Rotor statt Motor

Autofahren mit dem Wind – Stuttgarter Studenten haben die skurrile Idee in die Tat umgesetzt. Schon serienreif ist ein Fahrzeug, das aus Druckluft seine Energie bezieht. Der Wirkungsgrad ist allerdings lausig. Anno 1335: König Philipp VI. von Frankreich rüstet zum Kreuzzug ins Heilige Land. Vom gottgewollten Auftrag seines Herrschers inspiriert, tüftelt Guido da Vigevano, der aus dem italienischen Pavia stammende Leibarzt von Königin Johanna von Burgund, an Kriegsmaschinen, die den Sturm auf die heilige Stadt Jerusalem und den Sieg über die Muselmanen erleichtern sollen. Große Hoffnungen setzt Vigevano auf einen acht Meter langen Streitwagen mit 2,40 Meter großen Rädern, der von einer drehbaren Turmwindmühle angetrieben wird. Das Ungetüm ist nicht nur der Beweis, dass die Menschen des Mittelalters bereits Turmwindmühlen bauten, es ist auch der Entwurf für das erste Automobil. Doch die Kriegsanleitung des Doktors wurde nie gebaut. Sie hätte auch nicht funktioniert: Mit dem schwachen Windrad und der ungünstigen Getriebeübersetzung hätte der Koloss die Felsenstadt Jerusalem nie einnehmen können. 23. August 2008, an der Strandpromenade in der niederländischen Stadt Den Helder: Sechs bizarr aussehende Gefährte stehen bereit, den Traum des Doktors aus Pavia wahr zu machen. Ihre Aufgabe: Sie sollen allein mit Windkraft einen drei Kilometer langen Kurs an der Küste fahren – und zwar frontal gegen den Wind. Schräg am Wind hin und her zu kreuzen, wie Segler es tun, war bei dem Wettbewerb namens Aeolus Race verboten. Studententeams aus den Niederlanden, Dänemark, Griechenland und Deutschland hatten die Vehikel entworfen und gebaut. Sie traten immer zu zweit gegeneinander an – und bewiesen, dass Fahren mit dem Wind möglich ist. Das Siegerteam InVentus vom Lehrstuhl Windenergie der Universität Stuttgart unter der Leitung des Ingenieurwissenschaftlers Martin Kühn schaffte die Strecke in flotten acht Minuten. Das Fliegengewicht GEWINNT Seit März 2008 hatten Alexander Miller und Jan Lehmann – beide Diplomanden im Studiengang Luft- und Raumfahrttechnik –, unterstützt von etwa 15 Kommilitonen, das nur 100 Kilogramm leichte „Ventomobil” konstruiert. Nicht zuletzt wegen seines geringen Gewichts konnte es sich gegen die deutlich schwerere Konkurrenz durchsetzen und das Rennen gewinnen. In dem Projekt sollten die Studenten die neuen Technologien für die Nutzung der Windkraft anwenden und dabei das Management einer anspruchsvollen Forschungsaufgabe üben. Das Herz des Stuttgarter Ventomobils ist ein zweiblättriger Rotor mit einem Durchmesser von zwei Metern. Er thront, wie bei Guido da Vigevanos Konstruktion, auf einem Turm über dem Fahrer und ist gemäß den Wettbewerbsvorgaben von einem Drahtkäfig umgeben, um den Fahrer zu schützen. Der Rotor überträgt seine Kraft mit zwei Fahrrad-Kettenschaltungen auf die Hinterachse. Rotor und Räder – auch dies eine Bedingung der Ausschreibung – sollten aus Sicherheitsgründen einzeln zu bremsen sein. Die Studenten bauten dazu Scheibenbremsen ein, ebenfalls Standardteile aus dem Fahrradgeschäft. Bei den übrigen Komponenten setzten die Diplomanden auf Hightech: Der leichte Rahmen wurde in den Uni-Werkstätten aus Kohlefasern geflochten und mit Kunstharz gehärtet. Auch der Rotor besteht aus einem ultraleichten Kohlefaser-Sandwich, das nach Vorgaben einer Rechnersimulation in einer Form gebacken wurde. Um gegen einen Ausfall des Gefährts durch Materialversagen gefeit zu sein, deckte sich das Team mit genügend Ersatzteilen für den Kohlefaserrahmen ein. „Denn es kann immer mal was