Herausforderungen beim Betrieb von Superzügen

Es ist gar nicht einfach, einen Hochgeschwindigkeitsverkehr zu betreiben. Vielen Reisenden ist es oft gar nicht bewusst, welch ein Aufwand notwendig ist, um die 200 km/h - Hürde zu brechen. Im Folgenden werden die Probleme aufgeführt, die der Schienenschnellverkehr mit sich bringt und wie die Bahnbetreiber diese zu minimieren suchen.

Problem hoher Geräuschpegel

Dieser entsteht durch hohe Geschwindigkeiten und fällt vor allem Anwohnern zur Last. Vielerorts mindern Schallschutzwände die Lärmbelästigung. Auch das Aufschütten von Dämmen links und rechts der Strecken hat sich bewährt. In Deutschland beispielsweise ersetzte man auf Versuchsstrecken den Schotter durch andere Materialien, wie Rasen oder Beton mit Schallabsorbern. Letzteres ist auf der Neubaustrecke von Frankfurt am Main nach Köln wiederzufinden. Der Lärm entsteht nicht nur im Zusammenspiel von Rad und Schiene, sondern auch am Stromabnehmer. Für Hochgeschwindigkeitszüge werden aerodynamisch optimierte Pantographen entworfen und eingesetzt.

In Japan sind die Umweltschutzauflagen so streng, dass über eine lange Zeit hinweg die Züge nur mit 270 km/h fahren durften. Erst mit der Serie 500 waren 300 Stundenkilometer im Plandienst erlaubt. Die Kopfform dieses Shinkansen-Zuges ist dem Eisvogel nachempfunden und schneidet die Luft bei hohen Geschwindigkeiten besonders leise. Interessant ist hier auch der Stromabnehmer. An der Wippe befinden sich Projektile, um Luftverwirbelungen zu mindern. Die Technik wurde von den Flügeln der Eule abgeschaut, die bekanntlich praktisch lautlos fliegen kann.

Bei der Einfahrt in einen Tunnel entstehen Mikroschockwellen (auch Mikroschallwellen, Microshockwaves oder Sonic Boom genannt), die zu einem lauten Knall führen. Hier hat sich offensichtlich der Entenschnabel als Kopfform für Hochgeschwindigkeitszüge bewährt. Als Beispiele seien der spanische AVE-S 102 und die Shinkansen-Züge der Serie 700, Fastech 360S und dessen Derivate E5 und E6 genannt.

Problem hoher Luftwiderstand

Er wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn sich also die Geschwindigkeit verdoppelt, vervierfacht sich der Luftwiderstand. Er macht sich durch einen hohen Energieverbrauch und Lärm negativ bemerkbar. In sogenannten Windkanälen werden bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitszügen verschiedene Kopfformen anhand von Modellen ausprobiert, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Trotz der vielen Versuche gibt es scheinbar keine allgemein gültige Regel, welche Kopfform wohl die beste sei. Man braucht nur einen Blick auf die verschiedenen Nasen der Züge blicken (z.B. ICE 3, TGV-Réseau, Shinkansen JR 500, Fastech 360S).

Problem hoher Verschleiß

Vor allem Räder, Schienen und Stromabnehmer sind davon betroffen. Die Räder fahren sich im Laufe der Zeit ab und werden kleiner. Durch das schnelle Fahren legt ein Zug in kürzester Zeit lange Wege zurück. Das heißt, es müssen in immer kürzeren Intervallen die Räder inklusive der Achsen gewechselt werden.

Die Laufflächen der Räder und Schienen sind im Neuzustand etwas abgerundet. Auf geraden Strecken oder sanften Kurven würde der Zug selbst ohne Spurkränze kaum entgleisen. Im Laufe der Zeit flachen die Radlaufflächen und Schienenköpfe allerdings ab und die Seitenkräfte nehmen zu — der Zug fängt das Schlingern an. Spezielle Schlingerdämpfer wirken dem entgegen.

Ein weiteres Problem am Rad ist, dass im Laufe der Einsatzzeit Flachstellen entstehen. Das Rad ist dann nicht mehr komplett rund. Es fängt das Schlagen an — bei höheren Geschwindigkeiten hört man ein Rattern oder Brummen. Schuld daran ist Staub, der sich an der Radinnenseite ungleichmäßig absetzt und Schienen, die schon von anderen unrunden Rädern lädiert wurden und dieses "Muster" wieder an andere Räder abgeben.

