TEIL C

Andere elektrische Fahrzeuge

Atmosphärische Eisenbahnen

Die Idee, mit Druckluft beaufschlagte Rohrleitungssysteme für die Bewegung von großdimensionierten Objekten zu nutzen, wird dem britischen Maschinenbauingenieur und Erfinder George Medhurst zugeschrieben, der bereits im Jahr 1799 das Patent für eine Windpumpe zum Verdichten von Luft zu Triebkraft einreicht. Im darauffolgenden Jahr läßt er sich einen Äolischen Motor patentieren, der die Druckluft zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet. Dazu findet sich mehr im Kapitelteil Druckluft im mobilen Einsatz.

Im Jahr 1810 erscheint Medhursts Werk A new method of conveying Letters and Goods with great Certainty and Rapidity by Air, ohne daß er sich diese Idee aber patentieren läßt. Obwohl ihm schon 1812 klar ist, daß Passagiere vielleicht nicht allzu entzückt darüber sind, innerhalb von Röhren transportiert zu werden, führt seine Idee letztlich doch zur Entwicklung der atmosphärischen Eisenbahn, die auf verschiedenen Strecken in England und Frankreich jeweils für kürzere Zeit im Einsatz ist.

In fast genauem Gegensatz zu den pneumatischen Eisenbahnen, die komprimierte Luft verwenden, werden die Züge der atmosphärischen Eisenbahn vom atmosphärischen Druck angetrieben – was auf den ersten Blick unmöglich erscheint, da dieser ja im gesamten Umfeld des Zuges gleich stark wirkt. Daß es allerdings technische Umsetzungen gibt, die trotzdem Arbeit daraus schöpfen können, belegen z.B. die barometrischen Uhren, die ausführlich in der Einführung zum Micro Energy Harvesting beschrieben werden.

Im vorliegenden Fall der Eisenbahn werden die Züge vom Luftdruck angetrieben, der auf einen Kolben wirkt, welcher in einer oben aufgeschlitzten Rohrleitung zwischen den Schienen gleitet und mit dem Triebfahrzeug über eine Stange verbunden ist. Durch ortsfeste Pumpen wird die Luft in der Rohrleitung vor dem Kolben abgesaugt, während hinter ihm Luft mit atmosphärischem Druck in die Rohrleitung einströmt. Die Differenz der Drücke auf den beiden Kolbenseiten übt die Kraft auf das Triebfahrzeug aus, welche für die Fortbewegung genutzt wird. In diesem Sinne kann auch das technische Vakuum als Antriebskraft dieses Transportsystems bezeichnet werden.

Die technische Umsetzung ist jedoch nicht einfach. Medhurst zufolge sollte der Schlitz auf der Oberseite des Rohres mit Hilfe von Wasser abgedichtet werden, was eine genau horizontal verlaufende Trassenführung ohne Steigungen verlangt und das System für praktische Anwendungen uninteressant gemacht hätte. Erst 1838/1839 machen drei britische Ingenieure, nämlich Samuel Clegg sowie die Brüder Jacob und Joseph d’Aguilar Samuda, die Idee realisierbar, indem sie eine Lederklappe als Dichtung für den Schlitz einführen.

Das Trio entwickelt ein Ventil aus überlappendem Leder, das sich öffnet, um den Arm durchzulassen, offen bleibt, damit Luft in den Hohlraum hinter dem Kolben strömen kann, um ihn vorwärts zu schieben, und sich dann hinter ihm wieder schließt, um den Druck aufrechtzuerhalten. Das Leder ist auf der einen Seite mit einem Metallscharnier am Rohr befestigt und liegt auf der anderen Seite auf einer Schicht aus Bienenwachs und Talg, einer klebrigen Mischung, die am Leder haftet und für die nötige Abdichtung sorgt.

Die ersten Versuche der Brüder Samudas finden 1838 in Paris und 1839 auf einer 800 m langen Versuchsstrecke der damals noch nicht fertiggestellten West London Line in den Wormwood Scrubs bei London statt. In diesem Jahr lassen sich die Brüder auch ihre Version der Atmosphärischen Eisenbahn patentieren, deren Prinzipien Joseph in seiner 1841 veröffentlichten 50-seitigen Schrift A Treatise on the Adaptation of Atmospheric Pressure to the Purposes of Locomotion on Railways zusammenfaßt, aus der auch die Schnitt-Abbildung stammt.

