Reisen durch die Röhre: Der gehypte Loop

Ab durch die Röhre wie in Futurama. Natürlich hat Elon Musk seine Finger im Spiel, wenn es darum geht, uns die “fünfte Art zu reisen” schmackhaft zu machen. Doch was steckt hinter der Technik des Hyperloop und wird sie überhaupt jemals Realität? Der schweifende Blick aus dem Zugfenster wäre dann wohl für immer passé.

Dass sich im Herkules Trakt auf der Playa Vista in Los Angeles nur Großes abspielen kann, scheint dem titanischen Namen geschuldet zu sein. Immerhin wurden in dem stillgelegten Flugzeughanger testosterongeladene Hollywood Filme wie Transformers und Avatar mit zusätzlichen Szenen glatt geschliffen. Derzeit jedoch schleifen eifrige Studenten der University of Illinois und Wissenschaftler im Herkules Hangar an einer Technik, neben der selbst die Kräfte des Halbgottes verblassen: dem Hyperloop.

“Hyperloop”. Der Terminus verspricht nicht weniger als die Fortbewegung der Menschheit zu revolutionieren – und zwar mit der “fünften Art zu reisen”: Bislang konnte man per Schiff, Zug, Auto und Flugzeug reisen, doch nun besteigt man eine Kapsel, die mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit durch einen Vakuumtunnel geschossen wird. Da hat doch jemand zu viel Futurama geschaut, oder etwa nicht? Die beliebte TV-Serie des Simpson-Schöpfers Matt Groening spielt um das Jahr 3000. Das menschliche Fortbewegen durch Röhren gehört dort zum Alltag, aber das Bereisen fremder Galaxien ebenso.

Dieser Elon Musk schon wieder

Derjenige, der zu viel Futurama geschaut hat – oder auch nicht –, heißt Elon Musk und er meint es ernst mit dem Hyperloop. Im August 2013 stellte der PayPal Gründer sein Konzept für ein neues Hochgeschwindigkeitstransportsystem der Öffentlichkeit vor. Im Sinne des Konzeptionisten Musk wurde aus der Idee ein regelrechter Contest, an dem sich mittlerweile mehrere Universitäten und Firmen beteiligen. Das neue Verkehrssystem wurde von Anfang an als Crowdsourcing-Projekt ausgeschrieben. Alle sollen Zugang dazu haben. Gemeinsam soll an jener Technik gefeilt werden, die uns in Zukunft durch die Rohrpost schickt.

Basierend auf den Ideen von George Medhurst sieht man hier eine zeitgenössische Radierung von 1867, die ein Modell von Alfred Ely Beach pneumatischer Vakuumbahn illustriert. Bildquelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Pneumatic_tube
Basierend auf den Ideen von George Medhurst sieht man hier eine zeitgenössische Radierung von 1867, die ein Modell von Alfred Ely Beach pneumatischer Vakuumbahn illustriert. Bildquelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Pneumatic_tube

Eine Idee, die Geschichte geschrieben hat

Eine Vision? Oder baldige Realität? Die Idee an sich ist jedenfalls nicht neu.

Hat nicht George Medhurst bereits im Jahr 1812 diesselbe Idee entworfen wie Musk? 1810 hatte Medhurst lediglich die Vision, Güter und Briefe ohne Luftwiderstand durch eine evakuierte Röhre zu befördern. Doch in seiner visionären Veröffentlichung von 1812 ging er noch einen Schritt weiter. Seine Denkschrift “Calculations and remarks tending to prove the practicability, effects and advantages of a plan for the rapid conveyance of goods and passengers upon an iron road through a tube of 30 feet in area by the power and velocity of air” drückt bereits im Titel aus, dass sich an der Innovationskraft dieser Idee auch 200 Jahre später nicht viel geändert hat. Immerhin soll der Musk’sche Hyperloop kostengünstig, energieeffizient, nachhaltig und schneller sein als alles andere. Raketen mal ausgenommen, aber welcher Städter von Welt reist schon regelmäßig mit Raketen?

