Pentavelo - Fünf Energiequellen auf drei Rädern

Fabian Preiß
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Montag, den 02. Februar 2009 um 13:21 Uhr

Mein Name ist Fabian Preiß und ich wurde am 11.08.1990 in Solingen geboren. Das Pentavelo-Projekt ist bereits die vierte Arbeit, an der ich im Zusammenhang mit Jugend-forscht beteiligt bin. Einen ausführlichen Einblick in diese Arbeiten können sie meiner besonderen Lernleistung (pdf/html) entnehmen, die ich im Rahmen meines Abiturs 2009 am Helmholtz-Gymnasium in Hilden verfasst habe. Neben der Physik-AG bin ich an der Entwicklung der Gothic2 Modifikation Caduon im Grafikbereich beteiligt.

Seit Oktober diesen Jahres studiere ich Physik an der Uni Wuppertal.

Fabian Preiß

Aktualisiert ( Mittwoch, den 24. Februar 2010 um 17:48 Uhr )
 
Besondere Lernleistung – Fabian Preiß Abitur 2009 Helmholtz-Gymnasium Hilden Drucken E-Mail
  
Sonntag, den 20. September 2009 um 11:41 Uhr

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Magnetbahn Testaufbau 2_02Brennstoffzellenroller Konzept2

Magnetbahn Virtualisiert   Magnetbahn VirtualisiertWärmebildaufnahme der beschädigten Brennstoffzelle durch die Fachhochschule Düsseldorf im Rahmen des Tages der Technik in Düsseldorf

Petersberger Convention Beleuchtung - Der Hybrid Brennstoffzellenroller bei Ministerpräsident Rüttgers



Besondere Lernleistung

Solingen den 2.4.2009

Fabian Preiß

Bezüglich der Wettbewerbe:

Jugend-forscht 2005/2006 - "Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb"

Teilnehmer: Tobias Bach, Thomas Dietz, Fabian Preiß

Platzierung: 2. Platz Regionalwettbewerb - Düsseldorf

Jugend-forscht 2006/2007 - "Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung"

Teilnehmer: Fabian Preiß

Platzierung: 2. Platz Regionalwettbewerb - Düsseldorf

Jugend-forscht 2007/2008 - "Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller"

Teilnehmer: Mats Marcus (Gymnasium Schwertstraße - Solingen), Tobias Bach, Fabian Preiß

Platzierung: 1. Platz Regionalwettbewerb - Düsseldorf

2. Platz Landeswettbewerb - NRW - (Leverkusen)

Betreuender Lehrer: Herr Dr. Johann Pleschinger

Kurzfassung (bzgl. aller Projekte):

Im Rahmen meiner mehrjährigen Mitwirkung in der Physik AG, die durchgehend seit Ende 2004 besteht und durch die wiederholten erfolgreichen Teilnahmen am Jugend-forscht-Wettbewerb, wollte ich die Möglichkeit einer besonderen Lernleistung wahrnehmen, der die Aktivitäten der letzten Jahre zugrunde liegen. Neben der Realisierung der Magnetbahn werde ich meine Schwerpunkte insbesondere auf die Entwicklungen an dem Brennstoffzellen-Roller legen.

Die Idee zum Brennstoffzellenroller lässt sich auf die Zusammenarbeit des Helmholtz-Gymnasiums mit dem Schulsponsor 3M zurückführen. Die Arbeiten an dem ersten Jugend-forscht-Projekt haben mir im Wesentlichen die Gelegenheit gegeben, mich mit der PEM -Brennstoffzellentechnik, sowie der Werkstoffverarbeitung auseinanderzusetzen.

Zur Entwicklung der Magnetbahn hat mich der Besuch des Landeswettbewerbes Jugend-forscht 2006 motiviert, zu dem ein 3-köpfiges Team eine Magnetbahn, auf Basis eines üblichen frequenzgesteuerten Linearstatorantriebes, entwickelt hat. Da Herr Dr. Pleschinger erwähnte, dass die erste Generation der Physik-AG Teilnehmer bereits bei dem Versuch eine Magnetbahn zu bauen gescheitert ist, experimentierten wir erneut an einem vergleichbaren Aufbau. Da auch dieser nicht zufrieden stellend gelang, überlegte ich mir ein Konzept, nach dem eine Magnetbahn möglich sein sollte und setzte dieses um.

Im folgenden Jahr griffen wir erneut das Brennstoffzellen-Projekt auf und entwickelten den Hybrid-Brennstoffzellenroller in einer neuen Teamzusammensetzung mit einem grundlegend neuen Aufbau der Mechanik und Elektronik. Die mit dem Projekt verbundenen Erfolge beim Jugend-forscht-Wettbewerb sowie den daran anschließenden Teilnahmen an verschiedenen Ausstellungen zeugen von dem bisher erfolgreichsten Projekt im Rahmen der Physik-AG.

Ein weiterer Gesichtspunkt, der alle Projekte betrifft, ist die Schulung im Umgang mit Präsentationen, sowie die Anwendung problemorientierter Denkansätze.

Gliederung:

1. Abkürzungsverzeichnis

2. Jugend-forscht 2005/2006 - "Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb"

2.1. Einleitung

2.2. Technische Grundlagen

2.2.1. Aufbau unseres Brennstoffzellenstacks

2.2.2. Funktionsweise einer PEM Brennstoffzelle

2.2.3. Metall Hydrid Speicher

2.2.4. Kompressor

2.2.5. Druckminderer

2.2.6. Pneumatik

2.2.7. C-Control II Station

2.2.8. Antriebsmotor

2.2.9. PWM-Controller

2.3. Entwicklung des BSZ - Rollers

2.4. Teilnahme am Regionalwettbewerb Düsseldorf 2006

2.5. Fazit

3. Jugend-forscht 2006/2007 - "Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung"

3.1. Einleitung

3.2. Magnetbahnentwicklung

3.2.1. Herstellung der Elektromagneten

3.2.2. Entwicklungsphase

3.2.3. Virtualisierung

3.2.4. Finale Versuchsanordnung

3.3. Teilnahme am Regionalwettbewerb Düsseldorf 2007

3.4. Effizienz eines Transrapids im Vergleich zum Rad-Schiene-System

3.5. Fazit

4. Jugend-forscht 2007/2008 - "Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller"

4.1. Einleitung zum Hybrid-Brennstoffzellen-Roller

4.2. Bauelemente

4.2.1. Tante Paula Elektroroller

4.2.2. Elektronik

4.2.3. Montageteile und Anbringung wichtiger Komponenten

4.2.4. Zubehör

4.3. Entwicklung und Aufbau

4.4. Eigene Schwerpunkte

4.5. Wettbewerbe und Ausstellungen

5. Aktuelle Entwicklungen

5.1 Das Pentavelo - Die Fortführung des Brennstoffzellen-Projektes

6. Verwendete Software

7. Persönliche Lernerfahrung/Fazit

8. Selbstständigkeitserklärung

9. Quellenverzeichnis

10. Danksagung

 

1. - Abkürzungsverzeichnis

BSZ - Brennstoffzelle

ZBT - Zentrum für Brennstoffzellentechnologie GmbH Duisburg

CCM - Catalyst Coated Membrane

GDL - Gas Diffusion Layer/Electrode

MEA - Membrane Electrode Assembly

PEM - Polymer Elektrolyte Membrane oder Proton Exchange Membrane

CAT - Katalysator

PWM - Pulsweitenmodulation

NURBS - Non-Uniform Rational B-Spline

MOSFET - Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor

LED - Light Emitting Diode/Lumineszenz-Diode

CAD - Computer Aided Design

2. - Jugend-forscht 2005/2006 - "Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb"

Presseartikel zur Übergabe des ersten Elektrorollers (NRZ)
Der erste Presseartikel zu dem Brennstoffzellen-Projekt erschien unmittelbar nach der Übergabe des Elektrorollers(24.06.2005 - NRZ)

2.1 - Einleitung

Durch die Patenschaft des Helmholtz-Gymnasiums mit der 3M Deutschland GmbH erhielt unser betreuender Lehrer, Herr Dr. Johann Pleschinger, ein Schreiben in dem 3M für ein gefördertes Schülerprojekt in Verbindung mit der Brennstoffzellentechnik 3Ms warb. Dabei sollte ein beliebiges Fahrzeug mit einer geringen Leistungsaufnahme durch ein Schülerteam mit der Brennstoffzellentechnik ausgestattet werden. - Dabei sollte unsere Schule eine Vorreiterrolle einnehmen, um den Nachweis zu erbringen, dass die durchaus komplexe Brennstoffzellentechnik auch von Schülerteams in Fahrzeugen angewendet werden kann. Die Möglichkeit, weitere Schulen in den Nächsten Jahren in Form eines Wettbewerbes an dieser Thematik Teil haben zu lassen, wurde ebenfalls nicht ausgeschlossen.

Da die Brennstoffzellentechnik bereits zu diesem Zeitpunkt zu den aktuellen Forschungsbereichen in der Industrie zählte und wir ein Interesse an der Arbeit mit zukunftsweisenden Energieträgern hatten, sahen wir in dem Angebot die Gelegenheit, auf einem hohen technischen Niveau arbeiten zu können.

Die ersten Überlegungen für das Fahrzeug lagen in der Verwendung eines Tretrollers, welche wir jedoch zu Gunsten eines Elektrorollers chinesischen Fabrikates verwarfen - der Elektroroller wurde uns am 22.06.2005 übergeben.

Im Rahmen mehrerer darauf folgenden Besuche bei 3M und dem ZBT haben wir uns die grundlegenden Kenntnisse zum Aufbau und Umgang mit der

Brennstoffzellentechnik angeeignet, sowie die Komponenten für einen 75 Watt PEM-Brennstoffzellen-Stack (englisch für 'Stapel') hergestellt und verbaut.

Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb Konzept2

2.2 - Technische Grundlagen

2.2.1 - Aufbau unseres Brennstoffzellenstacks

Das wichtigste und wertvollste Bauteil des umgebauten Rollers ist die Brennstoffzelle selbst. Das von uns verwendete Modell liefert eine maximale Leistung von bis zu 450 Watt bei einer Spannung von ca. 24 Volt und besteht aus 33 Einzelzellen, die im unbelasteten Zustand jeweils eine Spannung von bis zu 0,88 Volt liefern und jeweils die Ausmaße von 70 x 140 x 6 mm haben. Die optimale Arbeitstemperatur liegt bei ca.60°C im Innenbereich.

Der Kern und empfindlichste Teil der Brennstoffzelle ist die PEM (Polymer Elektrolyte Membrane). Sie hat eine Dicke von 50 µm und ist relativ Wasseraufnahmefähig. Durch Austrocknung und Verformung kann sie bei Temperaturen ab 90°C schnell Schaden nehmen.

An beiden Seiten der Membran liegt eine platinbeschichtete, geringfügig poröse Kohle-Glasfaser-Platte an. Die Platinschicht wurde bei unserer ersten Brennstoffzelle noch als separate Folie mit der Kohle-Glasfaser-Platte und der PEM verbunden, mittlerweile hat 3M jedoch ein Verfahren entwickelt, über welches die Platinschicht durch Bedampfung aufgebracht wird und der Materialbedarf an Platin drastisch reduziert werden konnte. Die Kohle-Glasfaserplatte ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der beiden Reaktionsgase und erhöht die Leitfähigkeit zwischen der PEM und den Bipolarplatten. Sie wird allgemein als 'GDL' (Gas Diffusion Layer) bezeichnet und gewährt der empfindlichen PEM die notwendige Stabilität vor mechanischen und durch Druckschwankungen bedingten Einwirkungen.