brechen”, sagte Jan Lehmann kurz vor der Abreise nach Holland. Seine Befürchtungen bewahrheiteten sich – aber anders als die Studenten erwartet hatten: Der Kohlefaserrahmen hielt durch, doch das vordere Kettenblatt der Fahrradschaltung war der Kraft des Windes nicht gewachsen. Beim ersten Rennen verbog sich das Zahnrad glücklicherweise erst bei der Zieldurchfahrt, bei einem weiteren Rennen blieb das Ventomobil gleich nach dem Start mit einem komplett zerquetschten Zahnrad stehen. Zum Glück hatte der Fahrradhändler vor Ort Ersatz. „Der hatte so ein zerstörtes Kettenblatt noch nie gesehen”, sagt Tobias Klaus, Sprecher des InVentus-Teams. Im Rückblick ist man immer schlauer. So hatte das Stuttgarter Team mit 2400 Watt Rotorleistung kalkuliert. Ein Fahrradfahrer, selbst wenn mit EPO und Eigenblut gedopt, schafft nicht einmal 1000 Watt. 1400 Watt Mehrleistung schienen beherrschbar, das zeigten auch die Tests im riesigen Böenwindkanal auf dem Gelände der Universität Stuttgart im Stadtteil Vaihingen. Auf dem Rollenprüfstand bei sechs Meter pro Sekunde Windgeschwindigkeit funktionierte der Antrieb problemlos. Am Renntag herrschten indes Windgeschwindigkeiten von über acht Meter pro Sekunde – zu viel für die Schaltung, bei der, wie bei Mountainbikes üblich, die Kette je nach Übersetzung meist etwas schräg läuft und so seitlich an den Zahnrädern zerrt. 6000 Watt Leistung, schätzt das Team, hat der Rotor wohl im Augenblick des Defekts in den Antrieb gespeist – da versagte das Material des Kettenblatts. 1000 Euro Sonderpreis Neben der Frage, wer das schnellste Windmobil baut, sollte das Aeolus Race auch die grundsätzliche Frage beantworten, mit welcher maximalen Geschwindigkeit ein windgetriebenes Fahrzeug frontal gegen die Windrichtung ankommt. Gustav Winkler, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Fachhochschule Flensburg, hatte extra einen Preis von 1000 Euro ausgesetzt. Er galt dem Team, dem es gelang, schneller als mit 50 Prozent der Windgeschwindigkeit gegen den Wind zu fahren. Winklers Kalkulation: Je stärker der Wind bläst, umso mehr Leistung bringt der Windrotor auf die Räder, aber umso höher ist auch der Widerstand, den der Rotor selbst und das ganze Fahrzeug dem Wind entgegenstellen. Dieses Gleichgewicht, so Winklers Vermutung, müsste bei unter 50 Prozent liegen. Am Ende knackten drei Teams – nicht jedoch die Flensburger – die 50-Prozent-Marke, und der Preis wurde durch drei geteilt. Das Ventomobil schaffte mit 66 Prozent eine Endgeschwindigkeit von über 20 Kilometer pro Stunde. Das gab den Ausschlag für den Sieg, denn auch das niederländische ECN-Team und die Studenten aus Flensburg verbuchten jeweils drei Siege. Doch Tobias Klaus war nicht zufrieden: „Wir hatten noch mehr erwartet.” Die Übeltäter waren auch hier die schräg laufenden Ketten der hintereinander montierten Fahrradschaltungen und ihre hohe innere Reibung. Wenn es 2009 zu einer Neuauflage des Rennens kommt – und davon gehen alle Beteiligten aus –, soll die Reibung bis dahin verringert werden. Auch Teams, die in Den Helder noch nicht einmal über die Startlinie kamen, sollen dann eine Chance bekommen. Das wacklige Gefährt aus Griechenland kam ebenso wenig vom Fleck wie der Baltic Thunder der Fachhochschule und der Christian-Albrechts-Universität in Kiel. Als einziges Team setzte eine Rennmannschaft um Alois Schaffarczyk, Professor für Maschinenbau an der Fachhochschule Kiel, auf einen elektrischen Antrieb. Der Rotor aus drei senkrecht stehenden Blättern treibt bei dem Kieler Vehikel einen Generator an, der eine Batterie speist. Die wiederum