Was ist dran an der Technik?

Wie dem auch sei, die brennendste Frage bleibt: ist das technisch überhaupt möglich? Es wird ja einiges verlangt. Die elektrisch angetriebenen Transportkapseln sollen schließlich Reisegeschwindigkeiten von bis zu 1500 km/h erreichen, während sie auf Luftkissen durch eine stark evakuierte Röhre rauschen. Warum eigentlich stark evakuiert? Durch das Herauspumpen von Luft aus einem Tunnel wird lediglich ein angenähertes Vakuum erzielt. Soll heißen: Eine Kapsel mit Passagieren oder Gütern schießt mit sehr hoher Geschwindigkeit durch eine fast luftleere Röhre.

Das Teilvakuum verhilft zu schnelleren Geschwindigkeiten mit weniger Energieaufwand. Der Rest der Luft wird unter den Schlitten gezogen. Auf diesem Luftpolster gleitet der Hyperloop mit Geschwindigkeiten bis zu 1500 km/h. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperloop
Das Teilvakuum verhilft zu schnelleren Geschwindigkeiten mit weniger Energieaufwand. Der Rest der Luft wird unter den Schlitten gezogen. Auf diesem Luftpolster gleitet der Hyperloop mit Geschwindigkeiten bis zu 1500 km/h. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperloop

Der Vorteil liegt klar auf der Hand. Wenn man in einem Vakuumtunnel ein Fahrzeug bewegt, erzielt man bei gleichem Energieaufwand eine wesentlich höhere Geschwindigkeit, da der Luftwiderstand viel geringer ist. Die Kräfte des Luftwiderstand sind nicht zu unterschätzen. Der Widerstand wächst quadratisch mit der Geschwindigkeit. Doppelt so schnell, heißt viermal so stark. Dreimal gleich Neunmal. Und so weiter. Man sieht das deutlich bei geläufigen Hochgeschwindigkeitseisenbahntunnel: Die Röhren weisen allein deshalb einen so großen Durchmesser auf, damit der Zug nicht die gesamte verdrängte Luft vor sich herzuschieben braucht.

Schon 1870 schaffte es die pneumatische Vakuumbahn von Alfred Ely Beach in die Presse: Sein Beach Pneumatic Transit war der erste (gescheiterte) Versuch, in New York eine U-Bahn zu bauen. Bildquelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Alfred_Ely_Beach
Schon 1870 schaffte es die pneumatische Vakuumbahn von Alfred Ely Beach in die Presse: Sein Beach Pneumatic Transit war der erste (gescheiterte) Versuch, in New York eine U-Bahn zu bauen. Bildquelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Alfred_Ely_Beach

Alles ist anders…

Was den Hyperloop betrifft, gibt es einige technische Hürden zu überwinden. Der Antrieb ähnelt zwar dem eines Transrapid, doch das unkonventionelle Design muss von der Pike auf erfunden werden:
Die Streckenführung ist eine andere.
Die Bauteile sind andere.
Die Gepäckaufbewahrung ist eine andere.
Die Art und Weise des Personentransports ist eine andere.
Hieraus erwächst das wohl größte Problem: Wie soll das Reisen im einem kleinen, engen, kubisch wirkenden Gefäß überhaupt bequem werden?

… aber immerhin 24/7

Die Architekten und Wissenschaftler der beteiligten Firmen und Universitäten müssen ihren Pioniergeist jedenfalls unter Beweis stellen. Was bislang zu sehen war, lässt immerhin hoffen. In der Theorie können die Züge nicht crashen. Immerhin. Die Fahrkarten würden wesentlich günstiger als bei Hochgeschwindigkeitszügen. Immerhin. Tickets sollen ca. 25 Dollar kosten für gewaltige Strecken in unfassbar kurzer Zeit. Immerhin. Von Downtown Los Angeles nach Downtown San Francisco – eine Strecke über 385 Meilen – in 30 Minuten. Immerhin. Eine Strecke so lang wie von Paris nach Amsterdam dreimal schneller als mit dem Flugzeug und 10 mal so schnell wie mit dem Auto. Immerhin.