Defekte MEA (Membrane Elektrode Assembly)

Defekte MEA

Die Platinschicht stellt einen Katalysator (CAT) für die Reaktion dar. Verbunden mit der PEM wird sie als CCM (Catalyst Coated Membrane) bezeichnet. Sie wird durch Druck und Temperatureinwirkung mit der GDL zusammengefügt - dieser Bestandteil der BSZ stellt die MEA (Membrane Electrode Assembly) dar. Eine beschädigungsfreie Trennung ist erfahrungsgemäß nach diesem Vorgang nicht mehr möglich. Um das Reißen der MEA durch Druckdifferenzen zu verhindern, darf der Druckunterschied zwischen den beiden Kammern der Brennstoffzelle nicht über 0,5 Bar liegen.

Die MEA wird letztendlich von zwei Bipolarplatten eingeschlossen, an denen sich auch das Flowfield befindet. Die Bipolarplatten bestehen zu 70% - 80% aus Kohlenstoff, der durch Kunststoffe gebunden ist. Sie stellen die Elektroden einer Einzelzelle dar und werden im Spritzgießverfahren hergestellt.

75 Watt PEM-Brennstoffzelle gebaut unter Anleitung durch das ZBT Duisburg im Erstbetrieb

Eine von uns unter Anleitung vom 3M und ZBT gebaute 75 Watt Brennstoffzelle wird erstmalig in Betrieb genommen.

Der Stack wird an beiden Enden durch eine dicke Metallplatte abgeschlossen an der sich Verschraubungsmöglichkeiten sowie die Gasanschlüsse befinden. Die Metallplatte ist durch eine Kunststoffschicht von der Anode und der Kathode getrennt. Die Einzelzellen werden auf zwei isolierten Metallstäben gestapelt und durch Spannschrauben zusammengedrückt. Die Bipolarplatten weisen zudem Fugen für Dichtungsringe auf, die ein ungewolltes Austreten der Reaktionsgase nach dem Zusammenbau verhindern sollen.

2.2.2 - Funktionsweise einer PEM Brennstoffzelle

In einer PEM Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff an einer H+ Ion durchlässigen Schicht zu Wasser. Die Seite der Zelle, von der aus der Wasserstoff durch das Flowfield eingeleitet wird ist in dem Reaktionsprozess die Anode. für die Anodenseite gilt daher beim Eintritt der Wasserstoffmoleküle in die Membran die Reaktionsgleichung:

2 H2 + 4 H2O --> 4 H3O+ + 4e-

während die Elektronen an dem Platin-Katalysator über die Bipolarplatten abfließen und in Form von Strom genutzt werden können bevor sie zu der Kathodenseite zurückfließen, durchdringen die H+ Ionen die Membran und reagieren auf der Kathodenseite nach folgender Reaktionsgleichung mit dem Luftsauerstoff zu Wasser:

O2 + 4 H3O+ + 4e- --> 6 H2O + 4,92eV

Hier wird von der freigesetzten Energie in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad der Zelle ein Teil in Form von Wärme abgegeben. Die maximal zu erreichende Spannung einer PEM Brennstoffzelle bei einem theoretischen Wirkungsgrad von 100% liegt reaktionsbedingt bei 1,23 V. [1]

2.2.3 - Metall Hydrid Speicher

Die Gasflasche zur Speicherung des Wasserstoffs wird uns ebenfalls freundlicherweise von 3M zur Verfügung gestellt. Dabei kommt ein Metall Hydrid Speicher zum Einsatz, der bereits bei einem geringen Druck ein verhältnismäßig großes Volumen Wasserstoff aufnehmen kann. Vorteile in dieser Speicherungstechnik liegen in dem geringen Druck sowie einer sehr geringen Diffusion der Wasserstoffteilchen durch die Außenwinde. Die Kartuschen sind mit einem Metallpulver mit großer Oberfläche (zumeist Palladium oder Magnesium) gefüllt, an deren Metallgittern sich die Wasserstoffatome einlagern. Das Metall mit den eingelagerten Wasserstoffatomen wird auch als Metallhydrid bezeichnet. Da die Wasserstoffatome im gebundenen Zustand sich in einem geringeren Energieniveau befinden, läuft das Befüllen des Speichers exotherm ab. Unterlässt man das Kühlen des Tanks, so kommt der Vorgang des Befüllens nach einiger Zeit zum Erliegen. Das Befüllen dauert mehrere Stunden und geschieht bei einem Druck von maximal 16 Bar. Der Prozess der Wasserstoffabgabe wiederum läuft endotherm ab. Um die Bindung des Wasserstoffs an das Metallpulver zu lösen, muss Energie in Form von Wärme hinzugefügt werden, die der Umgebung entzogen wird. Da der Druck bei sinkender Temperatur des Speichers abnimmt, kann nicht der gesamte Wasserstoff bei einem Schaden am Ventil schlagartig entweichen. Bei unsachgemäßer Handhabung ist die Gefahr, die vom Speicher ausgeht im Vergleich zu alternativen Speichermethoden vermindert. In der Flasche mit einem Volumen von ca. 2 Litern und einem Gewicht von etwa 2 kg können 16g Wasserstoffgas bzw. etwa 200 Liter Wasserstoff gespeichert werden.

Die Nachteile des Metall Hydrid Speichers liegen in den darin vorkommenden Gefahrenstoffen, in der langen Befüllungszeit sowie in dem hohen Gewicht.

2.2.4 - Kompressor

Der für die Reaktion benötigte Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft durch einen Kompressor entnommen, neben dem Antriebsmotor ist er das lärmstärkste Bauteil. Er wird betrieben mit einer Gleichspannung von bis zu 12 Volt bei maximal 2 Ampere und erreicht eine Förderleistung von ca. 16L/min

2.2.5 - Druckminderer

Da die verwendete Brennstoffzelle verhältnismäßig druckempfindlich ist, ist es notwendig, den Ausgangsdruck der Wasserstoffflasche von bis zu 20 Bar (derartige Drücke können erreicht werden, wenn die Flasche unter Kühlung mit 16 Bar befüllt wird und bei der Verwendung eine erhöhte Temperatur hat, da das Metallhydrid in diesem Zustand die Wasserstoffatome besonders gut freisetzen kann) auf maximal 0,5 Bar herunterzuregeln.

2.2.6 - Pneumatik

Die oben genannten Bauteile werden über Spezialschläuche mit Teflongewebe, sowie entsprechende Metallverschraubungen und Steckverbindungen von dem Hersteller Swagelok verbunden, dabei ist das sorgfältige Abdichten mittels Teflonbändern zur Vermeidung von Lecks im Wasserstoffsystem unabdingbar. Vor der Inbetriebnahme müssen die einzelnen Verbindungen mit einem Lecksuchspray kontrolliert werden.

Pneumatik Übersicht der Komponenten (Brennstoffzelle, Wasserstofflasche, Druckminderer, Magnetventile, Kompressor und Motor)

  1. Die Brennstoffzelle

  2. Die Wasserstoffflasche

  3. Der Druckminderer

  4. Die Magnetventile

  5. Der Kompressor

  6. Die Last

2.2.7 - C-Control II Station

Die Steuerung des Wasserstoffkreislaufes sowie die Überwachung der Brennstoffzellenleistung wurden von einer durch das ZBT entwickelten Elektronik übernommen. Die C-Control II Station ist dabei die zentrale Steuerungseinheit mit einem Mikrocontroller, der sich über eine serielle Schnittstelle programmieren lässt. über ein integriertes Display, sowie mehrere Taster lassen sich auch während des Betriebs Daten auslesen. Das Programm wurde vom ZBT geschrieben.

2.2.8 - Antriebsmotor

Der Elektromotor - ein 24V Gleichspannungsmotor mit einer maximalen Leistung von 280Watt und einer Drehzahl von maximal 2750 U/min ist in dem von uns verwendeten Rollermodell werksmäßig eingebaut.

2.2.9 - PWM-Controller

Da der serienmäßig eingebaute Controller bereits nach der ersten Demontierung defekt war benötigten wir einen passenden Ersatz, der sowohl den Motor mit der benötigten Leistung versorgen konnte, als auch über die verschiedene Ein und Ausgänge für das Pedal und die Beleuchtung verfügen sollte. Wir recherchierten dabei nach einem entsprechenden Controller, der das analoge Eingangssignal des Pedals in Form eines geeigneten PWM-Signals an den Motor weitergeben konnte.

Erstroller am Tag der Übergabe durch 3M

Elektroroller am Tag der Übergabe

2.3. - Entwicklung des BSZ - Rollers



Brennstoffzellenroller Kistenherstellung

Zum besseren Verständnis der Rollerelektronik bauten wir die wesentlichen Steuerelemente, die Akkus, den Motor sowie die Beleuchtung aus und auf einer separaten Plattform neu auf.

Bereits während des Ausbaus dieser Einzelkomponenten fielen uns verschieden schwerwiegende Mängel an dem E-Scooter auf. Zum einen waren viele der Verschraubungen und Befestigungselemente des Rollers bereits nach der ersten Entfernung aufgrund qualitativer Mängel unbrauchbar, zum anderen war die Steuerungselektronik bereits nach dem Ausbau defekt. Auch die Antriebskette machte uns Sorgen, da sie permanent an der Pedalkette rieb. Letztendlich entfernten wir letztere, während die Pedale festgeschweißt wurden.

Probleme, die uns über die gesamte Entwicklungsphase hinweg beschäftigten, waren der geringe zur Verfügung stehende Platz, das Kabelgewirr sowie die Hinterlastigkeit des Rollers.

für die Unterbringung der Wasserstoffflasche sahen wir die Befestigung durch zwei Rohrschellen vor. Um das Problem der Hinterlastigkeit wenigstens ansatzweise auszubalancieren, platzierten wir diese an der Mittelstange des Rollers.

Kabelsalat - Elektronik, C-Control II-Steuerung und BrennstoffzelleKistenkonzept 01 Brennstoffzellenroller
Da die Unterbringung der Elektronik ein permanentes Problem war und die Befestigungsmöglichkeiten bei Weitem nicht ausreichten, haben wir uns überlegt, die neuen Bauteile (darunter auch die Brennstoffzelle) in 2 Boxen unterzubringen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Beleuchtung, insbesondere die Blinkerelektronik eine zweite 12Volt Stromversorgung benötigen sollte. Aufgrund fehlender Kenntnisse mit Linear und Schaltreglern, brachten wir in der ersten Version der Umsetzung einen weiteren 12Volt Bleiakku in einer dritten Box am Lenker an. Indessen montierten wir den Kompressor in einem Kasten unterhalb des Sattels.