Die technische Demonstration bleibt nur zwei Jahre lang bestehen, aber das Clegg/Samuda-System der atmosphärischen (Vakuum-)Traktion wird auch bei den vier tatsächlich ausgeführten Bahnen angewendet. Die Technologie hat schließlich einige klare Vorteile: Die Züge brauchen keine Motoren, sind also viel leichter, billiger und einfacher zu bauen. Sie sind auch wesentlich leiser und sauberer, da sich die rauchende Dampfmaschine in einer stationären Pumpstation befindet und nicht vorn am Zug. Zudem ist der Betrieb sicherer, weil die Züge auf derselben Strecke nicht in entgegengesetzten Richtungen fahren können.

Besonders wesentlich ist, daß das System nicht auf Reibung angewiesen ist. Denn während schwere Züge mit Metallrädern auf Metallschienen nicht genug Traktion haben, um auch nur leichte Steigungen zu bewältigen, spielt die Reibung beim Luftdruckbetrieb keine Rolle. Dies ist denn auch der Hauptgrund dafür, daß der atmosphärische Antrieb häufig eingesetzt wird, um Gefällstrecken zu überwinden, für welche die damaligen Dampflokomotiven zu wenig Antriebskraft entwickeln.

Die erste atmosphärische Bahn für kommerziellen Betrieb wird 1840 in Irland geplant und im August 1843 (andere Quellen: 1844) eröffnet. Die 2,7 km lange Strecke der Dublin & Kingstown Railway, die in einem beinahe 3 m tiefen Einschnitt verläuft und einen Tunnel aufweist, verbindet Kingstown mit Dalkey. Die Strecke ist steil und kurvenreich.

Das aus 3 m langen gußeisernen Röhren zusammengesetzte Antriebsrohr hat einen Durchmesser von 38 cm. Der atmosphärische Antrieb wird allerdings nur auf der Bergfahrt nach Dalkey mit einer Steigung von 1,75%  benutzt, den Rückweg nach Kingstown können die Wagen ganz ohne Antrieb zurücklegen, da die Schwerkraft die Arbeit übernimmt.

Der Erfolg der Dalkey-Linie überzeugt auch andere Bahnbetreiber von diesem Konzept. Sogar die französische Regierung entsendet einen Agenten, um die Bahn zu bewerten, da auch sie aufgrund schwierigen Geländes nicht in der Lage ist, eine bestehende Strecke zu verlängern (s.u.). Nachdem die Pumpe der Antriebsanlage jedoch einen Defekt erleidet, wird der Betrieb auf der Dalkey-Strecke im April 1854 eingestellt.

Ebenfalls im Jahr 1844 erteilt das britische Parlament der London & Croydon Railway die Erlaubnis, ein zusätzliches Gleis für die atmosphärische Eisenbahn entlang einer bereits bestehenden Linie zu bauen. William Cubitt, der verantwortliche Ingenieur des Transportunternehmens, hatte vorgeschlagen, die Linie vom Bahnhof London Bridge nach Croyden und mit einer Verlängerung nach Epson zu einer 30 km langen atmosphärischen Eisenbahn aufzurüsten.

Tatsächlich wird das neue Gleis von London bis Croydon verlegt und vier Pumpstationen errichtet, und im Sommer 1845 finden erste Versuchsfahrten statt, bevor im Januar 1846 der reguläre Betrieb zwischen Croydon im Süden und Forest Hill im Südosten über eine 8 km lange Strecke aufgenommen wird. Dabei wird besonders die ruhige Fahrt gelobt, obwohl die Züge aus bis zu 16 Wagen bemerkenswert hohe Geschwindigkeiten von bis zu 160 km/h erreichen.

Schon vor dem Betriebsbeginn erweisen sich die Motoren der Pumpstationen jedoch als unzuverlässig, und in den ersten Monaten sind Pannen an der Tagesordnung. Zum Hauptgrund für die Verspätungen und Zugausfälle werden aber bald die Schäden des Lederventilsystems. Oft reicht der Druck nicht aus, um die Züge die Steigung hinauffahren zu lassen. Dennoch wird die Strecke Anfang 1847 um einige Meilen nach Südosten bis New Cross verlängert, doch schon im Sommer desselben Jahres werden die Rohre wieder entfernt, das atmosphärische System ganz aufgegeben und der Betrieb auf Dampflokomotiven umgestellt.