Selbst die Energiebilanz scheint zu stimmen. In der Theorie werden die oben auf den Rohren angebrachten Solaranlagen mehr Strom produzieren, als die einzelnen Züge konsumieren. Der überschüssige Strom kann gespeichert werden, schließlich soll der Loop 24/7 laufen. In USA hat schließlich nichts eine Zukunft, das nicht 24/7 verinnerlicht. Der virtuelle Test am PC lässt hoffen, dass potenzielle Fahrgäste auch 24/7 bereitstehen. Der Komfort könnte ähnlich sein wie beim Autofahren. Natürlich aus rein mathematisch-theoretischer Perspektive: berechnet nach der Gravitationkraft, die auf eine Person wirkt. Beim virtuellen Testlauf konnten die Kotztüten zu Hause gelassen werden.

Der erste Test ohne Tunnel: der Antrieb funktioniert

Für den Antrieb sind keine Räder, Achsen, Antriebswellen oder Getriebe erforderlich. Der Zug schwebt auf einem magnetischem Feld. Die Geschwindigkeit ist von der Frequenz des Feldes abhängig. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Transrapid
Für den Antrieb sind keine Räder, Achsen, Antriebswellen oder Getriebe erforderlich. Der Zug schwebt auf einem magnetischem Feld. Die Geschwindigkeit ist von der Frequenz des Feldes abhängig. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Transrapid

Doch wie sieht es denn nun in der Realität aus? Das ist bislang schwer zu sagen. Auf seiner Teststrecke bei Las Vegas im US-Bundesstaat Nevada hat das Unternehmen Hyperloop One den Antrieb ihres zukünftigen Hyperloops erstmals getestet. Die Teststrecke blieb noch offen, der Schlitten fuhr noch auf Schienen, nicht auf Luftkissen. Im Test ohne Röhren erzielte der Probeschlitten immerhin knappe 260 km/h. Er durchfuhr 1000 Yards, also gute 900 Meter in 1,19 Sekunden. Seine Beschleunigung betrug 2 g. Zum Vergleich: Astronauten benötigen 3g, um die Erdatmosphäre zu verlassen. Ein Sportwagen, der von 0 auf 100 in ca. 3 Sekunden beschleunigt, entfesselt eine Gewichtskraft von ca 0,9-1 g, die auf den Fahrer wirkt. Wie auch immer: wenn die Rohre erst einmal da sind, sollen jedenfalls über 600 km/h drin sein. Das Fernziel ist noch höher gesteckt. Von 0 auf 600 km/h in nur 2 Sekunden. 900km/h Durchschnittsgeschwindkeit, 1200-1500 km/h Höchstgeschwindigkeit.

Warum der Hyperloop der Magnetschwebebahn überlegen sein soll, erfahrt ihr auf Seite 2.

Virtuelle Simulation: Hyperloop vs. Magnetschwebebahn (Transrapid)

In der virtuellen Simulation sieht es dann doch anders aus: Die Kapseln schweben über einer Schiene, gehalten von einem Magnetfeld. Zudem erzeugen sie durch den Rest der verdrängten Luft ein Luftpolster, auf dem sie schweben. Ein Linearmotor treibt sie an. Diese Art von Motoren werden bislang für Bahnantriebe (Transrapid/RailCab/HSST) aber auch bei Achterbahnen eingesetzt. In der Industrie erzielen Linearmotoren eine Beschleunigung von bis zu 6 g. Das Konzept Hyperloop sieht vor, dass auf Stahlbetonstützen zwei nebeneinander liegende Röhren aus Stahl installiert werden. Bis zu 28 Passagiere sollen in einer Kapsel Platz finden. In einer größeren Variante könnten theoretisch auch Autos und schwere Lasten transportiert werden. Das ist die große Verheißung der sog. passiven Magnetschwebetechnik.