Dieses Konzept brachte jedoch mehrerlei Probleme mit sich:

Die vordere Box destabilisierte die Lenkung, während die Box des Kompressors sowie die Wasserstofflasche die Bewegungsfreiheit der Beine einschränkten. Die Befestigungen der beiden vorderen Boxen waren zudem äußerst instabil, wodurch wir um ein neues Befestigungskonzept nicht herumkamen:

Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb - Kistenkonzept 2

Die Befestigung des Bleiakkus am Lenker blieb dabei vorerst jedoch bestehen - das größte Manko lag jedoch in der weit hinten gelagerten Elektronikbox, die den Roller wesentlich unhandlicher machte und das Gewicht weiter nach hinten verlagerte. Die Räumliche Trennung des Wasserstoffkreislaufes von der Elektronik erhöhte zwar geringfügig die Sicherheit vor einer durch einen Funken verursachten Entzündung des Wasserstoffs, verringerte das Kabelchaos jedoch nur äußerlich. Der Einblick in die Elektronikbox, die ursprünglich das Behältnis für die Brennstoffzelle sein sollte, ließ mit den lose platzierten Bauteilen eine große Schwachstelle sichtbar werden:

Nachteil des zweiten Systems durch umständliche Verkabelung und ungeeignete Befestigung der Elektronik

Zur Beseitigung dieses Problems behielten wir die Idee der auf einem Brett befestigten freiliegenden Brennstoffzelle bei. Auf die große Box verzichteten wir letztendlich völlig und befestigten die Elektronik an einer seitlichen Holzplatte. Der für die Versorgung der Beleuchtung gedachte Bleiakku erhielt ebenfalls eine neue Halterung an der Mittelstange gegenüber der Wasserstoffflasche. Trotz der dadurch entstandenen Verbesserungen war die Halterung des Brennstoffzellenstacks bis zuletzt nicht zufrieden stellend: Die Zelle wurde lediglich durch zwei Schrauben an der unteren ITEM Profil-Stange mit der Holzplatte verbunden und war damit kaum hinreichend vor Schlägen gedämpft. Seitliche Kräfte verursachten zudem durch das Spiel in der Holzplatte eine deutliche seitliche Neigung des Stacks. für die zuvor noch in einer Holzkiste untergebrachte Pumpe fertigten wir eine kleinere Halterung an, die auch den Akku zum Starten der Elektronik fixierte. Bedingt durch die mehrfachen Modifikationen an der Brennstoffzellenelektronik und der Angst, den Stack zu beschädigen, ließen wir den Aufbau vor der Teilnahme am Wettbewerb vom ZBT überprüfen. Erst zwei Tage vor dem Regionalwettbewerb konnten wir den Roller mit dem neuen Aufbau in Betrieb nehmen.

2.4. - Teilnahme am Regionalwettbewerb Düsseldorf 2006

A m 15.2 2006 fand der Regionalwettbewerb in Düsseldorf statt. Größter Kritikpunkt der Jury war dabei, dass wir weitestgehend auf bestehende Module zurückgegriffen haben. Die gelungene Unterbringung der einzelnen Baugruppen auf so kleinem Raum wurde dann jedoch mit einem zweiten Platz im Fachbereich Technik geehrt. (Ein erster Platz wurde in dieser Kategorie 2006 in Düsseldorf nicht vergeben.) Zusätzlich erhielten wir den mit 75 Euro dotierten Sonderpreis der Quelle Innovationsstiftung.

Bereits ca. 6 Minuten nach der Vorführung des Rollers bei der Jury ließ sich der Roller nicht mehr bzw. nur noch mit Glück einschalten. Die Ursache war ein Bruch in der vom ZBT gefertigten Lochrasterplatine, den wir jedoch erst nach dem Wettbewerb bemerkten.

2.5. - Fazit 2006


Brennstoffzellenroller kurz vor dem jugend-forscht Wettbewerb Düsseldorf

In dieser Form stellten wir den Brennstoffzellenroller beim Regionalwettbewerb Jugend-forscht vor.

Da wir trotz Problemen und technischen Mängeln recht erfolgreich waren, sahen wir immer noch ein großes Potential in dem BSZ-Roller Projekt. Ich regte den Kauf eines "Tante Paula" Elektrorollers an, der in seiner Qualität, dem Hersteller-Support und vom Platzangebot her dem vorherigen Modell weit überlegen war und die Grundlage für ein weiteres Jugend-forscht Projekt sein sollte.

3. - Jugend-forscht 2006/2007 - "Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung"

3.1 - Einleitung

Magnetbahn einer Schülergruppe am Landeswettbewerb 2006 NRW

Magnetbahn einer Schülergruppe am Landeswettbewerb 2006 NRW

In der Physik AG gab es bereits bei der ersten Generation von Schülern (Sascha Spörck, Philip Dost und Klaus Friebus) Bestrebungen eine Magnetbahn - nach Möglichkeit mit einem Schwebesystem zu bauen. Nach der Entwicklung verschiedener Ideen und Testläufe wurde dieses Vorhaben jedoch eingestellt. Als ich zusammen mit Tobias Bach innerhalb einer Schülergruppe den Landeswettbewerb 2006 besuchte, fiel mir eine 3-köpfige Schülergruppe auf, die eine frequenzgesteuerte Magnetbahn entwickelt hatte. Die zugehörige Elektronik fiel jedoch sehr aufwändig aus und benötigte mehr Raum, als die eigentliche Bahn. Nachdem wir Herrn Dr. Pleschinger von diesem Projekt berichteten, rekonstruierten wir den Aufbau der ersten Schülergeneration unserer AG, den ich in den folgenden Wochen weiter verbesserte. Mein Ziel war dabei der erfolgreiche Aufbau einer Magnetbahn, die sich an keinen bereits vorhandenen Vorbildern orientieren sollte. Um das dazu notwendige technische Wissen durch eigenes Begreifen zu erlangen, verzichtete ich bis kurz vor der Präsentation beim Jugend-forscht Wettbewerb auf die Zuhilfenahme von Fachliteratur bzw. Informationen durch das Internet.

3.2 Magnetbahnentwicklung

3.2.1 - Herstellung der Elektromagneten

Die Herstellung brauchbarer Elektromagneten erwies sich insbesondere in der Anfangszeit nicht immer als einfach. Die ersten zu diesem Projekt gewickelten Magnete hatte als Kern eine 70mm lange unbearbeitete Metallschraube aus Stahl, der Kupferdraht wurde von Hand um den Kern gewickelt, wodurch die Wicklungen relativ ungleichmäßig waren und schnell zu reißen drohten. Der damals mit 0,3mm vergleichsweise dicke Kupferdraht wurde an den beiden Enden festgeknotet. Diese Lösung erwies sich jedoch nicht als praktikabel, da die Kupferspule sich trotz des Knotens sehr schnell löste. Um dieses Problem zu umgehen, bohrten wir an die Enden kleine Löcher, durch die Drähte geführt werden konnten. Da die Seite mit dem Schraubenkopf unter der Bahn hervorragte und die Lok ungünstig anzog, sowie kaum noch durch das Magnetfeld der Spule magnetisiert wurde, entfernten wir den Kopf einiger Schrauben zur Verwendung in der ersten Versuchsanordnung. Der Widerstand dieser Magnete lag bei ca. 2,5Ohm.

Die Schrauben als Metallkerne der Magnete waren äußerst unpraktikabel:

Der durch eine dünne Beschichtung isolierte Kupferdraht isolierte sich mitunter bereits beim Aufwickeln auf den Schrauben an den scharfen Kanten der Windungen sowie dem Loch zur Fixierung des Drahtes ab und konnte den Magnet über den Eisenkern kurzschließen.

Die folgenden Metallkerne waren Vierkantstahle mit verrundeten Ecken mit einer Seitenlänge von 8mm oder Rundstahlprofile (ebenfalls mit einem Durchmesser von 8mm) bei weiterhin 70mm Länge. Aufgrund des hohen Zeitaufwandes, den das Wickeln mehrerer Magnete von Hand mit sich brachte, überlegte ich mir, wie sich die Magnete unter Zuhilfenahme eines Akkubohrers schneller und präziser wickeln ließen und wandte diese Technik erfolgreich an. Die Enden der Magnete fixierte ich nun über einen Schrumpfschlauch.

Bei den folgenden Magneten erhöhte ich die Flussdichte der Magnetfelder durch eine Verkürzung der Magnete auf 4cm und durch eine höhere Windungszahl (jeweils annähernd 1000), was jedoch nur unter einer gleichzeitigen Verringerung des Drahtdurchmessers auf 0,2mm möglich war. Dazu lässt sich die magnetische Flussdichte einer langen Spule durchFormel Flussdichte annähern.

Der Widerstand der Kupferspule des neuen Elektromagnetentyps, der zuletzt auch entscheidend für den Stromverbrauch ist, lässt sich berechnen nach:Spulenwiderstand

Spezifischer elektrischer Widerstand Spezifischer elektrischer Widerstand

Querschnittsfläche des Drahtes Querschnittsfläche des Drahtes

Länge des Drahtes Länge eines Drahtes

Eingesetzt ergibt sich daraus für den Widerstand: Gesamtwiderstand (14,069 Ohm)

Die rechnerischen 14Ohm decken sich recht gut mit den von mir gemessenen Werten. Die Abweichung des elektrischen Widerstandes der Magnete lag selten über 10% was darauf hindeutet, dass die Drähte nicht an ungewollten Stellen abisoliert sind und dabei Teile der Spule über den inneren Eisenkern kurzgeschlossen werden.

Da ich die Stromstärke aus den vorherigen Versuchsanordnungen von 1-2A beibehielt, ist neben der erhöhten Flussdichte auch die benötigte Leistung angestiegen.

Elektromagnete Eigenwicklung Jugend-forscht Magnetbahn 2007

Die hier abgebildeten Elektromagnete sind größtenteils handgewickelt, kamen bei der endgültigen Bahn aufgrund ungeeigneter Eigenschaften nicht zum Einsatz.

Zur Herstellung der für den letzten Aufbau benötigten Elektromagnete half mir Thomas Dietz dabei, das Wicklungsverfahren über den Akkubohrer zu verfeinern, indem wir die Kupferrolle auf einer Metallstange lagerten und den Akkubohrer bzw. zeitweise auch den Handbohrer über Schraubzwingen fixierten. Das Verfahren lässt sich bei noch kürzeren Magnetkernen jedoch kaum mehr anwenden, da die Enden, an denen der Akkubohrer den Magnetkern greift, frei von Drähten sein müssen. Folglich würde bei kürzeren Magneten der Halt fehlen. Mithilfe der Drehbank, die sich die Physik-AG mittlerweile zugelegt hat, sind theoretisch leistungsfähigere, dickere und kürzere Elektromagnete herstellbar.

Ein Problem, dass den Herstellungsprozess aller Elektromagnete begleitete, waren die immer wieder reißenden Kupferdrähte. Ein erneutes Verbinden der Enden stellte sich als sehr unkomfortabel heraus, da die Magnete Beulen bekamen, die bei gleicher Windungszahl, wie bei den funktionierenden Magneten nicht mehr unter die Schiene passten. Riss der Draht also gegen Ende des Prozesses ab, musste der gesamte Magnet neu gewickelt werden.

Bei längerer Belastung der Magnete sind hohe Hitzeentwicklungen möglich. Sollte die Magnetbahn stecken bleiben und ein Magnet permanent aktiviert sein, so sind Hitzeentwicklungen möglich, die das Holz Feuer fangen lassen würden. Bereits nach 1-2 Minuten starker Belastung entsteht an einem Einzelmagnet eine Wärme, die zum Schmelzen von Lötzinn ausreicht.

3.2.2 - Entwicklungsphase

Grobe Nachstellung des ersten Versuchsaufbaus der Magnetbahn

Grobe Nachstellung des ersten Versuchsaufbaus unter Verwendung neuerer Magnete.


In der ersten Versuchsanordnung haben wir 2 Elektromagnete sowie 2 Reed Relais abwechselnd hintereinander platziert und eine H0 Schiene für die Lok mit einem Neodym Magnet auf das Brett gelegt. Die Reed Relais sollten nun den jeweils nachfolgenden Magnet schalten um die Bahn weiter nach vorne zu bewegen. Der Aufbau sollte zunächst nur die prinzipielle Machbarkeit aufzeigen.

