Hyperloop-Wettbewerb: Hin zum schnellen, interkontinentalen und selbstfahrenden Transportmittel

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EPFLoop war eines der besten Teams des Hyperloop-Pod-Wettbewerbs 2018. Multiphysikalische Simulation half dabei, mit Designvorteilen durchzustarten. Von Brianne Christopher

Das Ziel von Hyperloop ist ein schnelles, interkontinentales und selbstfahrendes Transportmittel. Ein solches System würde sowohl die Art und Weise des Transports revolutionieren als auch eine umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Verkehrsmitteln darstellen. Der Hyperloop-Wettbewerb, der 2015 von Elon Musk ins Leben gerufen wurde, gipfelt in der Regel jedes Jahr in einem einwöchigen Wettbewerb, der im Sommer in Hawthorne, Kalifornien, im Südwesten von Los Angeles, stattfindet. Im Laufe dieser Woche können die Teilnehmer ihre Hyperloop Pods auf einer 1 Kilometer langen Strecke bei Geschwindigkeiten von etwa 500 km/h testen.

Unter den besten der Welt

Die besten 20 dürfen in die Testanlage in Kalifornien hinein, und die besten drei dürfen bei der Abschlussveranstaltung unter Vakuumbedingungen fahren.

Bereits bei seiner ersten Teilnahme 2018 gelang es dem Team EPFLoop unter die Top 3 zu gelangen, die im Vakuum fahren dürfen. Beeindruckend war zudem, dass sie sich am Ende der Testwoche als erstes Team qualifiziert hatten und ihr Pod die höchste Konstruktionszuverlässigkeit bescheinigt bekam.

Insgesamt belegte das EPFLoop-Team am letzten Tag des Wettbewerbs den dritten Platz im Hochgeschwindigkeitslauf, wobei unerwartet Staub auf die Teststrecke gelangte, der die Leistung der Gondel beeinträchtigte. Die Erfahrung bei SpaceX erwies sich trotzdem als unschätzbar wertvoll.

Das Wettbewerbsteam der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) setzt sich aus Ingenieurstudenten und technischen Beratern zusammen. Neben der Möglichkeit, SpaceX zu besuchen und auf der Testanlage zu starten, konnten die Teilnehmer des EPFLoop-Teams wertvolle Erfahrungen mit multiphysikalischer Simulation sammeln. Denn jeder Teilbereich des Hyperloop-Pod-Designs beinhaltet Modellierungen und Simulationen.

Simulation als Kern der Aufgabe beim Hyperloop-Wettbewerb

Dr. Mario Paolone ist Hauptberater des EPFLoop-Teams und bezeichnet die Simulation sogar als Kern des Projekts. Denn die 60 Meter lange Teststrecke, die dem Team zur Vorbereitung zur Verfügung stand, hatte wenig Ähnlichkeit mit der realen Teststrecke von SpaceX. Folglich war das Team, trotz der Tests, die die Ergebnisse der Simulationen bei niedrigen Geschwindigkeiten bestätigten, auf die Simulation angewiesen, um einen Einblick in die Vorgänge bei hohen Geschwindigkeiten zu gewinnen.

Das Team nutzte dazu die Software Comsol Multiphysics, um die komplexen Zusammenhänge ihres Hyperloop-Pods zu analysieren und seine Leistung vor dem Einsatz auf dem SpaceX-Testgelände abzusichern. Dafür musste das Team mehrere physikalische Effekte gleichzeitig untersuchen, einschließlich mechanischer, strömungstechnischer, elektrischer und materialwissenschaftlicher Phänomene.

Beispielsweise wollte das Konstruktionsteam herausfinden, wie sich die Gondelhülle, die sogenannte „Aeroshell“, die aus einem leichten Kohlefaserverbundwerkstoff besteht, auf der Teststrecke verhalten würde. Um den aerodynamischen Widerstand der Hülle zu minimieren, führte das Team eine CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) in Verbindung mit Form-Optimierungen und mechanischen Spannungsstudien durch.