Die vom Motor angesaugte Luft wird so distribuiert, dass unter der Kapsel ein Luftpolster entsteht, auf dem der Hyperloop beinah widerstandslos gleiten kann. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperloop
Die vom Motor angesaugte Luft wird so distribuiert, dass unter der Kapsel ein Luftpolster entsteht, auf dem der Hyperloop beinah widerstandslos gleiten kann. Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperloop

Bei dieser Technik werden nicht-bestromte Spulen innerhalb der Strecke platziert. Dauermagneten und Batterien werden in den Kapseln eingebaut. Auf diese Weise schweben die Kapseln im Hyperloop und gewinnen an Geschwindigkeit. Beim Bremsen laden sich die Batterien an Bord wieder auf. Energiekosten sind gleich null. Da der Zug durch eine Röhre mit niedrigem Druck fährt, ist der Luftwiderstand gering. Das spart Energie. Alles zusammen führt zu einer sehr interessanten Energiebilanz: der intelligente Einsatz von Solarenergie, Windenergie, kinetischer Energie (Bremsen) und Geothermie (wenn es der Untergrund anbietet) produziert am Ende sogar überschüssigen Strom, der ins Netz eingespeist werden soll.

Generell benötigt eine passive Magnetschwebetechnik keine teure Infrastruktur wie Stromtrassen, wie sie beim Bau einer Strecke von herkömmlichen Magnetschwebebahnen zwingend erforderlich ist. Das System wäre selbst dann funktionsfähig, wenn es einen Stromausfall gäbe. Für Notfälle sind zusätzlich eine mechanische Bremse und ein elektrischer Radantrieb vorgesehen. Die Stromversorgung erfolgt über Solarzellen, die oben an den Röhren angebracht sind. Stützpfeiler werden in einem mittleren Abstand von etwa 30 Meter stehen und Dämpferelemente enthalten, die die “fünfte Art zu reisen” auch erdbebensicher machen soll.

Gegen ein schnelleres Reisen wäre ja nichts einzuwenden, doch heißt schnell auch sicher? Viele Experten kritisieren das Konzept des Hyperloops, da potenzielle Risikien bislang ungeklärt sind. Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16447483367
Gegen ein schnelleres Reisen wäre ja nichts einzuwenden, doch heißt schnell auch sicher? Viele Experten kritisieren das Konzept des Hyperloops, da potenzielle Risiken bislang ungeklärt sind. Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16447483367

Was tun, wenn’s brennt? Sicherheitsbedenken und physikalische Probleme

Wie es mit der Sicherheit aussieht, ist in der Tat höchst umstritten. Mal ganz abgesehen davon, dass man eng, abgeschlossen und fensterlos durch einen dunklen Tunnel rauscht, wobei Reiseübelkeit nicht ausgeschlossen werden kann – besonders wegen der exorbitanten Beschleunigung –, bemängeln mehrere Experten die enormen Sicherheitsrisiken. Markus Hecht von der Technischen Universität Berlin benennt vor allem ein physikalisches Problem: in einer völlig leer gepumpten Röhre sei die entstehende Abwärme wohl kaum zu kanalisieren.

Also, was tun, wenn’s brennt? Die Frage scheint berechtigt. Für eine plötzliche Evakuierung aus der Röhre existiert bislang noch kein Konzept. Auch wird die Sicherheit bei Erdbeben – trotz der Vorkehrungen – als fragil eingestuft. Zwar soll der Hyperloop mit einem Notsystem ausgestattet werden, doch die langen Bremswege sind nicht einfach wegzudiskutieren. Bei einer Höchstgeschwindigkeit von 1200 km/h würde sich ein Bremsweg von fast 2 Kilometern und eine Bremszeit von 15 Sekunden ergeben.

Auch ganz alltägliche Dinge wie die Unterbringung von Toiletten sind bislang ungeklärt. Zugegeben: bei Fahrten von ca. 30 Minuten sind Toiletten wohl das geringste Problem. Die enormen Sicherheitsrisiken sind jedoch nicht von der Hand zu weisen. Bislang haben die Pioniere nur bewiesen, dass ihre Antriebstechnik funktioniert. In Zukunft werden sie unter Beweis stellen müssen, dass der Hyperloop auch in puncto Sicherheit konkurrenzfähig werden kann. Für den Konzeptionisten des Hyperloops, Elon Musk, sind das alles technische Details, die früher oder später gelöst würden.