Die Schienen verformen sich nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch dann, wenn die Seitenkräfte zu hoch sind. Das ist der Fall, wenn ein Zug zu schnell in die Kurve fahren würde. Wie bereits erwähnt, kämen die Züge bei Hochgeschwindigkeitsfahrten schnell ins Schleudern, wenn keine hochwertigen Schlingerdämpfer eingebaut wären. Meistens sind es passive Dämpfer, bei der japanischen Baureihe JR 500 beispielsweise sogar aktive. Kräfte vom Fahrzeug übertragen sich damit kaum auf die Gleise, was deren Lebensdauer erheblich erhöht. Umgekehrt wirken sich kleinere Gleisfehler kaum auf den Fahrkomfort der Reisenden aus.

Problem Gleisbett

Das Schotterbett ist weltweit am verbreitetsten, aber nur bedingt für schnell fahrende Züge geeignet. Schwere, schnelle Züge lassen die Gleise und Schwellen beim Darüberfahren vibrieren. Mit der Zeit werden die fest zwischen den Schienenschwellen gestopften Schottersteine regelrecht zermahlen. Der so wichtige Halt für die Gleise geht verloren. Die Folge: Die Gleise fangen das "Schwimmen" an und verschieben sich seitlich. Solche Gleisfehler erhöhen das Schleuderrisiko und mindern den Fahrkomfort. Es muss also sehr viel Wartungsaufwand für einen Schotteroberbau betrieben werden.

Viel wartungsfreundlicher sind dagegen feste Fahrbahnen. Die Schienen werden auf eine Betonfahrbahn montiert und weichen nicht mehr von der Stelle. Zusammen mit Schallabsorbern zwischen den Gleisen ergibt diese Methode der Gleisfixierung einen maximalen Fahrkomfort und eine Kostenreduzierung bei der Gleisinstandhaltung.

Schwierigkeiten bei der Stromentnahme

Bei Schnellfahrten ist es schwierig, immer den guten Kontakt zum Fahrdraht beizubehalten. Aufgrund des Anpressdrucks des Stromabnehmers (Pantograph) von 100 bis 120 Newton gegen die Oberleitung gerät diese ins Schwingen. Ist die Schwingungswelle des Fahrdrahtes genauso schnell wie die des Zuges, verliert der Stromabnehmer den Kontakt. Im schlimmsten Falle reißt der Pantograph die Oberleitung herunter. Indem man eine größere Zugkraft auf die Leitung ausübt, verschiebt sich die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Ist die mechanische Zugkraft jedoch zu hoch, reißt der Fahrdraht.

Fahren Züge in Traktion (z.B. der ICE 2), dann dürfen die beiden Stromabnehmer nicht zu nah beieinander sein, um den Druck auf die Oberleitung nicht über die Maßen zu erhöhen. Das bedeutet, dass nie zwei Triebköpfe des ICE 2 zusammengekoppelt werden dürfen und gleichzeitig beide den Stromabnehmer oben haben. Zulässig ist entweder nur ein Triebkopf mit einem Steuerwagen zu verbinden oder das Koppeln von 2 Steuerwagen.

Die Oberleitungen verlaufen immer im Zickzack über den Stromabnehmer. Dadurch vermeidet man die Rillenbildung in den Kohleschleifstücken des Pantographen. Trotz moderner Technik muss beispielsweise auf der viel befahrenen Tokaido – Sanyo - Linie der Fahrdraht alle drei Jahre erneuert werden. Ein Stromabnehmer-Schleifstück hat eine Lebensdauer von nur drei Tagen!

