussieht, alles dreht sich um Effizienz“, sagt Bikkannavar.

Ausgeklügeltes Design

Der Sonnenwagen „Photon“, mit dem die Aachener 2021 in Marokko starteten, wiegt 180 Kilogramm und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 120 Kilometern pro Stunde. Angetrieben wird er von einem Radnabenmotor mit einer Effizienz von mehr als 96 Prozent, den das Team entwickelt hat. Zwei unterschiedliche Motorsteuerungen sorgen dafür, dass der Photon sowohl auf flacher Strecke als auch im Gebirge optimal vorankommt: Während der eine Modus hohe Geschwindigkeiten ermöglicht, ist der andere auf hohe Drehmomente getrimmt.

Mehr noch als die Motorleistung entscheidet bei den Solarrennen die Aerodynamik über den Erfolg. Denn sie hat großen Einfluss auf den Energieverbrauch. Deshalb beginnt die Planung des neuen Rennwagens für die World Solar Challenge 2023 in Australien am Computer: Bevor die Form aus Carbonfasern in Kooperation mit einem Spezialbetrieb gefertigt wird, simulieren die Studierenden am Großrechner der RWTH Aachen über mehrere Monate die Aerodynamik des Fahrzeugs, die Anordnung der Solarzellen sowie das Fahrwerk und suchen nach den besten Lösungen. Für den Photon haben sie 1100 verschiedene Modellversionen durchgerechnet.

„Viele vermuten, dass Solarautos durch die technische Entwicklung in den letzten Jahrzehnten immer schneller geworden sind“, sagt Bikkannavar. Tatsächlich sei jedoch das Gegenteil der Fall, da sich die Ingenieure etwa bei der Energieversorgung oder den Solarzellen immer wieder neuen Regeln des Weltverbandes anpassen müssen. Noch vor 17 Jahren waren die Fahrzeuge nach Einschätzung des Piloten „gefährlich schnell“. Der Rekord für die kleinen Flitzer auf den 3000 Kilometern des WSC in Australien liegt bei einem Durchschnittstempo von 103 Kilometern pro Stunde und stammt aus dem Jahr 2005. Manche Solarautos wurden zu dieser Zeit nicht mehr durch technische Beschränkungen gebremst, sondern durch das Tempolimit auf den australischen Straßen: Die Begleitfahrzeuge konnten den Rennautos nicht mehr folgen.

„Lange Zeit durften für Solarautos noch Galliumarsenid-Solarzellen mit einer Fläche von bis zu acht Quadratmetern verwendet werden“, erklärt Bikkannavar. Dieser besonders effiziente Zellentyp wurde für die Raumfahrt zur Stromversorgung von Satelliten und der internationalen Raumstation ISS entwickelt. Seit fünf Jahren ist dieses Energiepaket verboten. Heute müssen sich die Konstrukteure mit monokristallinen Silizium-Zellen begnügen, deren Fläche auf vier Quadratmeter begrenzt wurde. „Wenn die Regularien nicht regelmäßig angepasst werden, sind die Autos in wenigen Jahren trotzdem wieder gefährlich schnell“, sagt Bikkannavar.

Der Akku macht den Unterschied

Die Rennstrecke in Marokko bringt die Solarfahrzeuge wegen eines anderen Problems an ihre Grenzen: Sie ist sehr viel bergiger als der WM-Kurs in Australien. Bei den kilometerlangen steilen Anstiegen in das Atlasgebirge benötigen die Rennwagen mehr Energie, als die Photovoltaik produzieren kann. Daher entscheidet auch die Wahl des richtigen Akkus über den Erfolg. Bei Bergfahrten ziehen die Motoren sehr viel Leistung aus dem Energiespeicher. Herkömmliche Batterien können dabei schnell überhitzen, wenn sie nicht durch ein spezielles Kühlsystem geschützt werden. Die meisten Teams nutzen deshalb Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP), die hohe Leistungsabgaben thermisch sehr gut puffern können, wodurch auch die Brandgefahr gering ist.