Keine Fenster, Keine Toiletten, Kein Notausgang – Wird der sicherheitsbedachte Bürger da einsteigen? Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16034879863
Keine Fenster, Keine Toiletten, Kein Notausgang – Wird der sicherheitsbedachte Bürger da einsteigen? Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16034879863

Welches Konzept setzt sich durch? Hyperloop oder California High-Speed Rail (CAHSR)

Überhaupt habe er das Konzept nach eigener Aussage als kostengünstigere und sicherere Alternative zu dem California High-Speed Rail (CAHSR) entwickelt. Die Zahlen scheinen dem Entrepreneur recht zu geben. Der Ausbau des CAHSR würde sechs bis sieben Milliarden Dollar verschlingen. Die Installation seines Hyperloop zwischen Los Angeles und San Francisco würde nach Musk lediglich 68 Millionen Dollar kosten. Der exorbitante Kostenvorteil entstünde aus mehrere Gründen.

Durch die weitgehende Führung der Strecke auf dem bestehendem Autobahngelände verringern sich die Landerwerbskosten beträchtlich. Eine Ebnung der Strecke ist nicht notwendig. Der Flächenbedarf der Stützen ist gering. Großflächiges Gelände muss weder abgetragen noch aufgeschüttet werden. Fundamente sind wenig aufwendig. Das Leergewicht der Kapseln steht nicht mal ansatzweise in Relation mit den typischerweise hundert Tonnen schweren Hochgeschwindigkeitszügen.

Die Pioniere der Hyperlooptechnik berufen sich darauf, dass 90 Prozent aller Zugunfälle auf ein menschliches Versagen zurückzuführen sind. Der Hyperloop hingegen basiert gänzlich auf einem eigens generierten Computersystem, das sämtliche menschliche Fehler ausschließen soll. Städte und Metropolen die 8-9 Stunden auseinanderliegen sollen durch kurze Fahrzeiten – 20 bis 30 Minuten wohlgemerkt – enger miteinander verzahnt werden. Bei noch größeren Entfernungen würde sich die ökologische und ökonomische Bilanz zu Gunsten des Flugzeugs verschieben.

Der Hyperloop wird kommen

Nach dem erfolgreichen Test hat Hyperloop One in der zweiten Finanzierungsrunde 80 Millionen US-Dollar erhalten. Zu den Investoren gehörten unter anderem General Electric sowie die Société Nationale des Chemins de fer Français (SNCF), die staatliche französische Eisenbahngesellschaft. Selbst die Deutsche Bahn beteiligt sich mittlerweile an der Entwicklung, beziehungsweise ihre Tochtergesellschaft DB Engineering & Consulting.

Die Verantwortlichen für den ersten Test von Hyperloop One meinen es ernst: die Röhren werden kommen. Bildquelle: www.youtube.com/watch?v=9BLG6O8H4_Y
Die Verantwortlichen für den ersten Test von Hyperloop One meinen es ernst: die Röhren werden kommen. Bildquelle: www.youtube.com/watch?v=9BLG6O8H4_Y

Doch auch beim größten Konkurrent von Hyperloop One, dem Unternehmen Hyperloop Transportation Technologies (HTT), herrscht Aufbruchstimmung. Die Genehmigung für eine ausdifferenzierte Teststrecke des futuristischen Transportsystems läuft. Die geplante Modellstadt liegt genau zwischen Los Angeles und San Francisco. Mitte dieses Jahres soll in Quay Valley mit den Bauarbeiten an einer acht Kilometer langen Hyperloop-Strecke in Originalgröße begonnen werden. HTT arbeitet mit einem Pool ehrenamtlicher Experten in vielen Ländern rund um den Globus.