Reduzierung des Zuggewichts

Man ist bemüht Gewicht zu sparen, damit die Gleise und der Oberbau nicht so schnell verschleißen. Wichtig ist hierbei vor allem eine geringe Achslast, die möglichst unter 18 Tonnen liegen sollte. Bei den Zügen sind vor allem die Lokomotiven, bzw. Triebköpfe immer noch die schwersten Komponenten eines Zuges. Daher haben Italien und mittlerweile auch Deutschland sogenannte Triebwagenzüge gebaut, bei denen die Antriebskomponenten auf den ganzen Zug verteilt werden. In Japan hat man die Achslast sogar auf 11,5 Tonnen drücken können. Ein interessanter Hinweis am Rande: obwohl die statische Achslast bei den französischen TGV-Zügen (TGV-PSE und TGV-A) niedriger ist als beim ICE 1, beeinträchtigt der ICE die Gleise durch seine geringeren dynamischen Kräfte weniger als der TGV.

Einsatz von besonderen Weichen

Die Weichen auf Hochgeschwindigkeitsstrecken besitzen neben der Weichenzunge auch ein bewegliches Herzstück. Das befindet sich bei einer Rechtsweiche am Kreuzungspunkt des rechten, geradeaus laufenden Schienenstranges mit dem nach rechts abbiegenden linken Schienenstranges. Dadurch wird die entstehende Lücke überbrückt, in die ansonsten das Rad absacken und den Zug zum Entgleisen bringen könnte. So ist es möglich, die Weichen schlank zu bauen und im geraden Strang mit 280 km/h oder höher zu fahren, im abzweigenden Strang mit 200 km/h, in Frankreich mit 230 km/h.

Hohe Bau- und Unterhaltskosten

Die Neubaustrecken in Deutschland sind wegen der zahlreichen Tunnel und Brücken mit die teuersten der Welt. Die Schnellstrecken sollten möglichst geradlinig verlaufen und nur geringe Steigungen aufweisen, damit ein Mischbetrieb zusammen mit Güterzügen möglich ist. In den meisten anderen Ländern dagegen dürfen auf Neubaustrecken nur Personenzüge fahren. Das haben die Fachleute der deutschen Bahn eingesehen und die NBS "Frankfurt am Main – Köln" besser der Landschaft angepasst. Scheinbar paradoxerweise ist diese Strecke durch den Westerwald die bisher teuerste ICE-Trasse. Sicherlich sehr viel dazu beigetragen haben die Politiker mit ihren Forderungen nach Unterwegshalten in Montabaur, Limburg und Siegburg. Aber auch Umweltschützer haben Bauten gefordert, wo gar keine nötig gewesen sind, wie beispielsweise der 198 Meter lange Tunnel "Kluse".

Die Shinkansen-Strecken Japans sind in dicht besiedelten Gegenden aufgeständert und mit Schallschutzwänden eingefasst. Innerhalb von Städten befinden sich die konventionellen Linien oftmals genau darunter. Diese Platzproblematik trägt auch zur Verteuerung des Fahrweges bei. Außerdem gibt es in Japan häufig Erdbeben. Um die Fahrgäste in den Zügen nicht zu gefährden, sind entlang der Schnellbahntrassen Sensoren angebracht, die jede tektonische Aktivität registrieren und im Gefahrenfalle die Züge zum Abbremsen zwingen. Wartungsarbeiten an der Strecke können nur innerhalb von wenigen Stunden vorgenommen werden. Selbst ein Gleisaustausch muss in dieser extrem kurzen Zeit erfolgen. Durch die hohe Shinkansen-Zugfolge kann an keiner Stelle eingleisig gefahren werden, ohne gravierende Verspätungen in Kauf zu nehmen.

Komplexe Signal und Sicherungstechnik

Ab Geschwindigkeiten von über 160 km/h ist ein Zugsicherungssystem zwingend erforderlich. So muss neben der visuellen Signaltechnik auch eine computergestützte Möglichkeit eingesetzt werden, um dem Fahrer über ein Display Informationen über den Streckenzustand und des nächsten Signals zu übermitteln. In Deutschland wird zum Beispiel die Linienzugbeeinflussung (LZB) verwendet.