In handelsüblichen Elektroautos für den Straßenverkehr hatte diese Technologie lange Zeit keine Chance. Denn LFP-Batterien sind kälteempfindlich und speichern pro Kilogramm Gewicht weniger Energie als die üblichen Mangan-Nickel-Cobalt-Akkus. Der Gedanke, dass ihr Elektroauto bei geringen Temperaturen auf der Straße stehenbleiben könnte, schreckt Autokäufer ab. Tesla und andere Autobauer schwenken aber inzwischen um. Zum einen können die LFP-Batterien beheizt werden. Zum anderen werden Elektroautos immer effizienter, sodass neue Modelle auch mit einer geringeren Akkukapazität noch dieselben Reichweiten haben.

Beim Wettrennen in der marokkanischen Wüste waren niedrige Außentemperaturen kein Problem. Trotzdem sind die Akkus bei den Wettkämpfen immer ein großes Thema. Denn ihre Kapazität ist auf etwa fünf Kilowattstunden begrenzt. Doch wie viel Energie die Speicher am Ziel einer Etappe noch haben, bleibt das große Geheimnis aller Teams im Fahrerlager. Beim Ladestand lässt sich niemand in die Karten schauen. Aber wenn das Auto bei einer Etappe mehr Energie benötigte, als die Solarzellen geliefert haben, ist die Stimmung im Team gedrückt.

Die Akkus werden jeden Tag nach der Zielankunft von der Rennleitung verwahrt, damit sie nicht heimlich geladen werden können. Weil am ersten Renntag in Marokko immer wieder Wolken über den Himmel zogen, lieferten die Solarzellen zu Rennbeginn weniger Energie als erhofft. Und die vielen Steigungen im Atlas-Gebirge forderten ihren Tribut. „Einige Teams hatten am ersten Tag Probleme, weil der Akku abends schlicht leer war“, berichtet einer der Rennkommissare.

Ein fast leerer Akku wirkt sich trotz der Effizienz der Fahrzeuge sofort auf die Rennstrategie aus: Entweder muss man langsamer fahren und während der Fahrt den Akku nachladen. Oder das Solarauto muss gestoppt, der Deckel aufgeklappt und die Solarzellen zur Sonne ausrichtet werden. Wie lange diese Zwangspause dauert, entscheiden die Rennstrategen der Teams anhand der Daten des Streckenverlaufs. Besonders beim Aufstieg in die Berge ist Vorsicht angesagt. Niemand möchte in den Serpentinen mit einem Energieproblem stehen bleiben. Jedes Team hat eine eigene Strategiegruppe, die jeden Tag den Wetterbericht, die Sonneneinstrahlung, die Bodenbeschaffenheit und den Streckenverlauf auswertet. Sie macht Vorgaben, in welcher Phase des Rennens der Pilot im Auto besser energiesparend fahren sollte und wann er die höchste Geschwindigkeit ausreizen kann. Wer das Rennen gewinnen will, darf keine Zeit am Straßenrand mit Aufladen vertrödeln.

Hilfe aus der Solarindustrie

Trotz aller Individualität sind die Studierendenteams auf die Erfahrung aus der Branche angewiesen. Colin van Laar, der Manager des Siegerteams von der Universität Twente, berichtet, sein Team habe in die Konstruktion des Fahrzeugs die Expertise von etwa 150 Firmen eingebracht. Beispielsweise bei der Herstellung der Solarzellen sind die Konstrukteure auf industrielle Hilfe angewiesen. Zwar müssen alle Teams Solarzellen aus monokristallinem Silizium verwenden, aber auch hierbei gibt es Unterschiede. Der Photon ist mit sogenannten geschindelten Solarzellen unterwegs. Dabei werden die Zellen in Streifen geschnitten, wie Dachziegel übereinandergelegt und durch einen elektrisch leitenden Klebstoff miteinander verbunden. Dadurch entfällt der sonst übliche Zwischenraum zwischen den einzelnen Zellen. Die gleiche Zahl an Zellen benötigt weniger Platz, und das Auto kann entsprechend kleiner und leichter werden.