Reed Relais:

Durchmesser:Durchmesser 5mm

Länge des Glaskörpers: Länge des Glaskörpers Reed Relais 70mm

Elektromagnet:

Durchmesser:Durchmesser Eisenkern Elektromagnet 8mm

Länge: Länge Elektromagnet 70mm

Widerstand: Widerstand 2,5 Ohm

Ansteuerung Schaltplan erster Versuchsaufbau

Dieses Konzept war jedoch ein Fehlschlag: Das durch die Elektromagnete erzeugte Feld war zum einen nicht stark genug, um das Fahrzeug ausreichend zu beschleunigen, zum anderen bremste das magnetische Material der Reed-Relais sowie der Eisenkern der Magnete das Fahrzeug in vielen Positionen stark ab. Letzten Endes war es über dieses Konzept möglich, die Anfangsgeschwindigkeit des Fahrzeuges am Ende der Strecke einigermaßen beizubehalten. Die Schaltung in der ersten Testphase entsprach im Wesentlichen der oben dargelegten Abbildung.

Da die Reed Relais längs zur Bewegungsrechtung des Fahrzeuges aufgestellt waren, konnte auf der Strecke nur die Hälfte an Antriebsmagneten platziert werden, wie es bei einer seitlichen Anbringung möglich gewesen wäre. Zudem stand das Magnetfeld des Neodymmagnetes nicht optimal zu den Reed Relais - in Folge dessen löste der Neodymmagnet bei einer Längsbewegung jedes Reed Relais mehrfach aus.

Als weitere Verbesserung schlug ich vor, die Magnete umzupolen, um das Fahrzeug nach dem Passieren des Magnetes auch abstoßen zu können - dazu waren zunächst jedoch 2 Netzeile erforderlich. Da ich trotz eines gewissen Unmutes bei den Anderen diesen Vorschlag für eine geeignete Lösung des Problems hielt, nahm ich das Magnetbahnprojekt selbst in die Hand.

Infolge dessen entwickelte ich eine Schaltung, in der die Stromrichtung in den Kupferspulen umgedreht werden konnte:

Magnetbahn Ansteuerung Schaltplan zweiter Versuchsaufbau

Elektromagnet:

Durchmesser:Durchmesser Elektromagnet 8mm

Länge: Magnetbahn Länge Elektromagnet 70mm

Widerstand: Widerstand des Kabels des Elektromagnetes der Magnetbahn ca. 4 Ohm

Reed Relais:

Durchmesser:Magnetbahn Reed Relais Durchmesser 5mm

Länge des Glaskörpers: Länge des Glaskörpers der Reed Relais zur Magnetbahn 50mm

Magnetbahn - Anwendung der zweiten Schaltung mit Erfolgreichen Verbesserungen und neuen FehlernMagnetbahn - Anwendung der zweiten Schaltung mit Erfolgreichen Verbesserungen und neuen Fehlern rechts im Bild: Fabian Preiß

Der Versuchsaufbau war im Wesentlichen erfolgreich, zum Schalten der seitlichen Reed Relais waren jedoch zwei zusätzliche seitlich angebrachte Magnete am Fahrzeug notwendig. Bei der Inbetriebnahme beider Netzteile ergab sich jedoch an einigen Stellen an der Magnetbahn ein Problem. Wurden zwei aufeinander folgende Reedrelais gleichzeitig geschaltet, kam es zu einem Kurzschluss, bei dem sich die Spannungen der beiden Netzeile addierten (in der Schaltskizze rot eingezeichnet). Ein weiteres Problem war nun auch, dass die magnetische Kraft zwischen den seitlichen Neodymmagneten und den Reed Relais ausreichte, um das Fahrzeug mitunter entgleisen zu lassen. Bei diesem Versuchsaufbau konnte ich das Problem zumindest einigermaßen durch ein Beschweren des Fahrzeuges sowie die korrekte Ausrichtung der Reed Relais und der Neodymmagnete verhindern. Da der Kurzschluss nur über eine kurze Zeitspanne eintrat, war die Bahn in der Lage, aus den meisten Positionen anzufahren und eine geringe Geschwindigkeit zu erreichen.

Ich entwickelte die Schaltung in einer Form weiter, dass ich durch zusätzliche Relais auf kleinere bzw. weniger belastbare Reed Relais zurückgreifen konnte, von denen das Fahrzeug in seinem Fahrverhalten weniger beeinflusst wurde. Um eine gegenseitige Induktion zu verhindern, brachte ich die neuen Magnete in einem Abstand von drei Zentimetern an.Magnetbahn Weiterentwicklung der Schaltung Fabian Preiß Jugend-forscht 2007

Elektromagnet:

Durchmesser:Elektromagnet Durchmesser 8mm Magnetbahn

Länge: Elektromagnet - Magnetbahn Länge 40mm

Widerstand: Kabelwiderstand des Elektromagnetes (Magnetbahn) 14 Ohm

Reed Relais:

Durchmesser:Reed Relais Durchmesser Glaskörper 5mm

Länge des Glaskörpers: Reed Relais Länge des Glaskörpers 50mm

Die neue Schaltung habe ich weiterhin so konstruiert, dass eine überbrückung der Magnete wie bei der vorherigen Schaltung nicht mehr möglich war. Dies erlaubt auch die Anbringung von beliebig vielen Antriebsmagneten im Fahrzeug, so lange die seitlichen Magnete auf die Abstände der Reed Relais abgestimmt sind. Bei einem geeigneten Verhältnis der Abstände zwischen den Antriebsmagneten im Fahrzeug zu den Abständen von 7cm zwischen den Elektromagneten ist auch ein Start des Fahrzeuges aus jeder beliebigen Position möglich.

Ein Nachteil der Magnetbahnschaltung ist, dass sich die Beschleunigungsrichtung des Fahrzeuges nur über eine Umkehrung der Neodymmagnetausrichtung möglich ist.

Testaufbau des neu entwickelten Systems der Magnetbahn mit zwei Magneten und 4 Relais Umpolung der Magnete funktionierte problemlos

Um bei der endgültigen Strecke keine Überraschungen mit der entwickelten Technik zu erleben, testete ich den Aufbau anhand einer weiteren kleinen Plattform mit 2 Magneten und verstellbaren Reed Relais. Die Kabel habe ich absichtlich lang gehalten, um bei möglichen Veränderungen auf die Bauteile einen einfacheren Zugriff zu haben. Eine erneute Entnahme der Magnete lässt sich dadurch auch erreichen, ohne große Teile der Kabel des restlichen Aufbaus abzulöten.

Bei dem finalen Aufbau haben Gregor Brettschneider und Thomas Dietz einen Großteil der Holzarbeiten übernommen. Auch wenn in meinen Planungen die Kabel eigentlich unter der Bahn verlegt werden sollten, habe ich den Grundaufbau dankend angenommen.

Aus dem tunnelartigen Aufbau der Bahn folgte leider das Problem, dass einige Elemente für den Betrachter kaum einsichtig und daher auch schwer zu fassen waren.

3.2.3. - Virtualisierung

Um dem Betrachter einen besseren Einblick in den Aufbau der Magnetbahn zu ermöglichen, habe ich mich zusätzlich mit dem Grafik-Programm Milkshape 3D beschäftigt. Bevor ich die Bauteile des letzten Magnetbahnmodells in das Holzgestell einbaute, skizzierte ich die Bahn in groben Zügen nach, wobei ich die Proportionen größtenteils nur geschützt habe. Die Elektromagnete sollten zu diesem Zeitpunkt noch eine Länge von 7cm haben, zudem bin ich von nur 10 Stück statt der später verwendeten 12 ausgegangen. Auch auf die Verwendung von Texturen verzichtete ich zunächst.

erste Visualisierung zur Magnetbahn in Milkshape 3D

Da sich die Schule während der Wochenenden nicht betreten lässt, habe ich unter der Woche in der Schule die Magnetbahn erstellt, während ich an den restlichen Tagen die zuvor gemessenen Strecken der Komponenten maßstabsgetreu in Milkshape übernahm.

Die Grundlagen von 3D-Programmen wie z.B. Milkshape, 3ds Max oder SolidWorks lassen sich dabei in Kürze wie folgt beschreiben:

Eine korrekte dreidimensionale Darstellung von Objekten benötigt eine geometrische Modellierung über einzelne Dreiecke (Triangles), deren Eckpunkte (Vertices) durch jeweils 3 Raumkoordinaten festgelegt sein müssen. Diese Dreiecke haben in den meisten Grafikprogrammen die Eigenschaft, dass sie nur eine sichtbare Seite besitzen - von der Rückseite aus betrachtet sind sie also durchsichtig. Komplexe Objekte (zumeist dargestellt durch NURBS) können auch mit gewölbten flächen, so genannten Freiformflächen umgehen. SInterface von Milkshape 3D

Benutzeroberfläche von Milkshape 3D - die 3D-Mesh wird aus 4 Perspektiven gezeigt, um dem Benutzer die genaue Lokalisierung von Punkten zu ermöglichen. In den ersten 3 Ansichtsfenstern ist die Mesh als Drahtgittermodell zu sehen.

Das vierte Fenster zeigt die Bahn im texturierten Zustand.

ie werden programmintern über Funktionen zur dreidimensionalen Kurvendarstellung gespeichert. über Iterationsverfahren lassen sich diese Freiformflächen wiederum mithilfe von angenäherten Polygon- oder Dreiecksnetzen beschreiben, deren Exaktheit in der Darstellung jedoch durch die Rechenleistung der Computer beschränkt ist. Polygonale Netze benötigen zur Darstellung zwar eine geringe Rechenzeit, lassen sich aber bei komplexeren Objekten nur noch schwer bearbeiten, daher sind sie im Gegensatz zu NURBS- Objekten zur Entwicklung von Bauelementen eher ungeeignet. Milkshape unterstützt nur die Bearbeitung Triangulärer Netze, während 3ds Max sowohl NURBS- Objekte, als auch Polygonale Netze bearbeiten kann. Mit Solid Works und Solid Edge hingegen werden sämtliche Objekte über NURBS dargestellt und durch Baugruppen verknüpft.

Nachdem ich die Bahn als Drahtgittermodell maßstabsgetreu auf den Computer übertragen habe, fehlte noch die Struktur der Materialien. Diese lassen sich durch den Prozess der so genannten Texturierung aufbringen. Dabei werden 2D-Grafiken (Texturen) auf die Dreiecke bzw. Polygone der 3D Mesh projiziert. Die genaue Ausrichtung der Texturinformationen Vorgang läuft über das so genannte uvw-Mapping Verfahren ab, dabei kann jedem Vertex (Punkt) eine Koordinate im uvw-Raum zugeordnet werden. für die Ausrichtung zweidimensionaler Bildinformationen ist die genaue Position der Vertices jedoch nur für die uv-Koordinaten relevant. Um eine möglichst hohen Realismusgrad der Materialien zu erwirken, ist zumeist die Anpassung der Bildinformationen über externe Grafikprogramme notwendig.

Oberfläche des UVW-Mapping Programms Lith Unwrap

Benutzeroberfläche von LithUnwrap - den einzelnen Vertices einer nachgebauten Leistungsdiode werden über das so genannte uvw-Unwrap-Verfahren Koordinaten in einem zusätzlichen 2-Dimensionalen Raum zugewiesen. Im Folgenden wird das so erstellte Drahtgittermodell in einem Grafikbearbeitungsprogramm mit den entsprechenden Bildinformationen versehen.

Da sich die Ausrichtung der uvw-Koordinaten in dem Programm Milkshape sehr unkomfortabel darstellt, habe ich zunächst auf das kostenlose aber mittlerweile veraltete Programm LithUnwrap zurückgegriffen.

3.2.4. - Finaler Versuchsaufbau

Erst nachdem ich zeigen konnte, dass das neue System wie geplant funktionierte, habe ich das System auch in einem größeren Maßstab mit insgesamt 12 Elektromagneten über eine Streckenlänge von 82cm aufgebaut.