Der britische Ingenieur und Schiffbauer Isambard Kingdom Brunel wiederum verlängert die berühmte Great Western Railway GWR) mit der 84 km langen South Devon Railway (SDR) von Exeter nach Plymouth. Von dieser Strecke werden 32 km zwischen Exeter und Newton (heute: Newton Abbot), die durch schwieriges, hügeliges Gelände führen, als atmosphärische Eisenbahn gestaltet.

Die Strecke wird bereits 1846 mit Dampflokomotiven eröffnet, während die Installation der Rohrleitung für die atmosphärische Eisenbahn parallel zum Fahrplanbetrieb erfolgt. Die Pumpstationen mit jeweils zwei 41,5 PS Dampfmaschinen werden in einem Abstand von 3,2 km (andere Quellen: ca. 5 km) errichtet. Das Rohr zwischen den Schienen ist ursprünglich mit 30 cm Durchmesser vorgesehen, muß nach den ersten Versuchen aber auf 38 cm vergrößert werden.

Die ersten Kolbenwagen für die neue Bahn werden im Februar 1847 geliefert, und ab September verkehren die ersten Züge mit Reisenden im Versuchsbetrieb. Zwar wird der reguläre Verkehr ab Februar 1848 gänzlich von der atmosphärischen Eisenbahn bewältigt, die eine Geschwindigkeit von bis zu 110 km/h erreicht, doch schon im September wird deren Einsatz auf Beschluß der Aktionärsversammlung wieder beendet und die Züge weiterhin mit Dampflokomotiven befördert.

Auch in diesem Fall bilden die Lederklappen zur Abdichtung der Vakuumröhren das Hauptproblem: Durch das Vakuum werden dem Ochsenleder die natürlichen Öle entzogen, wodurch es anfällig für Wasser wird, verrottet und die Fasern brechen, als es im Winter 1847/1848 einfriert. Das als Schmier- und Dichtstoff verwendete Talg und Bienenwachs verflüssigt sich wiederum bei höheren Temperaturen – und ist für Ratten attraktiv, welche die Lederklappen anfressen, sofern diese nicht durch die Seeluft und die Hitze des folgenden Sommers austrocknen.

Ein Grund dafür ist, daß eine Metallplatte, die das Lederventil zum Schutz vor Witterungseinflüssen abdecken sollte, nicht installiert wird, obwohl sie Teil von Samudas Entwurf ist. Als sich dann auch noch das durchgehende Ventilrohr über den größten Teil seiner Länge von den Nieten abzureißen beginnt, werden die geschätzten Kosten von 25.000 £ für einen Ersatz als unerschwinglich angesehen.

Außerdem zeigt sich, daß die Betriebskosten der Dampfmaschinen dreimal so hoch sind wie ursprünglich berechnet, wofür es mehrere Gründe gibt. Zum einen sind Dampfmaschinen für das ursprünglich vorgesehene kleinere Rohr dimensioniert und müssen deshalb länger als vorgesehen betrieben werden. Außerdem fehlt es an geeigneten Kommunikationsmitteln, so daß die Pumpenhäuser nach den Vorgaben des Fahrplans arbeiten und bei verspäteten Zügen oft vergebens betrieben werden.

Obwohl noch im August 1848 ein Telegraf in Betrieb genommen wird, der den Kohleverbrauch in den Pumpstationen erheblich reduziert, wird die atmosphärische Strecke schon Anfang September vollständig aufgegeben. Die hier abgebildete Rekonstruktion von Brunels atmosphärischer Eisenbahn in Breitspur auf der Strecke Exeter – Plymouth unter Verwendung eines Abschnitts der ursprünglichen Rohrleitung ohne die Lederabdeckungen ist im Didcot Railway Centre in Oxfordshire zu sehen.

Auf der Grundlage der Prüfung der o.e. Dalkey-Linie durch einen Vertreter der französischen Regierung wird im Jahr 1845 auch bei Paris mit dem Bau einer atmosphärischen Eisenbahn begonnen. Hier war die erste ausschließlich dampfbetriebene Eisenbahnstrecke im August 1837 eingeweiht worden, wobei die Züge zwischen Gare Saint-Lazare und Le Pecq verkehren, etwa 20 km westlich von Paris. Das eigentliche Ziel der Bahn ist Saint-Germain-en-Laye, das auf einer Terrasse über der Seine liegt und nur über eine 3,5 %-ige Rampe mit mehreren Kunstbauten erreicht werden konnte.

