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RWTH-Labore der etwas anderen Art: Wo Forschung ganz konkret wird

Von: André Schaefer
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Und los geht er, der Rundgang durch eine virtuelle Wohnung. Sofa, Wohnzimmertisch und Essecke: Alles ist vorhanden. Foto: Andreas Steindl
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Eine in jeder Hinsicht imposante Anlage: der Windradprüfstand am CWD. Foto: Andreas Steindl
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Die Stabilität von Deckwerken ist sein Forschungsgebiet: Moritz Kreyenschulte vom RWTH-Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW). Foto: Andreas Steindl
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Bevor die ersten Tests im Simulator beginnen, nimmt er erst einmal selbst Platz: Oberingenieur Micha Lesemann vom ika. Foto: Andreas Steindl

Aachen. Wissenschaft ist oft Theorie. Nicht so bei diesen vier RWTH-Instituten in Aachen. In den Laboren der etwas anderen Art wird an Projekten gearbeitet, die in der Praxis bereits heute Anwendung finden.

Aixcave, IT Center: Alles ist möglich – eine Reise durch virtuelle Welten

Mit einem einzigen Mausklick beginnt sie, die Reise in die virtuelle Welt. Jetzt heißt es nur noch 3D-Brille aufsetzen, und dann kann’s auch schon losgehen. Es ist bloß ein kurzer Augenblick, der die wirkliche Welt von der virtuellen trennt. Und diese virtuelle Welt, das ist in diesem Moment ein Rundgang durch eine Wohnung. Küche, Sofa, Wohnzimmertisch: alles vorhanden.

Direkt vor dem Träger der 3D-Brille  steht eine lebensgroße Frau, die als Assistentin durch die virtuelle Wohnung führt. Willkommen in der aixCAVE am IT Center der RWTH Aachen. Seit August 2012 steht dort am Institut der Universität die größte Virtual-Reality-Installation der Welt. Rund zwei Millionen Euro hat sie gekostet.

CAVE steht für „Cave Automatic Virtual Enviroment“, also eine Höhle mit automatisierter, virtueller Umwelt. Mehr als 25 Quadratmeter ist diese Box groß, mehr als drei Meter hoch, fünf Seiten gibt es insgesamt, allesamt speziell beschichtet. Und auf denen erzeugen 24 Projektoren eine 4K-Auflösung – schärfer geht es kaum.

„Das ist nicht nur die größte, sondern sicher auch die modernste CAVE dieser Art“, sagt Andrea Bönsch, Doktorandin und Forschungsassistentin im Lehr- und Forschungsgebiet Virtuelle Realität am IT Center.

Den virtuellen Rundgang durch die Wohnung hat Bönsch sozusagen entworfen, man könnte auch sagen: programmiert. Sie untersucht dabei den Einsatz virtueller Agenten, also in diesem Fall die junge Frau, die zur virtuellen Wohnungsbesichtigung geladen hat.

„Es geht dabei um die Frage, ab wann wir Menschen es überhaupt als angenehm oder unangenehm empfinden, mit einer virtuellen Person in Kontakt zu treten“, sagt Bönsch. Doch die aixCAVE dient nicht nur dazu, die Kommunikation mit virtuellen Personen zu erproben. Gleich mehrere Institute der RWTH und Kooperationspartner aus Industrie und Wirtschaft sind regelmäßig im virtuellen Raum zu Gast, um in sämtlichen Bereichen zu forschen.

In der Medizin etwa wird hier das Gehirn dreidimensional visualisiert, Firmen planen hier ganze Fabrik- und Produktionshallen, und selbst die Polizei NRW nutzte die CAVE, um zum Beispiel einen Tatort original zu rekonstruieren. „Es gibt kaum eine Branche, in der die CAVE keine Anwendung finden würde“, sagt Bönsch. Und so ist es auch kein Zufall, dass die Virtual-Reality-Installation häufig zum Einsatz kommt. Genauer gesagt: jeden Tag.

 

Prüfstand, CWD: Stürmische Untersuchungen für mehr Zuverlässigkeit

Wenn man Sebastian Reisch fragt, welche Eigenschaften Windenergieanlagen haben müssen, dann sagt der 27-Jährige Folgendes: „Sie müssen laufen.“ Reischs Satz überrascht. Dabei bringt er es ziemlich genau auf den Punkt. Denn viele Windräder – und das ist eines der großen Probleme im Zuge der angestrebten Energiewende – fallen im Betrieb immer noch zu oft aus. Oft sind die Ursachen für Schäden auf den ersten Blick unerklärlich.