Magnetbahn zum Zeitpunkt der Fertigstellung mit 12 Elektromagneten

Das Bild zeigt die Magnetbahn während ihrer Fertigstellung an meinem Arbeitstisch.

Für die Verkabelung habe ich dabei nur ca. eine Woche benötigt, in der ich jedoch sehr intensiv gearbeitet habe.

Die Kabelverbindungen, Platinen und Relais oberhalb der Bahn brachten jedoch auch den Nachteil mit sich, dass spätere Korrekturen im inneren Bereich der Bahn, wie z.B. die genaue Ausrichtung der Reed Relais mit einem Abbau der sich darüber befindlichen Elektronik verbunden war.

Seitlich der Strecke habe ich zurechtgeschnittene Lochrasterplatinen mit jeweils 3 eingelöteten Reed Relais über Holzstangen angebracht. Durch die Lochrasterplatinen konnte ich die Abstände zwischen den Schaltern relativ genau anpassen, während die Befestigung über Holzstangen auch im Nachhinein eine Auswechslung oder Änderung der Platinenausrichtung ermöglicht.

Die Magnete liegen längs unterhalb der Bahn und sind beidseitig mit Holzblöcken eingekeilt. Eine weitere Auffälligkeit am Aufbau der Magnetbahn sind die 6 Strom leitenden Stangen, die im Wesentlichen den 3 Hauptschaltkreisen zugeordnet werden können.

Finale Testversuche des Projektes Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung (Jugend-forscht 2007)Vergleichsbild - Magnetbahn in der Computerdarstellung

Die gebaute Magnetbahn im Vergleich zum 3D-Modell

Bei Geschwindigkeitsmessungen bei einer Spannung von 15V beim ersten und 19V beim zweiten Netzteil, konnte ich nach der Strecke von 84 cm über eine Lichtschranke die Verdunklungszeit durch einen 1cm dicken Papierstreifen messen und eine Endgeschwindigkeit von ca. 9km/hbestimmen. Nach Beschleunigungsberechnung ergibt sich für die Beschleunigung: Beschleunigungsberechnung Mittelwert Magnetbahn: (a=3,72m/(s^2)), was immerhin ca. 37,9% der Fallbeschleunigung entspricht.

3.3. - Teilnahme am Regionalwettbewerb Düsseldorf 2007

Am 21.2 trat ich mit dem Projekt "Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung" am Jugend-forscht-Wettbewerb in Düsseldorf im Fachbereich Technik an.

Regionalwettbewerb Düsseldorf 2007 Thyssen-Krupp Magnetbahn (Technik Platz 2) Physik AG - Fabian Preiß

Neben der Magnetbahn baute ich an meinem Stand den Laptop mit einer in 3Ds Max gerenderten Animation der Magnetbahn auf, die die Magnetbahn aus unterschiedlichen Perspektiven zeigte und so einen Blick auf den inneren Aufbau ermöglichte.

Kritikpunkte der Jury waren die komplizierte Stromversorgung, die sich in einem größeren Umfang so nicht umsetzen ließe, sowie die fehlende Möglichkeit, das Fahrzeug von außen entgegengesetzt zu beschleunigen, was bei dieser Bahn nur durch das Drehen der Neodymmagnete möglich ist.

Mit einem zweiten Platz im Fachbereich Technik, (der erste Platz wurde an Matthias Kampa vergeben, der es dieses Jahr mit seinem Mikroplasmaschweißgerät bis zum Bundeswettbewerb schaffte,) war ich dennoch recht erfolgreich. Darüber hinaus erhielt ich erneut den Sonderpreis der Quelle Innovationsstiftung.

Durch die Beteiligung ThyssenKrupps an Bau und Entwicklung des Transrapids in München sowie durch meine überzeugende Arbeit, erhielt ich vom örtlichen Personalleiter eine Visitenkarte mit dem Versprechen, die Entwicklungsabteilung in Karlsruhe besuchen zu können. Durch den Unfall und das durch die Kostenexplosion verursachte Scheitern des Transrapids in München kam dieser Besuch bisher jedoch noch nicht zustande, stattdessen erhielt ich Literatur und Informationsmaterial, welche meine Grundlage zur Facharbeit wurden.

3.4. - Effizienz eines Transrapids im Vergleich zum Rad-Schiene-System

Herr Dr. Ensslin warf während meines Projektes die Fragestellung auf, ob ein Fahrzeug, das wie der Transrapid dauerhaft in der Schwebe gehalten werden muss, nicht allein durch den zum Schweben benötigten Energieaufwand einen schlechteren Wirkungsgrad im Vergleich zu einem schienengebundenen System hat. Da meine Magnetbahn nicht in der Lage war, zu Schweben und ich von ThyssenKrupp Hintergrundliteratur zum Transrapid erhalten habe, untersuchte ich die Fahrwiderstände der beiden Systeme bei so weit wie möglich vergleichbaren Fahrzeugtypen. Verglichen habe ich dabei den Transrapid TR08 (435 Sitzplätze - 5 Sektionen) mit dem ICE3 (431 Sitzplätze - Baureihe 406 - 6 Mittelwagen) mit dem Kriterium des Gesamtfahrwiderstandes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Da ich in meiner Facharbeit die Fahrwiderstände bereits detailliert hergeleitet habe und diese im Anhang zu finden ist, fehlen im folgenden Abschnitt einige Konstanten und Zwischenschritte bei der Herleitung der Fahrwiderstände.

Der Fahrwiderstand des Transrapids berechnet sich im Wesentlichen aus der Summe von Luftwiderstand, Schwebewiderstand und dem Magnetisierungswiderstand.

Der Schwebewiderstand des Transrapids aus meinem Beispiel ließ sich angenähert bestimmen durch: Schwebewiderstand Transrapid mit fs(v) Mit v in [km/h]

für den Luftwiderstand erhielt ich aufgelöst die Funktion: Luftwiderstandsberechnung Transrapid

Mit v in [km/h]

Der Magnetisierungswiderstand des gewählten Beispiels entsprach ungefähr der Funktion: Magnetisierungswiderstand Transrapid Mit v in [km/h]

Durch Einsetzen erhält man folgende Formel für den Gesamtwiderstand:

Formel für den Gesamtwiderstand des oben genannten Transrapids[N] (beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit).

Graph der Funktion zum Gesamtwiderstand des oben berechneten Transrapids

Widerstandskraft F [N]

Zur Bestimmung des Fahrwiderstandes des ICEs werden Grundwiderstand und Luftwiderstand addiert.

Dabei ergibt sich mit eingesetzten Konstanten für den Luftwiderstand des ICEs die Gleichung für den Luftwiderstand:Luftwiderstand eines ICEs nach oben genannten Angaben Mit v in km/h.

Es fällt auf, dass der Faktor von 7,35 im Vergleich zu dem des Transrapids von ca. 4,548 wesentlich höher ausfüllt. Grund dafür sind die fehlenden Stromabnehmer und Räder beim Transrapid.

 

Mit v in km/h

Der Grundwiderstand setzt sich im Wesentlichen zusammen aus der Summe des Rollwiderstandes, des Lagerwiderstandes, des Gleitwiderstandes und des dynamischen Widerstandes, wobei die letzteren drei in der Literatur von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges weitestgehend unabhängig sind und ist abhängig vom Gewicht des Fahrzeuges. für die Summe der letztgenannten drei Widerstände ergab sich eine Widerstandskraft von Grundwiderstandsberechnung des ICEs, die Rollwiderstandskraft ergibt sich aus Rollwiderstand Formel mit Rollwiderstand Funktion mit eingesetzten Konstanten

und der Gewichtskraft vonGewichtskraft ICE.

für den Fahrwiderstand des gewählten ICEs ergab sich folgende Formel:Fahrwiderstandsfunktion ICE+Formel zur Berechnung des Luftwiderstandes Kurzform[N]

Graph zur Fahrwiderstandsfunktion

Widerstandskraft [F] in N

Geschwindigkeit [v] in km/h

Durch den Vergleich der beiden Diagramme bin ich zu dem Schluss gekommen, dass das verringerte Gewicht des Transrapids durch fehlende aus Vollgusseisen bestehende Räder sowie die fehlende Radaufhängung in Verbindung mit dem deutlich verringerten Luftwiderstand bereits bei kleinen Geschwindigkeiten einen besseren Wirkungsgrad aufweisen kann, als der ICE. Erst bei Geschwindigkeiten unterhalb von 60 km/h fällt der Verlust beim Transrapid durch den Schwebemechanismus deutlich ins Gewicht. Bei dem Vergleich gibt es jedoch einige Einschränkungen, die insbesondere durch die aus der Literatur entnommenen Konstanten herrühren, da die Ermittlungen einiger dieser Konstanten durch äußere Einflüsse nur sehr grob stattfinden können. Aufgrund verschiedener Quellen und Widerstandswertbestimmungen, so wie durch die fehlende Miteinbeziehung des Generatorwiderstandes beim Transrapid decken sich die Ergebnisse nicht vollständig mit den Quellen. Ich kam zu dem Ergebnis, dass der Wirkungsgrad beider Systeme unterhalb von 250km/h am Höchsten ist. Richtig genutzt werden können die Vorteile des Transrapids gegenüber dem Rad-Schiene-System jedoch erst, wenn die Halteabstände ausreichend groß sind.

3.5. - Fazit

Da die Magnetbahn trotz einiger ungeklärter Fragen im Bezug auf die Umsetzung in einem größeren Maßstab bzw. die fehlende Möglichkeit eines "Rückwärtsganges" einen ähnlich ertragreichen Sieg, wie das Vorjahresprojekt erzielen konnte, sollte das Magnetbahnprojekt fortgesetzt werden. Aufgrund des bereits gekauften "Tante Paula" -Rollers und dem Ziel das Brennstoffzellenprojekt fortzuführen, entschied ich mich zugunsten des Brennstoffzellenrollerprojektes, die Fortführung der Magnetbahn der neuen Schülergeneration unserer Physik-AG zu übertragen und dieser bei technischen Fragen zur Seite zu stehen. Bisher konnte diese Gruppe jedoch noch keine sichtbaren Erfolge erzielen. Mit meiner Facharbeit zum Vergleich der beiden Systeme schloss ich das Magnetbahnprojekt fürs Erste ab.

4. - Jugend-forscht 2007/2008 - "Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller"

4.1. - Einleitung zum Hybrid-Brennstoffzellen-Roller

Als Fortsetzung unseres Jugend-forscht-Projektes von 2005/2006 griffen wir dieses unter dem Namen "Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller" neu auf. Dazu hat sich zunächst einmal die Teamzusammensetzung geändert: Mats Marcus, den ich bereits seit Ende meiner Grundschulzeit kannte und mit dem ich mich schon vor mehr als 7 Jahren zu meiner Zeit am Gymnasium Schwertstraße in Solingen zur Beschäftigung mit elektronischen Steuerungen zusammensetzte, stieß als festes Mitglied zu der Physik-AG hinzu und nutzte die dort vorhandenen Möglichkeiten, um aufwändigere elektronische Steuerungen zu entwickeln.

Mit der neuen Teamaufstellung setzen wir uns das Ziel, einen Hybrid-Roller zu entwickeln, der im Wesentlichen sowohl ohne Akku, als auch ohne Brennstoffzelle fahren kann und beim Vorhandensein beider Energiequellen die Vorteile der einzelnen kombiniert. Dazu sollten jedoch eine vollständig überarbeitete Technik, sowie eine rundum erneuerte Elektronik notwendig sein.

