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Blog 2: Entwicklung von Poddy McPodface – Hyperloop-Prototyp für den SpaceX-Wettbewerb

Was ist der SpaceX-Wettbewerb? Weshalb findet er statt?

Der SpaceX-Wettbewerb bietet eine wettbewerbsfähige, internationale Arena für das Design und die Entwicklung der Hyperloop-Technologie. Das Hyperloop-Konzept wurde 2013 von Elon Musk vollständig als Open-Source bereitgestellt, damit alle Gruppen befähigt werden, Beiträge zu leisten, um ihre technische Expertise zu testen. Die Entwicklung von Prototyp-Pods mag Zehntausende Pfund kosten, aber die Strecke selbst wird wahrscheinlich Millionen erreichen. SpaceX hat sein Engagement für die Hyperloop-Entwicklung durch die Bereitstellung der Teströhre bekräftigt, wodurch die finanziellen Hindernisse für viele kleine Teams beseitigt werden.


Abb. 1. Video vom SpaceX-Wettbewerb

Der Wettbewerb wurde in zwei Runden ausgetragen: Die erste diente der Verfeinerung des Designs und die zweite betrifft die Herstellung funktionierender Pods. Im August werden die Pods der 24 Finalistenteams auf der halben SpaceX-Teststrecke in Kalifornien getestet. Bei HypED fertigen wir zurzeit unseren eigenen Poddy McPodface, von dem wir glauben, dass er auf der Strecke ein starker Konkurrent sein wird.

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Abb. 2. Konzeptionelles Pod-Modell

Welche Herausforderungen stellen sich der Hyperloop-Technologie?

Wir sind am Anfang der Entwicklung des Hyperloop und somit begegnet man diesen Herausforderungen während des Konstruktions- und Fertigungsprozesses. Während einzelne Komponenten der Technologie anderen Transportmitteln (z. B. Levitation von Maglev-Zügen) entnommen werden können, sind viele Aspekte des Hyperloop neuartig und müssen einer umfassenden technischen Analyse unterzogen werden. Hier gibt es keine Faustregeln, auf die man zurückgreifen könnte. Hochgeschwindigkeitsreisen in engen Vakuumröhren sind ein einzigartiges und technisch kompliziertes Problem, dessen Lösung viel Zeit und Nachdenken erfordert.

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Abb. 3. CFD-Analyse der Pod-Form

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Abb. 4. Die FEA-Modellierung der Lasten am unteren Teil des Chassis


Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, werden viele Mitglieder unseres Teams, die sich im letzten Studienjahr befinden, ihre Master-Arbeiten der technischen Analyse des Hyperloop widmen. Diese Analysen werden sich unter anderem mit strukturellen Konstruktionen für Pod und Röhre, mit dem dynamischen Verhalten von Verbundwerkstoffen, Levitationsmethoden sowie mit der Brandausbreitung in einem Vakuum befassen. Diese Liste ist bei Weitem nicht vollständig, bietet jedoch einen Einblick in die vielfältigen zu überwindenden Probleme.

Angesichts der umfassenden Herausforderungen für Hyperloop arbeiten wir an der Universität ebenso wie unsere Sponsoren mit Forschern aus den Bereichen Transportinfrastruktur, extreme Umgebungen, dynamisches Laden von Strukturen und Verbundwerkstoffen zusammen.

In unserem Fertigungsteam arbeiten vier Mitglieder in Vollzeit in der Werkstatt, dazu kommen fünf weitere Teilzeitkräfte. Das Engagement ist herausragend und die harte Arbeit zahlt sich aus – Poddy McPodface steht vor der Fertigstellung und wird am 10. August verschifft.

Was sind die anderen großen Herausforderungen, die Hyperloop überwinden muss?  

Über die unmittelbaren technischen Herausforderungen hinaus, die gelöst werden müssen, um ein funktionierendes Hyperloop-System zu schaffen, bringt die Implementierung eines vollständig funktionsfähigen Systems weitere Tests mit sich. Geschwindigkeiten von 700 mph können sich beispielsweise zu einem schwerwiegenden Problem entwickeln, wenn ein Leck in der Röhre auftritt: Das Eindringen von Luft in einen so beengten Raum könnte Stoßwellen mit sich bringen, die den Pod und dessen Strukturen zerstören können. Ebenso ist Luftkühlung nahe des Vakuums praktisch unmöglich, jedoch zum Schutz der Komponenten unerlässlich. Bei einem Stromausfall des Systems müssen die Sicherheitssysteme nahezu unmittelbar aktiviert werden, damit die Sicherheit der Passagiere gewährleistet ist. Und die Energieeffizienz des Systems muss so optimiert werden, dass Hyperloop machbar und umweltfreundlich ist. Zudem sind vermutlich viele administrative und rechtliche Probleme zu erwarten: Vorfahrt, finanzielle Rückendeckung und die Fertigung in einem solchen Maßstab. Wir wissen, dass diese Herausforderungen Lösungen erfordern und deshalb arbeitet unser Team während der Fertigung von Poddy McPodface auch daran, Antworten zu finden.