Denn die Aeroshell muss sowohl leicht sein als auch den aerodynamischen Kräften bei hoher Beschleunigung und Verzögerung standhalten. Die Studenten verwendeten dafür das Interface „High Mach Number Flow“, um die Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte der Gondel zu ermitteln. Die Ergebnisse der Druckverteilung aus der CFD-Analyse nutzten sie anschließend, um eine optimierte aerodynamische Form über die Livelink-for-Matlab-Schnittstelle zu finden.

Wie verhält sich ein Pod bei 500 km/h?

Das Team musste auch herausfinden, wie sich der Druckbehälter der Gondel im Rohr unter Vakuum während des Hochgeschwindigkeitslaufs verhalten würde. Sie entwarfen vakuumfeste Gehäuse, die die Batterien und die elektrischen Komponenten des Pods aufnehmen. Denn einige elektronische Komponenten halten ungeschützt den Bedingungen nicht stand.

Das Team führte daher eine strukturelle Analyse der Verbundwerkstoff-Druckbehälterkonstruktionen durch und verwendete dabei das „Shell“-Interface in der Comsol-Software, um die Überlagerung der Schichten zu berücksichtigen. Anschließend optimierten sie die Strukturantwort, um ein möglichst geringes Gewicht zu erreichen.

Ohne Luft glühen die Bremsen

Das Bremssystem des Pods ist ein weiterer Fall für multiphysikalisches Design: Denn in der Röhre herrscht Vakuum und ohne Luft und Konvektion überhitzen die Bremsen schnell. Trotzdem müssen sie den Pod sicher abbremsen können, nachdem er seine Höchstgeschwindigkeit erreicht hat. Um sicherzustellen, dass die Bremskomponenten die nötige Leistung erbringen können, hat das EPFLoop-Team die Wärmeübertragungsanalysen mit mechanischen Simulationen gekoppelt, um ein geeignetes Bremssystem zu entwerfen.

Mit dem Interface „Heat Transfer in Solids“ haben die Ingenieure und Studenten das Temperaturprofil im Bremssystem während und nach dem Bremsen analysiert, um sicherzustellen, dass keine Schäden am Hyperloop-Pod während der Verzögerung entstehen. Zudem untersuchten sie die, durch die Reibung verursachte, Verlustleistung, um damit den Temperaturanstieg in den Bremsen abzuschätzen.

Mit diesen Informationen führte das Team zudem Materialprüfungen möglicher Belagsmaterialien durch, darunter: Leder, thermoplastisches Polyurethan, Gips und klassische Belagsmaterialien aus der Automobilindustrie.

Die Simulationen zeigten, dass ein maßgeschneidertes Material, das ein Drittunternehmen bereitgestellt hatte, die beste Werkstoffoption für die Bremsbeläge darstellt. Auf diese Weise bleibt das Bremssystem innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs.

Die detaillierte Simulationsarbeit des Teams zahlte sich aus: Einer der Juroren bezeichnete diesen Ansatz als „außerordentlich überzeugend“.

Der Hyperloop-Wettbewerb ist eine Erfahrung fürs Ingenieursleben

Das Besondere am Hyperloop-Wettbewerb ist dabei nicht das letztliche Pod-Design oder die Platzierung, sondern die Bedeutung des Projekts für die teilnehmenden Studierenden.

Nicolò Riva etwa ist Doktorand an der EPFL und Leiter des Teams Aerodynamik. Er erklärt, dass ihn die Erfahrungen dazu bewogen haben, im akademischen Bereich zu bleiben und weiter an ähnlichen Projekten teilzunehmen. Zsófia Sajó, eine der Studentinnen im Wettbewerb 2018 sagt, dass EPFLoop sie dazu ermutigt habe, weiter an sauberer Energie für den Transportbereich zu arbeiten.

Hauptberater Dr. Mario Paolone kommentiert, dass die teilnehmenden Studierenden persönliche Belange zurückstellen, um mit Motivation, Energie und Engagement teilzunehmen. „Das sind genau die Leute, die wir brauchen, um saubere Verkehrsmittel für die Zukunft zu entwerfen“, schließt er.

Brianne Christopher ist Senior Content Manager bei Comsol.

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