liefert Energie an den Elektromotor – theoretisch. Das Reglement sah vor, dass die Batterie beim Start leer sein musste und der Ladevorgang erst mit dem Startschuss beginnen durfte. Doch bis der Akku genug Energie gesammelt hatte, damit die Kieler überhaupt losfahren konnten, waren ihre Konkurrenten längst im Ziel. Dennoch räumt Tobias Klaus diesem Konzept gute Chancen für die Zukunft ein, falls es jemals zum Bau von Windautos für den Straßenverkehr kommen sollte. Die würden sicher keinen fest montierten Rotor auf einem Turm über dem Fahrer haben, wie das filigrane Stuttgarter Ventomobil oder der bananengelbe „Impulse” des niederländischen ECN-Teams. Denkbar wären ausklappbare Rotoren, die nachts beim Parken Windenergie sammeln und in eine Batterie speisen. Oder Rotoren, die man wie Sonnenschirme in die Erde steckt – wie beim Eclectic. STEINZEITAUTO AUS PLASTIK Das Unternehmen Venturi aus dem Operettenstaat Monaco hat mit dem Eclectic ein skurriles Gefährt entwickelt, das wie die Plastikversion der Steinzeitautos aus den Fred-Feuerstein-Comics aussieht. Angetrieben wird die fahrende Telefonzelle von einem Elektromotor mit 22 Pferdestärken Leistung, der den Dreisitzer auf 50 Kilometer pro Stunde beschleunigt. Der Nickel-Metallhydrid-Akku saugt die Energie aus der Solarzelle auf dem Dach oder eben aus Windgeneratoren, die es als Zubehör gibt. Der Eclectic ist damit nach Firmenangabe das erste serienreife Automobil, das seine zum Fahren benötigte Energie selbst erzeugt. Der Wind weht, wann er will – ohne Speicher geht es also nicht, wenn ein Windmobil stets fahrbereit sein soll. Aber muss es immer eine Batterie sein? Es sieht so aus, denn die Wasserstofftechnologie, kombiniert mit der Brennstoffzellentechnologie, scheint in immer weitere Ferne zu rücken, während sich bei den fast in Vergessenheit geratenen Elektroautos eine Renaissance abzeichnet – befördert durch den Boom bei Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius. Doch Guy Nègre ist da anderer Meinung. Der Luftfahrt-Ingenieur aus Frankreich tüftelt seit 1991 an Motoren, die mit Druckluft arbeiten – also sozusagen Wind in Dosen abfüllen. Das ist keine neue Idee: Schon 1840 stellten die Brüder Andraud und Tessié du Motay ein Automobil mit Druckluftantrieb vor. Nègre will dem Konzept endlich zum Durchbruch verhelfen und verspricht noch für Ende 2008 den Beginn der Serienfertigung des One-Cat in seiner Firma Motor Development International (MDI) in Nizza. Das 350 Kilogramm leichte dreisitzige Vehikel in origineller Badewannenform, das aus Aluminium, Plastik und Schaumstoff besteht, wird von einem 22 Pferdestärken starken Vierzylinder-Druckluftmotor mit 800 Kubikzentimeter Hubraum angetrieben. Es soll bis zu 110 Kilometer pro Stunde schnell sein, bei einer Reichweite von rund 100 Kilometern. Genügt das nicht, um ans Ziel zu gelangen, springt ein kleiner Benzinmotor in die Bresche, der nur 1,5 Liter Sprit pro 100 Kilometer schlucken und die Reichweite auf ganze 800 Kilometer steigern soll. GEFAHR: VEREISUNG Seine Energie bezieht der Motor aus einem Tank aus Glasfaserkunststoff, der vom Flugzeugbauer Airbus kommt. Der Behälter speichert 90 Kubikmeter komprimierte Luft bei einem Druck von 300 Bar. So ohne Weiteres läuft der Luftmotor aber nicht. Ein herkömmlicher Kolbenmotor würde rasch vereisen: Wenn die Luft den Kolben nach unten drückt, entspannt sie sich und wird extrem kalt. Deshalb muss die Luft über Wärmetauscher erhitzt werden, bevor sie in den nächsten Kolben darf und dort ihre Arbeit verrichtet. Aus dem Auspuff strömt klimaverträgliche reine