Ingenieursstudenten der schottischen Universität Edinburgh waren zur Teilnahme am SpaceX Hyperloop-Pod-Wettbewerb eingeladen. Die Herausforderung lautete: Baut einen Hyperloop-Kapsel-Prototyp und testet ihn am Hauptsitz von Elon Musks Raumfahrtunternehmen SpaceX in Kalifornien. Dabei nutzten die Studenten Wärmebild- und Messtechnik, um die Einsatzbereitschaft ihres Prototyps sicherzustellen.
In einer unterirdischen Vakuumröhre mit 1.120 km/h von einer Stadt zur nächsten zu sausen, mag sich für viele von uns wie kühne Zukunftsmusik anhören – nicht jedoch für den Unternehmer Elon Musk. Der zukunftsorientiert denkende CEO von Tesla und SpaceX sieht darin nämlich den nächsten Evolutionsschritt der Massenverkehrstechnologie. Der Hyperloop ist Musks Vorstellung von elektrisch angetriebenen Kapseln, die selbstständig durch eine Röhre fahren, in der ein vakuumähnlicher Zustand herrscht. Diese Kapseln werden ungefähr so schnell wie ein Flugzeug sein – damit könnte man beispielsweise innerhalb von lediglich 50 Minuten von Edinburgh nach London reisen. Ein jährlicher Wettbewerb zieht viele Ingenieurteams aus aller Welt an den Hauptsitz von SpaceX in Kalifornien. Dort fordert SpaceX die Teams heraus, ihren eigenen Hyperloop-Kapsel-Prototyp zu entwickeln und in einer kilometerlangen Vakuumröhre zu testen.
Effizientes Energiemanagement beim Hyperloop-Team
Eines der Ingenieurteams, das 2018 an diesem Wettbewerb teilnahm, ist HYPED, eine studentische Vereinigung der schottischen Universität Edinburgh. Das aus über 100 Mitgliedern bestehende Team konzentriert sich sowohl auf die technische als auch auf die kommerzielle Entwicklung des Hyperloops. Mit seinen Entwicklungen war das Team bereits bei zwei internationalen Wettbewerben erfolgreich. Beim Wettbewerb 2018 wollte es die Grenzen der Hyperloop-Technologie verschieben. Dafür entwickelte das Team einen neuen Prototyp mit Magnetschwebetechnik, elektrodynamischen (Halbach)-Rädern für den Antrieb sowie Hochgeschwindigkeitsbremsen, Druckluft- Notbremsen und einer druckbeaufschlagten Kapsel aus Kohlefaserverbundstoff.
„Als Studentenvereinigung sind unsere Mittel und Möglichkeiten natürlich ziemlich begrenzt“, sagt Daniel Toth, Head of Power von HYPED. „Wir werden also erst bei SpaceX die Möglichkeit haben, unseren Prototyp erstmals in einem größeren Umfang zu testen. Deshalb ist es sehr wichtig, dass wir vorab jede einzelne Komponente gründlich testen können. Dabei beginnen wir zunächst mit kleineren Testaufbauten, die wir schrittweise vergrößern.“ Toth leitet die für das Energiemanagement (Akkupacks und zugehörige Elektronik) zuständige Gruppe. In diesem Fachbereich erhitzen sich Bauteile normalerweise erst stark, bevor sie kaputtgehen. Neben zahlreichen Simulationsarbeiten führt das schottische Team auch zerstörende Prüfungen von Bauteilen aus, um die Leistungsgrenzen ihrer Konstruktionen zu erkennen. „Bei elektrischen Bauteilen und Akkupacks zeigt eine übermäßige Wärmeentwicklung normalerweise an, dass etwas schiefläuft. Deshalb gehören Wärmebildkameras ganz selbstverständlich zu unserer Instrumentenausrüstung“, erklärt Toth. „Die Wärmebildgebung ist eine ideale Technologie, um konstruktive Schwachstellen aufzuspüren und zu erkennen, welche Details wir verbessern können. Außerdem verhalten sich elektronische Bauteile in einem Vakuum anders, da es dort keine Luftkühlung gibt. Deshalb müssen wir diese Bedingungen sehr gründlich testen.“
Wärmebildkameras und Stromzangen Das Studententeam nutzt eine „Flir E4“ Wärmebildkamera und eine „Flir CM275“ Stromzange mit Wärmebildtechnik. „Wir stellten fest, dass sich die Stromzange für schnelle Überprüfungen und Diagnosen eignet. Für längere und umfangreichere Überprüfungen, an denen mehrere Personen beteiligt waren, erwies sich wiederum die Wärmebildkamera als praktischer.“ Die Stärke der Stromzange liegt darin, dass sie zwei Betriebsarten vereint, die gut zusammen funktionieren. Mit ihrer infrarotgesteuerten Messhilfetechnologie (IGMTM) bietet sie eine schnelle Methode zum Lokalisieren von Hotspots und überlasteten Schaltungen aus sicherem Abstand. Mit den umfangreichen Funktionen und präzisen Temperaturmessungen der Stromzange können die Benutzer ihre Ergebnisse bestätigen. „Selbst im Wärmebildmodus kann ich immer noch die Messwertdaten nutzen. Da dieses Instrument beide Betriebsarten vereint, ist es äußerst effizient“, sagt Toth. „Für mich ist es wesentlich zuverlässiger, wenn ich meine Ergebnisse mit verschiedenen Betriebsarten gegenprüfen und bestätigen kann.“
Das Arbeiten mit Akkus ist immer mit Risiken verbunden. Akkus enthalten giftige Flüssigkeiten, die sich beim Aufladen mit hoher Stromstärke stark erwärmen. Dabei kann insbesondere die Kunststoffummantelung der zum Anschluss führenden Kabel schmelzen oder in Brand geraten. Im schlimmsten Fall gasen die Akkus aus. Dabei können plötzlich gefährliche, unter Druck stehende Gase und Flüssigkeiten aus ihnen entweichen. Mit herkömmlichen Instrumenten wie Thermistoren und thermoelektrischen Elementen muss der Benutzer das zu überprüfende Objekt stets mit dem Instrument berühren, um Messungen vorzunehmen. Wärmebildkameras bieten dem HYPED-Team hingegen die Möglichkeit, Akkupacks und Elektronikbauteile aus sicherem Abstand berührungsfrei zu überprüfen. Außerdem besitzt Toth eine „Flir One“-Wärmebildkamerafür Smartphones. „Ich arbeite jetzt schon seit einiger Zeit mit Elektronikbauteilen, und Wärmebildkameras haben sich stets als praktisches nstrument für deren Überprüfung erwiesen.“Unter anderem stehen Tests des Antriebssystems und der Motorsteuerung auf der Aufgabenliste.