4.2. - Bauelemente

Da ich bereits in Punkt 2.2. auf die wesentlichen Grundlagen der technischen Komponenten (Brennstoffzelle, Kompressor, Metallhydridspeicher, Druckminderer und Pneumatik) eingegangen bin, sind hier in diesem Zusammenhang nur Beschreibungen zu den technischen Neuerungen zu finden.

4.2.1. - Tante Paula Elektroroller

Bei dem zum neuen Projekt verwendeten Roller handelt es sich um einen Tante Paula Elektroroller vom Typ Ferdinand I mit einem 500 Watt starken 24 Volt Elektromotor. Durch eine Drehzahlbegrenzung des Motors ist die Geschwindigkeit jedoch auf 20km/h beschränkt. Der integrierte Freilauf verhindert zudem eine Rückspeisung der Bremsenergie. Die werksmäßig eingebauten Bleiakkus befinden sich unterhalb des Fußraumes in einer dafür vorgesehenen Halterung. Das Gewicht des serienmäßigen Rollers liegt bei ca. 25kg.

4.2.2. - Elektronik

Die größte technische Neuerung im Vergleich zum vorangegangenen Roller liegt in der erneuerten Elektronik. Die durch das ZBT entwickelte Elektronik ersetzten wir durch eine Eigenentwicklung mit einem ATMega32 mit 40 Pins als Steuerungseinheit.

Gewichtskraft ICE

Damit war es auch möglich, zusätzliche Funktionen einzubauen, wie z.B. die Ansteuerung eines externen Displays oder die Herstellung einer Verbindung mit einem Laptop über die serielle Schnittstelle zur Fehlerverfolgung oder direkten überspielung des Programmcodes.

Durch die 2 integrierten PWM-Einheiten ist es des Weiteren auch möglich, über Leistungs- MOSFETs Kompressor und Motor regelbar anzusteuern. Da der Motor auf eine maximale Leistung von konstanten 500 Watt bei 24 Volt ausgelegt ist, dürfen MOSFETs, Elektronik und Brennstoffzelle mit kurzzeitigen Leistungsspitzen von 40A bei voller Belastung keinen Schaden nehmen. Die verwendeten irf4905 können daher Ströme von bis zu 74 Ampere schalten und werden aktuell mit einer Frequenz von ca. 125 Hz angesteuert. Durch die Verwendung mehrerer dieser MOSFETs, die parallel geschaltet sind, reduziert sich die Verlustleistung, die bei einem einzelnen MOSFET durch den Widerstand von 0,02Ohm bei bis zu 10Watt liegen würde. Zur Sicherheit sind sie dennoch auf einer Aluminium-Platte zur Kühlung befestigt.

Da die Spannung der Akkus und der Brennstoffzelle bei Belastungen schwanken und im Wesentlichen nur die Leistungselektronik mit 24 Volt arbeitet, sind auf der unteren Platine 3 Schaltregler verbaut, die im Gegensatz zu Linearreglern einen hohen Wirkungsgrad von bis zu mehr, als 85% haben. während zwei Regler für die interne Versorgung zuständig sind und Ausgänge von 5 bzw. 12 Volt haben, ist der "Zigarettenanzünder" im Fahrzeug über einen Regler am Display stufenlos zwischen 2,5 und 19,5 Volt regelbar. Dieser eignet sich, da er sich mit bis zu 5 Ampere belasten lässt auch zum direkten Anschließen eines regulären Notebooks.

Der Hybrid Brennstoffzellenroller zur Petersburger Convention mit eingeschaltetem Display
Eine weitere Besonderheit im Vergleich zu dem vorangegangenen Roller ist das Display Panel, welches auch während der Fahrt eine direkte Einsicht auf verschiedene Werte ermöglicht. Dazu gehören die Anzeige der Brennstoffzellentemperatur, die Brennstoffzellen und Akkuspannung sowie die Motor- und Pumpleistung. Neben den Zahlenwerten ist auch eine Ausgabe über Balkendiagramme möglich.

einzelner Lithium Polymer Akku des Hybridrollers (Judend-forscht 2008

Bei den verwendeten Akkus handelt es sich um 7 in Reihe geschaltete Lithium Polymer-Akkus mit einer Spannung von jeweils 3,7V bei 1,9Ah. Dieser Akkutyp hat eine enorm hohe Leistungsdichte, ist jedoch ebenfalls sehr empfindlich gegenüber Tiefentladungen, Kurzschlüssen, Belastungen durch hohe Temperaturen und mechanische Einwirkungen. Bei unsachgemäßer Handhabung können sie sich in ähnlicher Form entzünden, wie Lithium-Ionen Akkus.

4.2.3. - Montageteile und Anbringung wichtiger Komponenten

Aufhängung des Brennstoffzellenstacks durch Schwingelemente (3D Darstellung 3ds Max)

Da Brennstoffzelle und Elektronik stoßempfindlich sind, benötigten wir geeignete Halterungen, die vor äußeren mechanischen Einwirkungen einen gewissen Schutz bieten. Dazu entschieden wir uns, die Bauelemente durch senkrechte Schwingelemente mit einer Härte von 45 Shore zu entkoppeln. Die Brennstoffzelle wurde anstelle der ITEM-Profile aus dem vorrangegangenen Projekt an 4 Punkten mit Hilfe von C-Profilen aus Aluminium an den Schwingelementen fixiert. Das Bodenblech haben wir dafür zum Einpassen der Brennstoffzelle entfernt. Diese Lösung war zum einen stabiler, als die Vorrangegangenen und zum anderen wesentlich leichter, zudem konnten wir den gegebenen Platz auf diese Weise gut nutzen.

Auch für die Elektronikbox und das Display nutzten wir vergleichbare Aluminiumprofile. In Verbindung mit Plexiglas konnten wir eine brauchbare Stabilität erzielen, ohne dabei die Optik zu zerstören, wie dies bei Holzbauteilen der Fall gewesen wäre.

Display und Wasserstoffflasche befestigten wir mit Rohrschellen am Fahrzeug. Durch die Unterbringung der Gasflasche unterhalb des Bodenbleches ist eine Beschädigung der Druckflasche, auch bei einem starken Aufprall, äußerst unwahrscheinlich.

4.2.4. - Zubehör

Elektronik und Brennstoffzelle werden durch insgesamt 8 Axiallüfter mit den maßen 60mm x 60mm x 10mm gekühlt. Die Temperatur der Box und der Brennstoffzelle werden permanent gemessen - ab einer in der Software festgelegten Temperatur erhalten sie statt der 5Volt eine Spannung von 12Volt. Ihre Drehzahl ist jedoch bei beiden Spannungen so gering, dass ihr Geräusch kaum wahrnehmbar und durch die Pumpe nicht mehr zu hören ist.

Eine besondere Auffälligkeit am Roller ist die Beleuchtung. Dabei kommen für das Brems- bzw. Rücklicht und die vordere Beleuchtung Spider LEDs zum Einsatz. In vorangegangenen Entwicklungen verwendeten wir leistungsstarke P4 LEDs, die jedoch durch mechanische Belastungen beim Einbau und ihre labilen Gel Linsen reihenweise zerstört wurden.

Optisch aufgewertet wird der Roller durch 10 Kaltlichtkathoden, die zu Leuchten beginnen, wenn das Gaspedal über einen Zeitraum von 30 Sekunden nicht genutzt wird.

Beleuchtung des Hybrid Brennstoffzellenrollers - links im Bild der Metallhydridspeicher zur Wasserstoffversorgung der PEM-Brennstoffzelle rechts im Bild Mats Marcus

4.3. - Entwicklung und Aufbau

Pressefoto von 3M mit Bürgermeister Günther Scheib, Schulleiter Karl Heinz Rädisch, Physik AG-Leiter Herr Dr. Johann Pleschinger, Tobias Bach, Wolfgang Koch (Schulministerium NRW), Thomas Dietz und Fabian Preiß (von links nach rechts)

Pressefoto von 3M [5] mit Bürgermeister Günther Scheib, Schulleiter Karl Heinz Rädisch, Physik AG-Leiter Herr Dr. Johann Pleschinger, Tobias Bach, Wolfgang Koch (Schulministerium NRW), Thomas Dietz und mir (von links nach rechts)

Nach der Teilnahme am Regionalwettbewerb 2006 bauten wir die Komponenten vom ZBT von unserem ersten Roller ab und auf einer Holzplatte auf, um die genauen Mechanismen nachzuvollziehen und daraus die Anforderungen für die neue Elektronik ableiten zu können, dazu war es im Vorfeld notwendig, die Verkabelungen exakt zu vermerken. Ein weiteres Vorhaben, welches jedoch an der Lenkung scheiterte war der Bau eines 4-rädrigen Fahrzeuges, bei dem Herr Dr. Pleschinger zusammen mit Thomas Dietz und Gregor Brettschneider den alten Roller mit einem zweiten baugleichen, den zuvor 3M für eigene Zwecke angeschafft hatte zu verschweißen. Die minderwertige Qualität des Fahrzeuges machte die Anschaffung eines besseren Rollers erforderlich.

Im Rahmen von der durch 3M organisierten Veranstaltung "Perspectives" stellten wir neben der Magnetbahn auch den sich noch im Originalzustand befindlichen Tante-Paula-Roller aus und nutzten über die alte Elektronik zum ersten Mal die Brennstoffzelle als dessen Energiequelle.

Nachdem Mats Marcus der Physik AG beitrat, erklärten wir ihm die genauen Anforderungen an die Elektronik, die wir zunächst in Form von bis zu 8 Platinen mit Abmessungen von 8cm x 10cm umsetzen wollten, von denen wir auch einen Großteil herstellten. Da sich deren Unterbringung jedoch als sehr schwierig erwies, gingen wir dazu über, die Elektronik auf 2 Platinen der jeweils 4-fachen fläche zu entwickeln. Ein Problem dabei stellte die Freeware-Version des Programms Eagle dar, da die maximale Größe der Platinen dort auf 8cm x 10cm beschränkt ist. Wir umgingen dieses Problem, indem wir jeweils 4 dieser Einzelplatinen auf einer Platine mit den Abmaßen von 16cm x 20cm zusammenfassten. Diese Entwicklung und das damit verbundene ätzen, Bohren und Verlöten der Platinen nahm verhältnismäßig viel Zeit in Anspruch. Da auch der Einbau der Brennstoffzelle über die Schwingelemente durch die zu diesem Zeitpunkt noch fehlenden Swagelok-Bauteile nicht möglich war und die genauen Ausmaße der Elektronik nicht abgeschätzt werden konnten, gingen die Entwicklungen an der Pneumatik und den restlichen Baugruppen in dieser Zeit eher langsam voran. Die Befestigungen der Wasserstofflasche, sowie das Zurechtschneiden der Fußablage konnten wir jedoch bereits früh fertig stellen.

Der Einbau der Brennstoffzelle machte schließlich auch das Entfernen eines Teils des Schutzbleches erforderlich, an dem wir neben dem Kompressor auch die Rückleuchte sowie einige Kaltlichtkathoden anbrachten.

Zur Unterbringung der Elektronik sahen wir eine durch Schwingelemente gedämpfte Plexiglasbox mit seitlichen Aluminiumprofilen vor, deren Deckel sich durch zwei Schrankscharniere öffnen lässt. Etwa zeitgleich begann Tobias Bach, die Pneumatik über das 3d-Programm SolidWorks zu visualisieren.

Die umfangreiche Elektronik machte eine einzigartige Software notwendig, die auf die Anforderungen von Display, Brennstoffzelle und Motor optimal zugeschnitten ist. Dazu besitzt der Mikrocontroller einen freiprogrammierbaren Speicher von 32kB. Die Programmierung und Konvertierung in Maschinencode vollzog sich über das Programm BASCOM-AVR in einer Basic-ähnlichen Programmsprache. Der entstandene Programmcode hat mittlerweile einen Umfang von mehr als 2000 Zeilen.