Luft mit einer frostigen Temperatur zwischen minus 15 und 0 Grad Celsius, die sich praktischerweise noch für die Klimaanlage nutzen lässt. Lange Zeit wurde Nègre belächelt. Immer wieder versprach er den Serienstart und zog dann doch zurück. So wollte der quirlige Ingenieur die Luftqualität in Mexico City verbessern und alle Taxis durch Druckluftautos ersetzen. Dazu kam es nie. Inzwischen hat der Franzose prominente Unterstützung erhalten, denn 2007 stieg der indische Autobauer Tata Motors bei MDI ein – jener Hersteller, der die Branche Anfang 2008 mit seinem 1700-Euro-Auto namens Nano schockte. Auch One-Cat soll je nach Bauvariante nur zwischen 3500 und 5300 Euro kosten. Wie der Nano zielt das Druckluftfahrzeug damit nicht auf Premiummobile Made in Germany, sondern will eher eine Alternative für die Massenmobilisierung in Schwellenländern wie Indien sein. Sauber ist One-Cat dennoch nicht. Denn das Vehikel wird mit einem Kompressor betankt – entweder zentral an einer Tankstelle oder zu Hause mit einem fünf Kilowatt schwachen Elektromotor, der mit dem Druckluftmotor des One-Cat gekoppelt ist. Der Elektromotor gewinnt zum einen Bremsenergie zurück und wandelt zum anderen den Druckluftmotor in einen Kompressor um, der beim Parken Luft in den Tank presst. Beide Betankungsvarianten brauchen Strom. VON WEGEN „KLIMANEUTRAL” Und der wird in Deutschland zu einem großen Teil in Kohle- oder Gaskraftwerken erzeugt – also keineswegs klimaneutral, wie Monsieur Nègre glauben machen will. Zudem ist die Energiebilanz lausig. Der erste Energieverlust findet in den Kraftwerken statt, die heute einen Wirkungsgrad von etwa 45 Prozent (Kohle) oder maximal 60 Prozent (Gas-und-Dampf-Kraftwerk) haben. Weiter geht es beim Betanken: Um den Druckluftbehälter des One-Cat zu füllen, sind 65 Kilowattstunden elektrische Energie nötig, beim Komprimieren entsteht viel nutzlose Wärme. „Von den 65 Kilowattstunden bleiben noch 13 übrig, also etwa 20 Prozent”, hat Erwin Ruppelt errechnet, leitender Produktingenieur bei der Firma Kaeser Kompressoren in Coburg. Und Helmut Pucher, der als Professor fast drei Jahrzehnte lang Leiter des Fachgebiets Verbrennungskraftmaschinen an der Technischen Universität Berlin war, bilanziert: „Das Druckluftauto ist ein nettes Konzept, aber keine Generallösung.” Auch wenn die Energiebilanz beim Komprimieren und Entspannen von Luft ziemlich miserabel ist, wäre der leichte, billige und robuste Drucklufttank eine Alternative zu teuren und schweren Batterien. Ulf Bossel, Organisator des European Fuel Cell Forums – einer internationalen Organisation zur Förderung der Brennstoffzellentechnologie –, kann sich eine Infrastruktur für elektrische Energie vorstellen, in der Millionen Druckluftautos als Energiespeicher dienen. Scheint die Sonne und weht der Wind im Überfluss, werden die Tanks geladen. Dabei entsteht Wärme, die zum Heizen dienen kann. Bossel: „Mit sauberem Strom ist Druckluft ein absolut sauberes System.” ■ BERND MÜLLER lebt im windarmen Esslingen. Er war bdw-Redakteur und schreibt heute als freier Journalist über Innovationsthemen. von Bernd Müller Mehr zum Thema Homepage des InVentus-Projekts an der Uni Stuttgart: www.inventus.uni-stuttgart.de Homepage des Aeolus Race mit Links zu allen Teams: wee.ato-nh.nl Informationen zum Druckluftauto von MDI: www.mdi.lu Website der Firma Venturi Eclectic: www.venturi.fr KOMPAKT · Das Stuttgarter Windauto kann flott fahren – selbst frontal gegen den Wind. · Es wiegt nur rund 100 Kilogramm. · Autos mit Druckluftantrieb könnten überschüssig erzeugte Windenergie zwischenspeichern.