[DIE WELT.de] [Image] Die Renaissance der Schwungräder Rotierende Kreisel als Energiespeicher - Anwendung in Raumsonden, Fahrzeugen und Kraftwerken von Hans-Arthur Marsiske Starnberg -  In Autos kommen sie ebenso zum Einsatz wie in Raumsonden: Schwungräder. Auch die Saturnsonde "Cassini" hat eines an Bord, um während ihrer mehrjährigen Mission auf alle Eventualitäten vorbereitet zu sein. Die rotierenden Kreisel, um die es dabei geht, dienen nicht der Fortbewegung, sondern der Stabilisierung und Steuerung des Raumschiffs. Es sind Schwungräder, die ständig mit einer bestimmten Grunddrehzahl laufen und der Sonde dadurch eine größere "dynamische Steifigkeit" verleihen. "Cassini" verhält sich dadurch wie ein wesentlich größeres Objekt mit größerer Masse und wird unempfindlicher gegen störende Einflüsse wie etwa den Lichtdruck der Sonne. Jeder, der schon einmal mit einem Kreisel gespielt hat, kennt diesen Effekt. Durch Veränderungen der Drehzahlen dieser Räder kann die Sonde außerdem in jede beliebige Richtung gedreht werden. Denn die Beschleunigung eines Schwungrads in eine Richtung bewirkt eine Gegenbewegung des gesamten Raumschiffs. Sobald die Beschleunigung des Rads gestoppt wird und es wieder mit konstanter Geschwindigkeit rotiert, behält "Cassini" ebenfalls eine konstante, langsame Drehgeschwindigkeit bei. Um diese Drehung zu stoppen, muss das Schwungrad wieder abgebremst werden. Drei der 40 Zentimeter durchmessenden Räder sind so montiert, dass Drehungen der Sonde um alle räumlichen Achsen möglich sind. Ein viertes "Reserverad" ist flexibel befestigt, um für jedes dieser Räder als Ersatz dienen zu können. Der große Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass für die Lageregelung nur noch in wenigen Fällen kleine Schubdüsen erforderlich sind und daher viel Treibstoff gespart werden kann. Die Raumfahrt war in den letzten Jahrzehnten die treibende Kraft bei der Weiterentwicklung der Schwungradtechnologie. Diese wird bereits seit der Antike zur Speicherung von Energie genutzt sowie dazu, Energieflüsse zu dämpfen und zu verstetigen. Zunächst kamen solche Räder mit großem Massenträgheitsmoment als Spinnräder oder Töpferscheiben zum Einsatz, später in Dampfmaschinen, Werkzeugantrieben oder Lokomotiven. Noch in den fünfziger Jahren wurden Grubenlokomotiven gebaut, die mit einem Stahlrotor als einziger Energiequelle tonnenschwere Lasten aus Bergwerken beförderten. Ein solches Schwungrad wog allerdings selbst weit über eine Tonne - für Anwendungen im Weltraum, wo jedes Gramm zählt, viel zu viel. Die Entwicklung neuer Materialien führte zu leichteren Schwungrädern, die aber höhere Rotationsgeschwindigkeiten vertragen und so vergleichbare Energiemengen aufnehmen. Das ermöglichte nicht nur ihren Einsatz im Weltraum, sondern erschloss auch auf der Erde neue Anwendungsgebiete. Während Schwungräder aus Stahl Umfangsgeschwindigkeiten von 410 Metern pro Sekunde erlauben, lässt sich mit kohlefaserverstärktem Kunststoff heute fast das Vierfache erreichen. Da zugleich das spezifische Gewicht des Kunststoffs deutlich geringer ist, wird pro Kilogramm Radmasse mehr als zehn Mal so viel Energie gespeichert. Damit werden Schwungräder als Zwischenspeicher für Anwendungen im Straßen- und Schienenverkehr interessant, um überschüssige Energie, etwa beim Bremsen, aufzunehmen und bei Spitzenbelastungen abzugeben. In Basel sind bereits seit Mitte der neunziger Jahre entsprechend ausgestattete Oberleitungsbusse im Einsatz. Da der Hauptmotor hier nur die mittlere Leistung für den normalen Fahrbetrieb zur Verfügung stellen muss und keine Spitzenleistungen, kann er entsprechend kleiner ausgelegt werden. Die dadurch erreichbare Energieersparnis beziffert Gerhard Reiner von der Starnberger Firma Magnet-Motor, die die Schwungradspeicher gebaut hat, mit "etwa 30 Prozent". Auch der Einsatz von immer noch sehr teuren Brennstoffzellen als Energiequelle wird dadurch wirtschaftlich interessanter. "Brennstoffzellen reagieren zudem nicht gut auf kurzfristige Leistungsschwankungen", sagt Reiner. "Sie sind besser geeignet für den konstanten Betrieb." Die große Stärke von Schwungrädern liegt vor allem im kurzfristigen Aufnehmen und Abgeben von Energie - und das über einen sehr langen Zeitraum: Während chemische Batterien nach etwa 1000 Lade- und Entladezyklen erschöpft sind, schafft ein Schwungrad problemlos das Tausendfache und kann auch zum Auffangen kurzfristiger Spannungsschwankungen und Stromausfälle in großräumigen Elektrizitätsnetzen eingesetzt werden. Bei der Firma Boeing arbeiten Ingenieure gegenwärtig an der Entwicklung eines solchen Schwungradspeichers, der innerhalb weniger Minuten bis zu 35 Kilowattstunden aufnehmen und wieder abgeben kann. Für solche Kapazitäten ist allerdings die Entwicklung neuartiger Lager erforderlich, bei denen ein Permanentmagnet über einem Hochtemperatursupraleiter rotiert. Die durch Reibung bedingten Energieverluste sollen dadurch auf unter 0,1 Prozent reduziert werden. Ob auf diese Weise auch Schwankungen bei der Einspeisung von Windenergie ins Stromnetz ausgeglichen werden können, bezweifelt Reiner. "Schwungräder können wenige Sekunden dauernde Böen sicherlich gut abfangen", sagt er. "Aber für den Ausgleich stundenlanger Flauten sind sie weniger gut geeignet." Der Stadtverkehr auf Straße und Schiene mit seinen häufigen Brems- und Beschleunigungszyklen erscheint dagegen als attraktives Anwendungsgebiet. So hat in Hannover Ende vergangenen Jahres die Üstra Verkehrsbetriebe AG ihren fünften Schwungmassenspeicher in Betrieb genommen, der die überschüssige Bremsenergie der Straßenbahnen auffängt und eine jährliche Energieeinsparung von 500 000 Kilowattstunden erbringen soll. Um Schwungräder auch im Pkw verwenden zu können, müssen sie aber noch leichter werden. "Die Speicher in den Basler Bussen wogen noch etwa 500 Kilogramm", so Reiner. "Mittlerweile liegen wir bei etwa 150 bis 200 Kilo." Die für Pkws erforderlichen 50 Kilo hält er in nächster Zeit für erreichbar. Das ist immer noch ganz schön schwer. Aber man muss ja auch kein Reserveschwungrad mitnehmen. Anders als bei "Cassini" dürfte im Fall einer Panne Abschleppen die billigere Lösung sein. Artikel erschienen am Mi, 1. September 2004 Artikel drucken   © WELT.de 1995 - 2004