Spitzenforschung

Daniel Schilling,

Versuche in der Schwerelosigkeit

Der neue "Einstein Elevator" in Hannover simuliert unterschiedliche Gravitationsbedingungen. Bei der Steuerung helfen Frequenzumrichter von Gefran.

Herausfahren des Schienensystems und Absenken des Gondeloberteils des Einstein Elevator zur Startvorbereitung © Leibniz Universität Hannover/Marie-Luise Kolb

Der Mond ist eine ideale Ausgangsbasis für Expeditionen und kann zukünftig vielleicht sogar als Forschungsstation genutzt werden. In der bemannten Raumfahrt werden deshalb immer mehr Geräte benötigt, die sich nutzen lassen, um zum Beispiel Ressourcen vor Ort zu Baumaterial zu verarbeiten oder auch Bau- und Ersatzteile zu fertigen. Aktuell entwickeln Forscher vom Laser Zentrum Hannover e.V. und des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRAS) der Technischen Universität Braunschweig zu diesem Zweck im Projekt Moonrise einen Laser, der Mondstaub aufschmelzen und in feste Kugeln verwandeln soll.

„Das ist ein erster Schritt, um später den 3D-Druck auf den Mond zu bringen“, berichtet Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer, Leiter des Instituts für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover sowie Vorsitzender des wissenschaftlichen Direktoriums am Laser Zentrum Hannover e.V. und Projektleiter des Moonrise-Projektes. „Produktions- oder Bearbeitungsprozesse müssen dabei unter ganz anderen Gravitationsbedingungen als auf der Erde stattfinden.“

Um außerirdische Umgebungsbedingungen zu simulieren, hat das ITA gemeinsam mit den Kollegen des Instituts für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover in den vergangenen Jahren ein Großprojekt auf die Beine gestellt: Den Einstein-Elevator. Er wurde Anfang diesen Jahren in Betrieb genommen. Nun finden darin erste Experimente statt.

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Bis zu 300 Flüge am Tag

Während die Wiederholrate bei anderen Falltürmen bei nur etwa zwei bis drei Versuchen am Tag liegt, kann im Einstein-Elevator maximal alle vier Minuten ein neuer Durchlauf stattfinden, so dass theoretisch bis zu 300 Flüge im Dreischichtbetrieb pro Tag möglich sind. Anstelle von großen Vakuumkammern und freiem Fall, wie sonst üblich, saust hier eine Versuchskammer – in Form einer Gondel – an Schienen geführt in enormer Geschwindigkeit auf und ab.

Außerdem ist der Einstein-Elevator die erste Anlage weltweit, die neben Schwerelosigkeit auch unterschiedliche Gravitationsbedingungen simulieren kann. In der Gondel haben experimentelle Aufbauten mit einem Durchmesser von 1,7 Metern, einer Höhe von 2 Metern mit einem maximalen Gewicht von 1000 Kilogramm Platz.

Enorme Leistung der Motoren

„Der Einstein-Elevator ist ein Meisterwerk interdisziplinärer Ingenieurskunst, er vereint die Antriebstechnik aus dem Achterbahnbau mit der Positioniergenauigkeit einer Werkzeugmaschine“, so Overmeyer. Die Herausforderung besteht darin, große Lasten mit sehr hoher Geschwindigkeit zu bewegen und punktgenau wieder abzubremsen. Die Motoren müssen also eine enorme Leistung erbringen und die Anlage muss über eine äußerst präzise Mess-, Regel- und Führungstechnik verfügen sowie einen hohen Automatisierungsgrad aufweisen.

Für den Gleichlauf sind darüber hinaus die Umrichter von großer Bedeutung. In der Anlage sind drei unabhängige Antriebsstränge verbaut. Zwei davon dienen zum Beschleunigen der Gondel. „Pro Strang werden fünf Frequenzumrichter der ADV200 Baureihe von Gefran mit einer Leistung von jeweils 400 Kilowatt zuzüglich Überlast von bis zu 180 Prozent parallelgeschaltet, um die Anlage sehr symmetrisch nach oben zu bewegen“, erklärt Christoph Lotz, Projektmanager für den Einstein-Elevator am ITA. Der dritte Antriebsstrang dient der Regelung der Schwebehöhe (Schwerelosigkeit) und der Erzeugung der variablen Beschleunigungen.

Hochleistungsantrieb

Das ausgeklügelte Antriebs-, Brems- und Steuerungssystem für den Fahrtablauf des Einstein-Elevators inklusive Schweberegelung hat die Intrasys gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover entwickelt. Damit kann die tonnenschwere Gondel mit 5 g vertikal in 0,5 Sekunden auf 72 Stundenkilometer beschleunigt und sicher wieder abgebremst werden. Die Linearantriebe des Unternehmens benötigen dafür für wenige Sekunden sehr hohe Ströme.

„Bei einem Abschuss der Gondel wird eine große Menge an Energie durch die Gefran-Umrichter aus dem Supercap-Energiespeicher von Stercom  entnommen und an die Statoren weitergegeben“, erläutert Dr. Tobias Hollmer, Geschäftsführer Forschung und Entwicklung bei Intrasys, das Funktionsprinzip des Antriebs. Dort erzeugt der Strom ein magnetisches Feld, welches dann mit einem Magnetfeld wechselwirkt und das Fahrzeug antreibt.