Verkabelung der Leistungselektronik zur Kühlplatte

Die Verkabelung zwischen den 2 Platinen und der Bodenplatte erschwerte die folgenden Arbeiten an der Elektronik massiv.

Da die Elektronik, trotz einiger Bemühungen, immer noch mit einem Kabelchaos verbunden war und die untere Platine durch ein Versehen spiegelverkehrt hergestellt wurde, sowie durch über 80 Drähte mit Bauteilen auf der darunterliegenden Aluminiumplatte angeschlossen war, entschieden wir uns, eine überarbeitete Platine zu entwickeln, bei der ein Zugriff auf die Bauteile nicht durch versteifende Drähte erschwert wird.

Elektronik Platinen gestapelt Der Hybrid Brennstoffzellenroller

über den y-t-Schreiber aus der Physik zeichneten wir vor dem Landeswettbewerb die von der Brennstoffzelle abgegebenen Ströme unter verschiedenen Belastungen auf. Die Brennstoffzelle war zu diesem Zeitpunkt jedoch bereits beschädigt.

Diagramm - Aufnahme verschiedener Vorgänge im Rahmen der Physik AG des Helmholtzgymnasiums Hilden (Projekt Jugend-forscht 2008

Aufgrund der technischen Mängel, die im Einsatz der Platine über die Zeit hinweg zum Vorschein gekommen sind, entwickelten wir eine neue Elektronik, die wir zwar weitestgehend fertig stellen konnten, aber zugunsten des Folgeprojektes nicht mehr eingebaut, getestet oder programmiert haben.

Verworfene Leistungselektronik des Hybridbrennstoffzellenrollers (Entwicklung Mats Marcus)

Die in ihrer Entwicklung mit viel Aufwand verbundene Verbesserung der Rollerelektronik kam nicht mehr zum Einsatz.

4.4. - Eigene Schwerpunkte

Meine Aufgaben im Bereich der Elektronik konzentrierten sich auf die chemische Herstellung der Platinen, das Bohren, sowie einen Teil des Bestückens selbiger. An der Vermerkung der Verkabelung der ZBT-Elektronik war ich ebenfalls maßgeblich beteiligt.

Ein weiterer Schwerpunkt war die Halterung und Entkopplung von Brennstoffzelle und Elektronik, das Belüftungssystem selbiger, sowie die Unterbringung der Wasserstoffflasche.

Durch die Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt hatte ich neben Tobias das meiste Know-how im Umgang mit der Brennstoffzelle.

Weitere erwähnenswerte Aufgabenbereiche, mit denen sich Tobias und ich in ähnlicher Form beschäftigt haben sind Aufbau und Anbringung des Display-Panels, sowie die Befestigung der Kaltlicht-Kathoden und die Fertigung einiger Zwischenentwicklungen der Beleuchtung.

Regionalwettbewerb 2008 Düsseldorf Technik der Hybridbrennstoffzellenroller Jugend-forscht Platz 1 (im Bild Mats Marcus)

4.5. Wettbewerbe und Ausstellungen

Am 20.2.2008 fand der Regionalwettbewerb in Düsseldorf statt, bei dem wir den ersten Platz in Technik (und damit die Qualifikation für den Landeswettbewerb) erreichten, sowie den mit 50 Euro dotierten Sonderpreis für Umwelttechnik erhielten. Wie beim vergangenen Roller lief auch dieser Wettbewerb nicht völlig problemlos ab, da ein Leistungs-MOSFETS, der sich an einer schwer zu erreichenden Stelle befand, Schaden nahm und dem Motor permanent die volle Leistung zur Verfügung stellte. Die Folge war, dass wir der Jury zunächst einen unfreiwillig spektakulären Start mit durchdrehenden Rädern präsentieren mussten. Durch die Lokalisierung des defekten MOSFETS nach dem ersten Rundgang und dessen Entfernung aus dem Stromreislauf konnten wir die Jury bei ihrem zweiten Rundgang von dem Hybrid-Brennstoffzellen-Roller überzeugen.

Etwa zwei Wochen später kam es jedoch zu einem anderen, weitaus gravierenderen Problem:

Ausgelöst durch einen durch unsachgemäße Handhabung erzeugten Kurzschluss, der zu diesem Zeitpunkt bereits mehr als zwei Jahre zurücklag und eine der Zellen zum Rauchen brachte, bildete sich ein Hotspot, der sich langsam in der Zelle ausbreitete und den Katalysator der Membranen ablöste. In dessen Folge brach die Leistung der Brennstoffzelle bis zum Landeswettbewerb (31.3.2008 bis 3.4.2008) um bis zu zwei Drittel ein und beschädigte den Stack dauerhaft, in dessen Folge wir in Leverkusen deutlich schlechter aufgestellt waren. Anstelle von destilliertem Wassers verließ regelmäßig schwarzbräunliches Wasser die Brennstoffzelle. Mit einem zweitem Platz im Landeswettbewerb, sowie einem Sonderpreis der Eduard-Rhein-Stiftung konnten wir dennoch verhältnismäßig gut abschneiden.

Photoshooting beim Landeswettbewerb 2008 in Leverkusen (Technik Platz 2 - Der Hybridbrennstoffzellenroller)

Pressefoto vor dem Besucherzentrum "Baycom" (Bayer AG) in Leverkusen

Auf der Wärmebildaufnahme ist im rechten Teil der Zelle eine deutlich erhöhte Temperatur festzustellen, die bereits an der Oberfläche der Brennstoffzelle bei etwa 37°C liegt. Eine genauere Untersuchung des Stacks durch das ZBT ergab, dass sämtliche Zellen defekt waren.

Am 16.6.2008 stellten wir den Roller am Tag der Technik, organisiert von der IHK (Industrie- und Handelskammer) Düsseldorf, erneut vor. Da an einem Stand eine Wärmebildkamera aufgebaut war, nutzten wir die Gelegenheit, um die Zelle auf Hotspots zu überprüfen.

Wärmebildaufnahme (durch FH Düsseldorf am Tag der Technik) des defekten Brennstoffzellenstacks PEM-Brennstoffzelle

Da die Zelle durch ihren Defekt nicht mehr zu gebrauchen war und die verringerten Leistung auch mit einem starken Wirkungsgradverlust verbunden war, erhielten wir von ZBT und 3M wenige Tage vor der Eröffnung des angrenzenden Neanderlabs einen funktionsfähigen Brennstoffzellenstack, den wir erfolgreich einbauen und in Betrieb nehmen konnten:

Einbau eines neuen PEM-Brennstoffzellenstacks mit freundlicher Unterstützung von ZBT und 3M

Bei der Eröffnungsveranstaltung des Neanderlabs im neben dem Helmholtz-Gymnasium gelegenen Berufscollege, ist der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller auf ein breites Interesse von Besuchern und Presse gestoßen. Gegen Ende der Veranstaltung wagten Prof. Dr. Andreas Pinkwart - Minister für Innovation und stellvertretender Ministerpräsident NRWs, sowie Landrat Thomas Hendele eine kurzen Fahrt mit dem Roller.

Im Bild(v.l.): Fabian Preiß, Georg Heinen (Geschäftsführer von Mitex), Mats Marcus, Prof. Dr. Andreas Pinkwart, Jürgen Schumacher (Geschäftsführer von NewLab) und Landrat Thomas Hendele (Der Hybridbrennstoffzellenroller, Eröffnung des ZDI-Zentrums Neanderlab)

Im Bild(v.l.): Ich, Georg Heinen (Geschäftsführer von Mitex), Mats Marcus, Prof. Dr. Andreas Pinkwart, Jürgen Schumacher (Geschäftsführer von NewLab) und Landrat Thomas Hendele

Landrat Georg Heinen fährt den Hybrid-Brennstoffzellenroller

Prof. Dr. Andreas Pinkwart (stellvertretender Ministerpräsident NRW) mit dem Hybridbrennstoffzellenroller

Kurz nach der Veranstaltung schaltete ein Leistungsmosfet wie bereits zuvor im Regionalwettbewerb den Strom zum Motor voll durch. Durch die neue unbeschädigte Brennstoffzelle waren die geflossenen Ströme jedoch ausreichend stark, um die Motorsicherung innerhalb kurzer Zeit schmelzen zu lassen. Die Ursache dieses Problems vermuten wir einerseits in der zu gering gewählten Frequenz der PWM-Steuerung, sowie andererseits in der durch Induktion des Motors bedingten überspannung, die die Lebensdauer der Leistungs-MOSFETs einschränkt.

Einige Monate später erhielten wir von Herrn Dr. Pleschinger kurzfristig die Nachricht einer Einladung zur Campusveranstaltung im Rahmen der Petersberger Convention in den Räumlichkeiten des Post Towers in Bonn. Hier sollten wir neben dem Rollatorprojekt auch den Hybrid-Brennstoffzellen-Roller präsentierten, da wir im ZDI bereits einen guten Eindruck machen konnten. Wir wurden weiterhin auf einen Besuch des Ministerpräsidenten Nordrhein Westfalens, Dr. Jürgen Rüttgers vorbereitet. Eine weitere Überraschung, auf die wir im Rahmen dieser Veranstaltung trafen, war die Anwesenheit einer weiteren Jugend-forscht Gruppe, mit denen ich bereits im Rahmen des Magnetbahnprojektes Bekanntschaft gemacht habe und die es 2008 zu einem Bundessieg im Fachbereich Physik schafften. Aufgrund von Sicherheitsbedenken mussten wir die Wasserstofflasche zu dieser Veranstaltung jedoch außerhalb des Gebäudes aufbewahren.

Präsentation Hybrid-Brennstoffzellen-Roller Campus Petersberger Convention Ministerpräsident Dr. Jürgen Rüttgers

Präsentation des Hybrid-Brennstoffzellen-Rollers im Rahmen der Campusveranstaltung zur Petersburger Convention. Im Bild: Mats Marcus, Fabian Preiß, Ministerpräsident Dr. Jürgen Rüttgers (vl.)

5. - Aktuelle Entwicklungen

5.1 - Das Pentavelo - Die Fortführung des Brennstoffzellen-Projektes

Da wir in alleinigen Verbesserungsmaßnahmen des Hybrid-Brennstoffzellenrollers (im wesentlichen im Bereich der Elektronik) nicht genug Potential für eine erneute Jugend-forscht-Teilnahme gesehen haben, entschlossen wir uns in Absprache mit 3M, in Zukunft ein eigenes umweltfreundliches dreirädriges Fahrzeug zu entwickeln. Dabei ist geplant, auf bis zu 5 Energiequellen zurückzugreifen, aus diesem Ansatz ging der Projektname Pentavelo (griechisch: penta = fünf; velo = Fahrrad) hervor. Dabei wollen wir neben hochmodernen Lithium Mangan Akkus und der Brennstoffzelle als weitere Energiequellen die Rückspeisung der Bewegungsenergie durch Rekuperation, sowie Photovoltaik-Module und fußbetriebene Pedale nutzen. Aus Gründen der Aerodynamik soll sich das 20"-Antriebsrad im hinteren Teil des Fahrzeuges befinden, während die Lenkung über zwei 20"-Räder im vorderen Bereich eingerichtet werden soll. Die angestrebte Höchstgeschwindigkeit liegt bei knapp oberhalb von 60km/h. während wir bei ca. 40 km/h mit dem höchsten Drehmoment von mehr, als 110Nm rechnen.