Internationaler Verkehr

Jedes Land hat seine eigene Bahnphilosophie. Fährt man beispielsweise von Deutschland nach Frankreich, muss der Zug sowohl für eine Stromversorgung von 15 kV / 16,7 Hz als auch für 25 kV / 50 Hz ausgerüstet sein. Außerdem muss der Zug auch mit den in Frankreich üblichen Signal- und Überwachungssystemen zurechtkommen. Noch schwieriger wird es, wenn sich auch noch die Spurbreite ändert. So müssen die Züge an der französisch-spanischen Grenze von Normalspur auf die spanische Breitspur umgespurt werden. In Japan versucht man auch ganze Triebzüge umzuspuren. Die Technik ist wesentlich aufwendiger als bei den Wagen, da bei Triebzügen die Achsen teilweise angetrieben sind. Unterschiedlich lange, hohe und vom Gleis entfernte Bahnsteige setzen dem Problem des internationalen Einsatzes noch die Krone auf.

Politische Probleme

Es soll hier nicht groß über Politik diskutiert werden; nur ein kleiner Gedankenanstoß: In Frankreich lassen sich Schnellstrecken schneller realisieren als in Deutschland. Ist eine Sache in Frankreich von "öffentlichem Interesse", kann sich kein einzelner Bürger dem entgegen stellen und Klage erheben. Steht beispielsweise sein Haus auf der zukünftigen Trasse, bekommt er den Wert des Hauses bzw. Grundstücks ersetzt und muss gehen. In Deutschland kann dagegen jeder vor Gericht Klage erheben. Auf der einen Seite schützt dies die individuellen Rechte, aber es wird ab und zu gnadenlos ausgenutzt, was Zeit und Geld kostet. Um sich zu einigen, müssen oftmals kostspielige Lösungen wie beispielsweise künstliche Tunnel akzeptiert werden.

Zusammenfassung

Wie man sieht, ist ein Hochgeschwindigkeitsverkehr auf Schienen nicht nur ein schnelleres Bahnsystem, sondern ein Luxus, den sich nur wenige Länder leisten können. Um mit all den genannten Problemen fertig zu werden, muss viel Geld in Fahrwege und Fahrzeuge gesteckt werden. Dabei dürfen auch nicht die herkömmlichen Strecken finanziell vernachlässigt werden. Wer noch wissen möchte, was alles in einem Hochgeschwindigkeitszug für Technik steckt, dem seien beispielsweise die Zugbeschreibungen zum Eurostar oder ICE 3 zu empfehlen. Als technisches Meisterwerk im Schnellbahnbau zählt auch der Eurotunnel, dessen Bau ich detailliert beschrieben habe. Interessant ist ebenso die Erörterung, welches Zugsystem das bessere ist.

Neigezüge

Seit einiger Zeit gibt es aber auch Züge, die auf herkömmlichen, kurvenreichen Strecken für kurze Reisezeiten sorgen und zugleich den hohen Komfort von Hochgeschwindigkeitszügen bieten. Hochgeschwindigkeitszüge haben bisher immer den Nachteil gehabt, nur auf speziell ausgerüsteten Schnellfahrstrecken ihr volles Tempo von 250 km/h bis 300 km/h ausspielen zu können. Auf herkömmlichen, kurvenreichen Strecken werden die schnellen Züge ausgebremst. Daher ist es kaum verwunderlich, dass Anfang der Siebzigerjahre erste Versuchsfahrzeuge mit Neigetechnik auftauchten. Die Neigetechnik bewirkt, dass die Wagen des Zuges durch eine Hydraulik, Elektronik oder Mechanik geneigt werden und sich der Zug wie ein Motorradfahrer in die Kurve legen kann. Dadurch ist es möglich, mit dem Zug schneller durch die Kurven zu fahren, ohne den Komfort der Fahrgäste durch entstehende Fliehkräfte zu mindern.

Vor allem Italien und Schweden bieten ihren Fahrgästen auf vielen Strecken ihre Kurvenflitzer an. Erst seit Neuestem sind die Neigezüge auch in Deutschland und der Schweiz unterwegs. Überraschender Weise ist man in Frankreich recht spät auf das Thema Neigetechnik eingegangen. Um das Jahr 1998 unternahm die französische Staatsbahn SNCF Versuchsfahrten mit dem TGV-Pendulaire, einem modifizierten TGV-PSE. Zu einer Serienfertigung kam es bisher jedoch nicht.