Im Einstein-Elevator kommen nicht nur Standard-, sondern auch Sonderkomponenten des Antriebsherstellers zum Einsatz, die individuell für den Fallturm entwickelt wurden. „Im Gegensatz zu unseren bewährten Achterbahnantrieben mussten wir hier zum Beispiel eine wesentlich präzisere Positionserfassung realisieren“, erklärt Hollmer weiter. „Das war notwendig, um die hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit der Anlage einhalten zu können.“ Um der Dynamik der Anwendung gerecht zu werden, setzt das Unternehmen darüber hinaus eine neue Methode zur optischen Datenübertragung ein, da keine fertige Lösung am Markt verfügbar war.

Messen und Regeln im Einstein-Elevator

Von entscheidender Bedeutung ist auch das nahtlose Zusammenspiel der Steuerung mit der Messtechnik. „Unsere Sensoren befinden sich direkt an der Gondel und senden Daten in Echtzeit an den Antrieb, der unten im Turm verbaut ist“, erläutert Christoph Lotz vom ITA. „Das war schon eine Herausforderung, wenn man bedenkt, dass das nicht nur bei hohen Geschwindigkeiten, sondern auch bei einer so weiten Übertragungsstrecke im 40 Meter hohen Fallturm funktionieren muss.“

Um die genaue Schweberegelung realisieren zu können hat Intrasys zudem eine neue Anlagensteuerung entwickelt und ein speziell konstruiertes Magnetjoch, um eine deutliche Gewichtsreduktion im Vergleich zu Standardjochen zu erzielen. „Mit dieser Anlage haben wir definitiv technisches Neuland betreten“, so Hollmer. „Aus meiner Sicht ist die Kombination aus einer so hohen Antriebsleistung mit bis zu fünf Megawatt und einer exakten Regelgenauigkeit – die es ermöglicht, die Schwebehöhe des Experiments in der Gondel bis auf wenige Millimeter genau konstant zu halten – besonders beeindruckend.“

Hochleistungsspeicher

Als während der Planung des Fallturms klar wurde, dass eine so hohe Leistung für den Antrieb nicht einfach aus dem Netz gezogen werden kann, kam die Firma Stercom ins Spiel, die sich auf den Aufbau von Hochleistungsspeichern spezialisiert hat. „Wenn man die Gefran-Umrichter einfach an das Stromnetz angeschlossen hätte, damit sie aus der Wechselspannung eine DC-Spannung erzeugen, würde das Netz extrem belastet werden und die Spannung in den sensiblen Forschungseinrichtungen in der Nachbarschaft stark einbrechen“, erklärt Diplom-Ingenieur (Univ) Robert Sterff, CEO und Gründer von Stercom.

„Deshalb musste für die notwendige Leistung im Einstein-Elevator ein Hochleistungsspeicher als Puffer zum Einsatz kommen, der langsam aufgeladen wird und dann sehr hohe Ströme – bis zu 7000 Ampere – in kurzer Zeit wieder abgeben kann. Während in anderen Anwendungen die Bremsenergie zurückgewonnen und zum Laden des Speichers verwendet werden kann, hat sich das ITA jedoch bewusst gegen eine Rückspeisung entschieden: „Die Ersparnis an Strom steht in keinem Verhältnis zu dem Sicherheitsrisiko. Uns war es wichtig, die Anlage jederzeit sicher zum Stillstand zu bringen“, so Overmeyer. Nachdem die Energie bei einem Versuch verbraucht wurde, hat das System vier Minuten Zeit zum Wiederaufladen.

Mit rund einer Million Ladezyklen ist die Lebensdauer eines Supercaps im Vergleich zu einer normalen Batterie mit nur einigen tausend Zyklen viel höher. Als Speicherelemente kommen sogenannte Doppelschicht-Kondensatoren oder Supercaps zur Anwendung, das sind innovative Hochleistungskondensatoren mit enormer Kapazität. Sie können im Vergleich zu modernen Lithiumbatterien zwar weniger Energie speichern, diese aber wesentlich schneller und öfter wieder abgeben. Zum besseren Verständnis erklärt Robert Sterff: „Herkömmliche Batterien sind wie Ausdauersportler und Supercaps dagegen wie Sprinter mit extremer Schnellkraft.“

Weiterentwicklung in Planung

Die Forscher an der Leibniz Universität Hannover sind sehr zufrieden mit dem Zusammenspiel der eingesetzten Antriebskomponenten und der interdisziplinären Zusammenarbeit der Projektpartner. „Bald soll es im Zuge neuer Experimente Weiterentwicklungen an der Anlage geben“, erzählt Ludger Overmeyer. Dann wird Intrasys gemeinsam mit dem Forschungsteam des ITA zusätzliche Fahrprofile für ein noch breiteres Versuchsspektrum im Einstein-Elevator erstellen, um verschiedene Gravitations- bzw. Luft- und Umgebungsbedingungen bis ins kleinste Detail nachzubilden. „Vor allem bei der Steuer- und Regeltechnik geht es dann um besondere Feinheiten, die umgesetzt werden müssen,“ so Christoph Lotz. Und damit rückt die Forschung wieder ein Stück näher an das Ziel, notwendige Fertigungs- oder Bearbeitungsschritte für eine funktionierende Infrastruktur im Weltraum, auf dem Mond oder anderen Planeten durchführen zu können.

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