Im Lauf dieser Entwicklungen suchten wir zwischenzeitlich auch nach geeigneten Verfahren zur direkten Erzeugung und Komprimierung von Wasserstoff. Dabei haben wir mit verschiedenen Materialien als Elektroden gearbeitet sowie versucht durch Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden und Beimischung von Natriumhydroxid, welches wir für gewöhnlich zum Entwickeln der Platinen nutzen, die Effektivität dieses Prozesses zu erhöhen. Die einzigen Elektroden, die den Anforderungen entsprachen, sich also nicht selbst auflösten, waren zwei platinbeschichtete Metallplatten aus einem Kosmos-Baukasten. Graphitelektroden aus Bleistiftminen neigten dazu, an der Kathodenseite zu zerbröckeln. Bipolarplatten haben wir nicht getestet. Aufgrund ihrer Festigkeit durch Beimischung von Kunststoffen hätte eine Elektrolyse über die Bipolarplatten noch eine Chance auf Erfolg.

Die Verwendung von Platinelektroden kommt für uns durch die hohen Materialkosten nicht in Frage. Neben den Elektroden ging jedoch ein weitaus größeres Problem von der Komprimierung des Wasserstoffgases aus: Die Verwendung herkömmlicher Kolbenkompressoren lehnten wir wegen Sicherheitsbedenken ab, während Membranpumpen die benötigten Drücke nicht erreichen. Wir planten zwischenzeitlich auch eine Verdichtung des Gases durch Druckaufbau innerhalb eines geschlossenen Gefäßes mittels Gasbildung beim Prozess der Elektrolyse und unverändertem Volumen. Nachdem wir einen Aufbau dazu in SolidWorks visualisierten und dieses Vorhaben 3M vorlegten, wurde uns jedoch davon abgeraten, da bei steigendem Druck auch der Prozess der Elektrolyse zunehmend an Effektivität zu verlieren scheint. Genauer ü

berprüft haben wir dies jedoch bisher nicht.

Pentavelo - Verworfenes Konzept zur Wasserstoffherstellung

Vorläufiger Aufbau zur Elektrolyse bei gleichzeitiger Druckerzeugung. Durch das Hecker-Logo erhofften wir uns eine Ermäßigung bei dem Kunststoffkauf.

Unsere derzeitigen Bemühungen liegen in dem Aufbau einer projekteigenen Website, die in Zukunft unter der Adresse http://www.pentavelo.de/ zu erreichen sein wird, der Entwicklung einer auf das Projekt zugeschnittenen Elektronik, sowie in der Planung der Fahrzeugkonstruktion. Einen Teil der benötigten Materialien konnten wir bereits zusammenstellen. Dazu gehören das Antriebsrad mit einem ca. 2000Watt starken Nabenmotor, ein entsprechender Controller, Stoßdämpfer, sowie Lithium Mangan Akkus. Die bisher größten Schwierigkeiten in der Planung gehen von der Radaufhängung, und dem Fahrgestell aus.

Reflow Ofen-Steuerung (Im Aufbau)

Im Aufbau befindliche Reflow-Ofen-Steuerung

Die elektronische Steuerung wird derzeit so weit wie möglich in SMD-Bauweise (engl. Surface-Mounted Device) entwickelt. Da diese Bauteile äußerst klein sind und sich zum Teil nicht durch handelsübliche Lötkolben anlöten lassen, bauen wir aktuell einen Pizza-Ofen zu einem Reflow-Ofen mit externer Temperatursteuerung um. Bei dem Reflow-Löten werden die zu Lötenden Stellen der Platine mit Leitpaste vorbehandelt, auf denen die Bauteile von Hand aus platziert werden. Durch das Erhitzen der bestückten Platine auf ca. 200°C beginnt das Weichlot zu schmelzen. Die Oberflächenspannung des geschmolzenen Zinns lässt die Bauteile auf ihre Sockel rutschen.

Pentavelo - SMD-Bauteil im Größenvergleich zu einer 1 Cent Münze

Einen Teil der SMD-Bauteile haben wir uns bereits liefern lassen, dieses Bild zeigt ein typisches SMD-Element, welches in der neuen Elektronik zum Einsatz kommen soll.

Pentavelo - Alleweder Velomobil Testfahrt

Da unser Fahrzeug vom Aufbau einem verschalten Liegerad ähnlich kommen wird, besuchten wir in eigener Initiative die Firma "Leichtfahrzeuge Lohmeier", einen Hersteller von Leichtfahrzeugen in der Eifel. Aufgrund des Preises sowie des nicht an unsere Platzbedürfnisse angepassten Fahrzeuges entschlossen wir uns, für das Pentavelo keine fremd entwickelten Liegeräder zu verwenden.

Bisher ist die Konstruktion des Pentavelos nur über erste experimentelle Aufbauten unter dem CAD-System (CAD - Computer Aided Design) SolidWorks durch Tobias Bach erfolgt.Pentavelo - Verworfene Vorderradaufhängung lenkbar und gefedertPentavelo - Verworfenes Konzept

Erste Ansätze zum Aufbau des Fahrzeuges wie z.B. die Radaufhängungen konnten wir bereits jetzt computerunterstützt auf ihre Anwendbarkeit überprüfen. Die hier abgebildeten Radaufhängungen sind zwar prinzipiell möglich, wurden aber aufgrund von Gewichtsproblemen und besseren Ansätzen verworfen. Durch den Besuch des Alleweder-Entwicklers scheint uns die Umsetzung der Vorderräder über einseitige Halterungen als angebrachter.

Um das zukünftige Fahrzeug genau auf den Platzbedarf des Wasserstoffsystems, des Antriebsrades, der Akkus, sowie der Stoßdämpfer anzupassen, sind diese Komponenten mittlerweile als Baugruppen in SolidWorks erstellt worden:

Pentavelo - Luftfederung SolidWorksdarstellungPentavelo - Solid Works Darstellung eines Lithium-Ionen-Mangan AkkupacksPentavelo - Solid Works Darstellung des Antriebsrades mit einem Chrystalyte 5403 Motor 2500 Watt

Aufgrund der derzeitigen Vorbereitungen auf das Abitur, haben Tobias und ich die Tätigkeiten an diesem Projekt in den letzten Monaten relativ stark reduziert. Nach den Prüfungen wollen wir einen Großteil unserer Zeit in dieses Vorhaben investieren.

6. - Verwendete Software

Die vergangenen Projekte haben sich eine Vielzahl von Computerprogrammen zu Nutze gemacht, darunter sind im Rahmen der Elektronik und Softwareentwicklung inbesondere die Freeware-Programme PonyProg2000, BASCOM-AVR und Eagle zu nennen. Die 3D-Grafiken sind in Milkshape3D, SolidWorks und 3Ds Max entstanden. Mit letzterem beschäftige ich mich mittlerweile auch innerhalb eines privaten Projektes, weiterhin eigne ich mir aktuell die Grundlagen zu dem mit SolidWorks vergleichbaren Programm SolidEdge an. Weitere Grafiken sind über Gimp bzw. Photoshop entstanden. Die Texturierung der Magnetbahn erfolgte über LithUnwrap.

7. - Persönliche Lernerfahrung/Fazit

Durch die langjährige Teilnahme an der Physik AG habe ich Kenntnisse in weit gefächerten Bereichen erlangt. Neben den ausführlich geschilderten technischen Entwicklungen und den damit verbundenen Erfahrungen habe ich meine Fähigkeit komplexe Problemstellungen methodisch zu lösen geschult, sowie die Kompetenz in der Präsentation unserer Arbeiten vor Presse, Juroren und Besuchern verbessert. Das Zusammenkommen mit anderen Jungforschern durch die Wettbewerbe sowie mit Presse, Politikern und Industrievertretern waren für mich eine große Bereicherung.

Im Rahmen der Brennstoffzellenprojekte lernte ich innerhalb einer Gruppe, trotz teilweise unterschiedlicher Vorstellungen, in der Projektumsetzung zu sichtbaren Erfolgen zu kommen. Die Arbeit zur Magnetbahnentwicklung hat ferner gezeigt, dass ich auch innerhalb einer Einzelarbeit ein Projekt gelungen zum Abschluss bringen konnte. Es zeigte sich bei allen Projekten, dass auch Rückschläge nicht zur Aufgabe führten, sondern aus diesen neue Lösungsansätze entstanden sind.

Schlussendlich haben mir die Projekte auch durch ihren schriftlichen Anteil in der Formulierung umfangreicher Ausarbeitungen weiter geholfen.

Trotz des immensen zeitlichen Aufwandes der Projekte habe ich die dafür verwendete Zeit nicht bereut.

8. - Selbstständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich diese Arbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Quellenverzeichnis angegebenen Inhalte verwendet habe.

9. - Quellenverzeichnis:

Die Arbeiten:

"Projekt: Umbau eines Elektrorollers auf Brennstoffzellenbetrieb" - Jugend forscht - 05/06 - Langfassung

"Projekt: Magnetbahn-Entwicklung und Umsetzung" - Jugend forscht - 06/07 - Langfassung

"Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller" Jugend forscht - 07/08 - Langfassung

Facharbeit: "Die Schwebetechnik des Transrapids"

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle vom 18.3.2009

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Computergrafik vom 24.3.2009

[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Non-Uniform_Rational_B-Spline vom 24.3.2009

[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Texture_Mapping vom 24.3.2009

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Reflow-L%C3%B6ten vom 31.3.2009

Grafiken:

T.B. verweist auf Tobias Bach als Urheber der Grafik

[5]http://www.3m-pressnet.de/3m/opencms/newsdata/schule/Helmholtz-Gymnasium_Hilden_und_3M_veranstalten_gemeinsame_Berufsinformationsboerse.html

[7] http://www.innovation.nrw.de/zdi/zentren/NEAnderLab/index.php

10. - Danksagung:

Abschließend zu dieser schriftlichen Arbeit möchte ich mich insbesondere bei Thomas Dietz, bedanken, der auf die Teilnahme am Jugend-forscht Projekt "Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller" verzichtet hat und uns dennoch bei technischen Fragen und Aufgaben zur Seite gestanden hat, sowie bei dem Projekt "Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung" zusammen mit Gregor Brettschneider einen Teil der Magnete, sowie die Holzkonstruktion gefertigt hat.

Ein weiterer Dank geht an Tobias Bach, der nicht nur tatkräftig an den beiden Brennstoffzellenprojekten mitgearbeitet hat, sondern mir auch die Verwendung seiner umfangreichen Fotodokumentationen und SolidWorks-Arbeiten genehmigt hat.

Auch möchte ich mich bei Mats Marcus bedanken, der das für die Entwicklung der Elektronik notwendige Know-how mitgebracht hat und für einen beträchtlichen Teil der Umsetzung dieser verantwortlich war.

Des Weiteren danke ich der Stadt Hilden, die uns neben den Räumlichkeiten auch einen Teil der finanziellen Mittel zur Verfügung gestellt hat.

Ferner danke ich den Firmen 3M und ZBT für die mehrfachen lehrreichen Besuche in deren Werken, das Sponsoring der Roller, der Brennstoffzellen und deren Zubehör sowie den zur Finanzierung der Projekte notwendigen Mitteln.

Abschließend geht mein Dank an unseren betreuenden Lehrer Herr Dr. Johann Pleschinger, der die AG seit Herbst 2002 leitet und sich für sämtliche Projekte der AG eingesetzt hat. Ohne ihn hätten die heutigen Möglichkeiten der Technik und AG-Räume nie bestanden und keines der geschilderten Projekte wäre zustande gekommen.

Aktualisiert ( Mittwoch, den 24. Februar 2010 um 18:25 Uhr )
 


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