Da die zuständige Compagnie du chemin de fer de Paris à Saint-Germain den damaligen Lokomotiven diese Steigung nicht zumutet, wird auf diesem 1,6 km (andere Quellen: 2,5 km) langen Abschnitt eine atmosphärische Eisenbahn eingerichtet, die im April 1847 den Betrieb aufnimmt. Das zwischen den Schienen liegende Rohr für den Antrieb ist zur Hälfte eingegraben und besteht aus 850 einzelnen Gußröhren mit einem Durchmesser von 63 cm. Für die Zugfahrten wird das Rohr auf ca. 0,6 bar evakuiert.

Auch in diesem Fall wird der atmosphärische Antrieb nur auf der Bergfahrt von Le Pecq nach Saint-Germain benutzt. Nachdem die Dampfmaschine etwa vier Minuten lang die Leitung evakuiert, kann der Zugkolben nach dem Öffnen des Eintrittsventils in die Rohrleitung eingeführt und der Zug in Richtung Saint-Germain gesogen werden. Etwa 200 m vor dem Endbahnhof ist die Rohrleitung zu Ende, woraufhin der Zug sie durch ein Austrittsventil verläßt und ohne Antrieb die restliche Strecke zum Bahnhof rollt.

Für die Rückfahrt werden die Züge im Bahnhof Saint-Germain mit einer Seilwinde zum Anfang des Gefälles gezogen, bis sie, allein durch die Schwerkraft angetrieben, dem Bahnhof Le Pecq entgegenrollen. Nachdem sich im September 1858 in der Station Le Pecq ein Eisenbahnunfall ereignet, weil ein Zug aus der Station Saint-Germain ,entläuft’, wird der Betrieb der atmosphärischen Eisenbahn im Juli 1860 eingestellt.

Über die später geplante Waterloo and Whitehall Pneumatic Railway, an der die Brüder Samuda ebenfalls beteiligt sind, berichte ich unter den Kapsel-Pipelines, da es sich hier um eine völlig andere Technologie handelt, bei der Kapseln durch die Kraft der Druckluft vorangetrieben werden (s.d.).

Auch der Lokomotivenhersteller Alexis Hallette (o. Halette) aus Lille beschäftigt sich mit einer Version der atmosphärischen Eisenbahn, bei der als Dichtungssystem nicht Leder, sondern Gummi verwendet wird. Andere Quellen sprechen von einem Verschluß des Rohres mittels aufblasbarer Dichtlippen. Sowohl in seiner Fabrik in Arras als auch in Peckham in England werden Versuchsanlagen eingerichtet. Im Jahr 1847, ein Jahr nach seinem Tod, wird von seinen Sohn Alfred in der Nähe von Saint Germain ein Eisenbahnabschnitt mit starkem Gefälle mit dem System ausgestattet. Mehr ist darüber nicht zu erfahren.

Neben den genannten Projekten, die immerhin eine gewisse Zeit im Einsatz sind, gibt es noch diverse weitere Vorschläge für atmosphärische Eisenbahnen, um größere Steigungen zu überwinden. Auf Wikipedia werden u.a. Strecken in Stuttgart (1843/1844), Wien (1844 u. 1849) sowie bei der Gotthardbahn (1865) erwähnt, von denen jedoch keine umgesetzt wird. Letztlich war die atmosphärische Eisenbahn eine Notlösung, die schließlich von der im Laufe der Jahrzehnte immer besser werdenden Dampflokomotive übertrupft wurde.

Zu einer Wiederbelebung kommt es erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts, als der brasilianische Erfinder und Unternehmer Oskar Hans Wolfgang Coester das Prinzip der atmosphärischen Eisenbahn erneut anwendet und im Jahr 1977 oder 1978 die ersten Patente auf diesem Gebiet erhält. Tatsächlich handelt es sich bei seiner Aeromovel-Technologie aber um ein druckluftbetriebenes System, das aus diesem Grund auch in dem entsprechenden Kapitelteil vorgestellt wird – ähnlich wie das bislang nur als Modell existente Vectrorr-System (s.d.).

Eine praktische und recht erfolgreiche Umsetzung der Vakuum-Technik, wie es im Kleinen ja bei jedem Staubsauger der Fall ist, begegnet uns in einer vergrößerten Version in einer Form, die ebenfalls zum Abtransport von Materialien dient.