Die bekannteste Neigetechnik ist die des italienischen Pendolino, hergestellt von Fiat (heute: Alstom). Diese findet man nicht nur in allen anderen Pendolinos in einer weiterentwickelten Form wieder, sondern auch im ICE-T. Der Antrieb erfolgt aktiv hydraulisch. Beim Versuchszug TGV Pendulaire in Frankreich nahm man zuerst die aktiv hydraulische Neigetechnik, rüstete danach aber auf eine elektromechanische Version von Alstom um. Im schwedischen X2000 (X2) steckt eine Entwicklung von ABB — ebenfalls aktiv hydraulisch. Siemens spendierte dem ICE-TD eine aktive, elektromechanische Technik zum Neigen. Jedenfalls wird sich der Trend zu mehr Neitech-Zügen verschärfen, da der Bau von Neubaustrecken immer kostspieliger wird.

Magnetschwebebahnen

Neben reinrassigen Hochgeschwindigkeitszügen und den Neigezügen gibt es noch eine dritte Zuggattung, mit der ein Schnellverkehr möglich ist. Die Rede ist von der Magnetschwebebahn. Bereits einsatzfähige Züge bieten weltweit gesehen lediglich Japan und Deutschland, wobei die Technik in Deutschland der japanischen Technik noch ein Tick voraus ist. Jedoch schwindet die Differenz zusehend, da der deutsche Transrapid ein sehr umstrittenes Projekt ist und sich der Bau einer Transrapidstrecke in Deutschland auf längere Sicht hin zerschlagen hat.

Der Transrapid kam schon 1995 zur Einsatzreife. Die Versuchsanlage im Emsland zeigte eindrucksvoll, dass Geschwindigkeiten jenseits der 400 km/h - Marke bei Magnetschwebebahnen kein Problem darstellen. Vor allem das gute Beschleunigungsvermögen verhilft dem Zug zu hohen Durchschnittsgeschwindigkeiten. Der Fahrmotor liegt im Gegensatz zu anderen Zügen im Fahrweg. Der Transrapid wird durch ein wanderndes Magnetfeld in geringem Abstand zum Fahrweg getragen und beschleunigt.

In Japan spielt die Supraleitung eine entscheidende Rolle. Die Magnete werden bis nahe des absoluten Nullpunktes auf fast -273 Grad Celsius abgekühlt. Der elektrische Widerstand verschwindet und ein starkes Magnetfeld baut sich auf. Der Maglev (Magnetic Levitation) kann aber erst ab einer Geschwindigkeit von 100 Stundenkilometern schweben. Zuvor müssen Räder den Zug tragen. Japans Magnetschwebezug hat eine Höchstgeschwindigkeit von 581 km/h erreicht und die Japaner beanspruchen nun das "Blaue Band der Schiene", das bisher der französische TGV-Atlantique mit 515,3 km/h sein Eigen nennt. Jedoch ist es ungerechtfertigt, dass der Maglev diese Auszeichnung bekommen soll, da sich die Fortbewegungstechniken schienengebundener Züge von denen der Magnetschwebefahrzeuge grundlegend unterscheiden und nicht vergleichbar sind. Die Räder beim Maglev werden außerdem nur bis 100 km/h eingesetzt, danach schwebt der Zug. Wie dem auch sei, auf dieser Website kann man mehr über den Transrapid oder dem Maglev in Japan erfahren.

Résumée

Abschließend kann man sagen, dass ein Hochgeschwindigkeitsverkehr kostspielig, aber zu rechtfertigen ist. Schließlich muss die Bahn Fahrgäste auf die Schiene locken und das geht nur mit attraktiven Reisezeiten und einem hohen Maß an Komfort. Dabei stehen Sicherheit und Zuverlässigkeit natürlich an erster Stelle, da ändert auch das Zugunglück von Eschede nichts. Die Bahn ist nun einmal eines der sichersten Verkehrsmittel der Welt. In Japan ist seit der Inbetriebnahme des Hochgeschwindigkeitsverkehrs 1964 kein Menschenleben zu beklagen. Die Magnetschwebebahn wird sich in Zukunft sicherlich bewähren, wobei sich der Einsatz als Flughafenzubringer nicht für Ultra-Hochgeschwindigkeitsfahrten eignet und sich die Technik eher für die USA oder Australien rentieren würde.

Aktualisiert am: 01.01.2008