Abb. 6. Erläuterung von Hyperloop

Die Infrastruktur für Hyperloop wird noch erörtert. Die hohen Geschwindigkeiten erfordern einen Wenderadius von über 20 km, um nicht wünschenswerte G-Kräfte zu vermeiden. Dies stellt Herausforderungen an die Navigation in städtischen und ländlichen Regionen dar, insbesondere in dicht besiedelten Gebieten wie in Großbritannien. Das ist ein wichtiger Faktor für das Design, weil die Reise für die Passagiere reibungslos verlaufen muss, damit sie sich dafür entscheiden. Im Idealfall wäre der Hyperloop-Korridor absolut gerade und flach. Deshalb denken nicht wenige in der Hyperloop-Community über einen unterirdischen Korridor nach, was nicht-intrusive, gerade und flache Strecken möglich machen würde. Als wir die Idee 2016 in ein Konzept umsetzten, glaubten wir, diese Überlegung sei vielleicht etwas zu ambitioniert. Aber nur wenige Monate später gründete Elon Musk die Boring Company mit dem Ziel ökonomischer Tunnelbohrungen für eine unterirdische Infrastruktur.

Abb 7. Musks Boring Company


Bei HypED haben wir parallel zu unserer technischen Arbeit die wirtschaftlichen Analysen abgeschlossen, um einen umfassenden Ansatz vorzulegen, damit Hyperloop Realität werden kann.


Wie schreitet die Poddy McPodface-Entwicklung voran?


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Die Fertigung bei HypED läuft: Alle kritischen Systeme und Komponenten wurden geordert und der Großteil ist bereits in der Werkstatt eingetroffen. Der Spaceframe wurde geschweißt, die Träger für die Subsysteme werden vorbereitet und die Mehrheit der dynamischen Komponenten wurde bereits gefertigt. Aktuell führen wir unzählige Tests durch, damit sichergestellt ist, dass alle Komponenten individuell sowie miteinander funktionieren. Unser Team hat die Hydraulik für das Bremssystem getestet, den Batterie- und Steuerschaltkreis integriert und wir haben auch die Kommunikation zwischen der Basisstation mithilfe von Regelkreisen bereits erfolgreich getestet. Am aufregendsten ist jedoch, dass wir den Sitz und die Halterung für unseren ersten Fahrgast vorbereiten – einen Dummy, den uns Ruth Lee übergeben hat.

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Abb. 8. Dummy und Chassis

Die Hülle wird zurzeit mit Unterstützung von FibreGlass Works in Loanhead gefertigt, hier arbeiten unsere eigenen Studenten unter der Aufsicht von Experten – eine großartige Art des Sponsorings. Im Moment wird ein Subsystem montiert, bevor wir uns dann der vollständigen Systemmontage und den Tests zuwenden.

Was am schwierigsten war?

Die erstmalige Konstruktion eines Pod bedeutet bei jedem neuen Schritt mögliche Probleme. Wir haben unser System sorgfältig durchdacht und versucht, diese Probleme vorherzusehen, was bereits eine Design-Herausforderung in sich war, aber es haben sich viele unvorhergesehene technische Probleme ergeben. Beispielsweise war der Prozess der Fertigung von Teilen mit einer numerisch gesteuerten CNC-Maschine schwieriger als erwartet; mit „Plug&Play“ hat das nichts zu tun. Die speziellen Teile für Poddy McPodface unterschieden sich von den standardmäßigen Parametersätzen für die CNC-Fertigung und die Anpassung der Designs erforderte abstraktes Denken.

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Abb. 9. Levitation-Ski-Evolution

Außerdem erwies sich die Umsetzung unseres Designs in die Fertigung als sehr viel schwieriger als erwartet: Unsere Designs waren oft idealistisch und wir waren von ständiger Verfügbarkeit und perfekten Lieferzeiten der Komponenten ausgegangen. In der Realität mussten wir das Pod-Design dann angepasst an die Marktverfügbarkeit umarbeiten. Das hatte Auswirkungen auf die theoretische Leistung des Subsystems, was weitere Änderungen am Design notwendig machte. Vor zwei Monaten konnten wir den Teufelskreis der Entwurfsiteration dann durchbrechen und jetzt steht einer pünktlichen Fertigstellung nichts mehr im Wege.

Im Hinblick auf den Wettbewerb war die größte Herausforderung der enge Zeitrahmen. SpaceX gab die Finalistenteams im April bekannt, das hieß vier Monate für die Fertigstellung des Designs, die Fertigung, Tests und Verpackung von Poddy McPodface für die Präsentation auf einem anderen Kontinent. Aktuell sind wir in den Fertigungs- und Testphasen und bereiten uns auf den Versand unseres fertigen Pods in weniger als einem Monat vor.

Hyperloop Blog-Serie

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Um einen kurzen Überblick über den Wettbewerb zu erhalten, der im August stattfand, schauen Sie sich bitte das Video unten an. Schauen Sie wieder vorbei, um einen ausführlichen Rückblick des HypED-Teams zu lesen.

University of Edinburgh student team propelling Hyperloop to becoming a reality. SpaceX Pod Competition finalists. Hyperloop One Global Competition winners. Co-organiser European Hyperloop Week(EHW)
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