Schon Ende der 1950er Jahre entwickelt Olof H. Hallström mit seiner Stockholmer Firma Centralsug AB das Prinzip der Vakuum-Abfallentsorgung, dessen erstes System 1961 im Sollefteå Krankenhaus installiert wird – wo es bis heute, und teilweise noch mit der Originalausstattung, zufriedenstellend funktioniert. Dennoch dauert es bis 1965, bis sich die Fastighets AB Förvaltaren, ein Wohnungsunternehmen im Besitz der Gemeinde Sundbyberg, dazu entschließt, in dem neu errichteten Wohnviertel von Ör-Hallonbergen das weltweit erste Vakuum-System für Hausmüll installieren zu lassen, bei dem die Entsorgung mittels im Untergrund verlegter Rohre geschieht. Auch dieses System ist noch immer in Betrieb.

Viele Jahre später ändert das schwedische Unternehmen seinen Namen in Envac AB und gilt inzwischen als Weltmarktführer bei der automatisierten Abfallsammlung. Die Vakuum-Poller des Unternehmens sammeln den Abfall von mehr als 2 Mio. Menschen an rund 600 Orten in der ganzen Welt, neue Systeme sind an fast 280 weiteren Standorten zwischen Peking und Dubai im Bau (Stand 2012).

Besonders stolz sind die Pioniere der unterirdischen Logistik auf Hammarby, Stockholms brandneuen umweltfreundlichen Bezirk. Auf diesem ehemaligen Industriegelände stehen heute geschmackvoll gestaltete Gebäude in unmittelbarer Nähe der malerischen Grachten, doch stinkende Mülltonnen, laute Müllautos und verwehten Abfall gibt es nicht. Stattdessen stellen die Bewohner ihre Müllsäcke vor ihren Häusern in Rinnen ab, die ein riesiger ‚Sauger’ drei Mal am Tag leert und durch unterirdische Rohre zu einer zentralen Sammelstelle saugt.

Eine weitere technische Umsetzung bildet der sogenannte Vakuum-Fahrstuhl. 2002 wird in Miami, Florida, die Firma Pneumatic Vacuum Elevators LLC (PVE) gegründet, welche die Idee in einem völlig neuen Segment umsetzt und pneumatische Fahrstühle entwickelt und weltweit vertreibt. Das Unternehmen bezeichnet sich als das weltweit einzige mit einem derartigen Angebot zum vertikalen Transport von Menschen und Gütern.

Die innovative PVE bietet drei verschiedene Modelle ihrer patentierten Vakuum-Aufzüge an: für eine Person, für bis zu drei Personen und für Rollstühle. Das Einzel-Passagier-Modell hat beispielsweise eine Kapazität von 159 kg und eine Kabine mit nur 52 cm im Durchmesser. Der Transport erfolgt quasi in einer Luftkapsel und ist für zwei bis vier Stopps geeignet, da die maximale Höhe auf 10,7 m begrenzt ist.

Bei den Aufzügen werden nur Materialien und Komponenten erster Qualität verwendet, um den Wartungs-, Ersatzteil- und Reparaturbedarf möglichst gering zu halten. Auch eine Schmierung ist nicht erforderlich. Die Installationszeit beträgt 6 – 8 Stunden, es sind keine Ausschachtungen, kein Aufzugsschacht und keine teure Infrastruktur erforderlich. Beim Abstieg der Kabine gibt es gar keinen Energieverbrauch, und auch während des Aufstiegs erfolgt nur ein geringer Verbrauch durch die Turbinen. Weitere Features sind der 360° Panoramablick, eine sehr hohe Sicherheit bei Stromausfall und freiem Fall und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Das System besteht aus drei Komponenten: dem Außenzylinder, der Aufzugskabine und dem Saugsystem. Der Zylinder ist eine transparente und freitragende Röhre, die um eine speziell entwickelte Aluminium-Struktur herum aufgebaut ist und aus gebogenen Polycarbonatplatten besteht. Die Kabine läuft im Inneren des Zylinders entlang von Schienen, die einen Teil der selbsttragenden Struktur des Zylinders bilden. Auch die Wände der Kabine sind aus transparentem Polycarbonat hergestellt. Das Dach des Rohres ist aus Stahl und beinhaltet das technische Equipment wie luftdichte Verschlüsse, Saugventile, die Steuerung usw.

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrstühlen ist der Vakuum-Lift allerdings relativ langsam, er bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von nur 15 cm pro Sekunde.

 

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