Beide Firmen dachten zunächst, dass die ersten kommerziellen Trassen in Asien oder im Mittleren Osten gebaut würden. Doch das Interesse in Europa an dem neuartigen Verkehrsmittel ist groß: HTT verhandelt mit der slowakischen Regierung über den Bau einer Strecke. Hyperloop One hat Partner in Finnland und der Schweiz gefunden: Das finnische Unternehmen FS Links prüft die Machbarkeit einer Trasse von Helsinki nach Stockholm. Cargo Sous Terrain will ein unterirdisches Gütertransportsystem in der Schweiz bauen.

Erneuerung der Seidenstraße?

Auch Russland bekundet Interesse: Das Unternehmen Hyperloop One soll dort gleich mehrere Trassen bauen. Das wurde jüngst auf einem Wirtschaftsforum in St. Petersburg vereinbart. Der Hyperloop soll Moskau näher an seine umliegenden Städte binden und Pendler entlasten. Eine entsprechende Machbarkeitsstudie läuft. Der maßgebliche Treiber und Milliardär Magomedov denkt noch viel weiter. Seine Vision sieht nicht weniger vor als die Erneuerung der Seidenstraße – also eine Hyperloop-Trasse von Europa durch Russland und Zentralasien bis hin nach China. Container aus dem Fernen Osten würden an einem Tag nach Europa gelangen. Kein Wunder, dass der russische Präsident Putin staatliche Unterstützung für das ehrgeizige – wohl eher visionäre – Projekt versprochen hat.

In der USA sind die Erwartungen der Hyperloop-Gläubigen nicht weniger groß: In Kalifornien wird das Startup Aecom in wenigen Monaten mit dem Bau einer ersten Teststrecke des futuristischen Transportsystems Hyperloop beginnen. Diese soll in Originalgröße gebaut werden und bereits 2018 die ersten Passagiere befördern. Studierende sollen helfen, Kapsel-Prototypen zu bauen. Bei einem Design-Wettbewerb an der Texas A&M University bekam ein 25-köpfiges Team des Massachusetts Institute of Technology (Cambridge) den Zuschlag, die erste Kapsel zu bauen.

Die ersten Kapseln werden bereits gebaut. Ob 2018 tatsächlich die ersten Passagiere durch die Röhre brausen, ist noch lange nicht absehbar. Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16653749842
Die ersten Kapseln werden bereits gebaut. Ob 2018 tatsächlich die ersten Passagiere durch die Röhre brausen, ist noch lange nicht absehbar. Bildquelle: www.flickr.com/photos/dafni/16653749842

Apropos Nachwuchswissenschaftler: Im eingangs erwähnten Herkules Hanger der University of Illinois weht unter den Studenten ein stimmungsvoller Hollywood-Optimismus durch die Luft. Die vielen unterschiedlichen Modelle der neuartigen Bahnhöfe und Transportkapseln geben immerhin Grund zu der Annahme, dass hier nicht mehr Science-Fiction gedreht wird, sondern umsetztbare Wissenschaft entsteht. Zu Schade eigentlich, dass nicht auch Szenen für Iron Man in der Herkules Halle gedreht wurden. Gibt es nicht unlängst eine Doku auf Youtube mit dem vielsagendem Titel: “Elon Musk: How I Became The Real Iron Man”?

Seine hochambitionierten Projekte machen ihn tatsächlich zu einem Tony Stark (aka Iron Man) unserer Zeit. Vielleicht ein bisschen weniger arrogant und ein bisschen weniger cool. Ob Elon Musk den Erfolg seiner Tesla-Elektroautos und der unbeschadeten Rückkehr seiner Space X-Trägerrakete zur Erde noch toppen kann? Nun ja sagen wir so: falls der Hyperloop morgen schon Realität würde, dann bewegen wir uns in Zukunft jedenfalls genauso schnell wie Iron Man und wären genauso cool!

Doch mit Blick auf die vielen ungeklärten Fragen und Ungewissheiten werden wir wohl noch ein Weile auf dem Teppich bleiben und ganz uncool mit konventionellen Zügen reisen müssen. Der schweifende Blick aus dem Zugfenster bleibt.