Die Konkurrenz aus Groningen setzt auf die Heterojunction-Technologie des deutsch-schweizerischen Lieferanten Meyer Burger. Hierbei handelt es sich um einen relativ neuen Typ von Solarzellen, der im Vergleich zu herkömmlichen Paneelen einen höheren Wirkungsgrad hat. Zwar verwendet auch die neue Technologie Wafer aus monokristallinem Silizium, um die Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Bei den Heterojunction-Zellen wird der Wafer jedoch zusätzlich mit dünnen Schichten aus amorphem Silizium versehen, das nicht in einem Kristallgitter angeordnet ist und für eine Passivierung der Oberfläche sorgt. So werden weniger von den durch das Licht erzeugten Ladungsträgern an der Siliziumoberfläche wieder vernichtet, was für eine höhere Energieausbeute sorgt (mehr dazu im Kasten links „Solarzellen Technologien im Vergleich“). Daraus ergeben sich gleich mehrere Vorteile: Die Zellen liefern bei weniger Licht bessere Ergebnisse als die Konkurrenz. Außerdem senkt der neue Typ die Zahl der Produktionsschritte und damit die Kosten für die Wafer-Herstellung. Auch die Ökobilanz ist in den vergangenen Jahren deutlich verbessert worden. Für die Konstrukteure besonders wichtig: Die Heterojunction-Zellen sind dünner und biegsamer. Sie lassen sich daher besser an den Fahrzeugen verarbeiten. Zudem funktioniert die Technologie auch bei hohen Temperaturen mit geringen Einbußen. Für ein Rennen in der Sahara ist das von großem Vorteil.

Meyer Burger hat 2021 eine kleine Produktionsstätte in Bitterfeld eröffnet. „Die nächste Generation der Photovoltaik wird aus solchen passivierenden Kontaktsolarzellen bestehen“, kündigt Kaining Ding an, Entwickler von Solarzellen. Er hat am Forschungszentrum Jülich Zellen in industrieller Wafergröße hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 24,5 Prozent erreichen – seinerzeit der drittbeste Wert weltweit. Aber heute halten die herkömmlichen kristallinen Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 22,5 Prozent noch immer über 95 Prozent des weltweiten Photovoltaik-Marktes.

Veränderungen in diesem Segment geschehen langsam. Auf dem Solarmarkt sind die Produktionskosten der Zellen noch immer der ausschlaggebende Faktor. Die herkömmlichen Solarzellen können mittlerweile günstig produziert werden. Den Vorteilen der Heterojunction-Technologie stehen dagegen die hohen Investitionskosten für den Bau neuer Fabriken gegenüber. „Solange ich eine spezielle Technologie nur für einen Nischenmarkt habe, werden die Zellen nicht sonderlich billig sein“, sagt Ding. Für die Hersteller sind Solarautorennen aber ein gutes Umfeld, um ihre Produkte zu testen und zu präsentieren.

Dass das Team Sonnenwagen in Marokko nur auf dem fünften Rang landete, lag nicht am Auto. Die Aachener hatten Pech bei der Qualifikationsrunde in Agadir vor Rennbeginn. Das Team mit der kürzesten Zeit bekommt laut Regelment den besten Startplatz. Der Photon hatte gute Chancen, doch dann donnerte der Rennwagen mit mehr als 100 Kilometern pro Stunde auf einen Baumstumpf, der aus dem Straßenbelag ragte. Die Gärtner hatten den Baum eine Handbreit über dem Asphalt abgesägt, mit frischen Trieben wirkte er wie ein Grasbüschel. Das linke Rad des Photons prallte auf das harte Hindernis. Nach dem Unfall klaffte im Rumpf des Katamarans ein großes Loch, die Radaufhängung war abgerissen und eine der Batterien samt Behälter beschädigt. Das Aachener Team hatte nur 14 Stunden Zeit für die Reparatur, der erste Renntag verlief deshalb nicht optimal. Doch der Unfall hat das Team enger zusammengeschweißt. In diesem Jahr soll es besser laufen. „Wir wollen die World Solar Challenge gewinnen, das ist es, worauf wir hinarbeiten“, sagt Lina Schwering.