Dieser Problematik ist man sich auch auf dem RWTH-Campus beim Center for Wind Power Drives (CWD) bewusst. Hinter dicken Wänden forschen hier rund 40 Experten aus insgesamt sieben RWTH-Instituten der Fachbereiche Maschinenbau und Elektrotechnik. Ihr Ziel: Windenergieanlagen künftig zuverlässiger machen und die komplexen Wechselwirkungen zwischen Wind, Anlage und Stromnetz erklären.

„Die Entwicklung von Windenergieanlagen ist noch längst nicht abgeschlossen“, sagt Reisch. Er ist einer der wissenschaftlichen Mitarbeiter, die sich seit gut zwei Jahren mit eben dieser Entwicklung auseinandersetzen. Und zwar mit Hilfe eines der modernsten Systemprüfstände der Welt.

Auf einer Fläche von etwa 1000 Quadratmeter steht der riesige, vier Megawatt starke Prüfstand, der vor gut zwei Jahren in Betrieb genommen wurde. Der Blick in die Halle ist beeindruckend, ebenso die Leistung der hochmodernen Anlage. Denn obwohl der Prüfstand keinen Turm und keinen Rotor besitzt, werden hier große Onshore-Windenergieanlagen realitätsnah getestet – mit nahezu jeder erdenklichen Last.

„Wir prüfen hier die Auswirkungen der dynamischen Windlasten auf die Anlagen“, erklärt Reisch. Sogar die Belastungen an den Komponenten in der Windenergieanlage durch Sturmböen können am CWD untersucht werden. „Wir können testen, was genau passiert, wenn der Wind mit bis zu 400 Tonnen auf die Windenergieanlagen drückt“, sagt Reisch. Der Prüfstand erreicht ein Drehmoment von 3.400.000 Newton-Meter.

Zum Vergleich: Ein Sportwagen bringt es auf circa 500 Newton-Meter. Und der Clou: Der Prüfstand wird nicht vom Wind, sondern von einem großen Elektromotor angetrieben. Den Wind gibt es hier nur in der Simulation.

Die Auswirkung von Windlasten ist die eine Sache, die Anbindung ans Stromnetz die andere. Auch daran wird am CWD geforscht. Wie diese Anbindung aussehen kann und wie die Windenergieanlage sich im Stromnetz verhält, testen die Experten übrigens schon mal im „Labor“.

Denn: Die Windkraftanlage auf dem Prüfstand ist an ein künstliches Netz angebunden, dessen Eigenschaften wie beispielsweise die Spannung im Vergleich zum öffentlichen Stromnetz beliebig eingestellt werden können. „Dafür müssen wir nur auf einen Knopf drücken“, sagt Reisch.

 

Versuchshalle, IWW: Der deutschlandweite Küstenschutz entsteht in Aachen

Der 16. und 17. Februar 1962 markieren ein schwarzes Kapitel in der Geschichte der Stadt Hamburg. 340 Menschen kamen damals bei einer der größten Flutkatastrophen Deutschlands ums Leben. Moritz Kreyenschulte gehört nicht zu denen, die sich noch an die Tragödie erinnern können, Kreyenschulte ist erst 28 Jahre alt. Doch er weiß, dass dieses Ereignis für ein Umdenken im Küstenschutz gesorgt hat. „Das war prägend für das Küsteningenieurswesen“, sagt er.

Kreyenschulte ist einer von rund 40 Mitarbeitern des RWTH-Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft (IWW). Sein Forschungsschwerpunkt ist der Küstenschutz, genauer gesagt: die Stabilität hydraulisch gebundener Deckwerke.  Als Deckwerke bezeichnet man aus Mörtel vergossene Natursteine, die bei Uferbauwerken als äußere Schutzschicht dienen. Sie schützen Ufer von Küsten oder Flüssen vor Belastungen durch Wind- und Schiffswellen oder Strömungen.

Kreyenschulte steht in der  rund 2250 Quadratmeter großen wasserbaulichen Versuchshalle des Instituts. Seit 2013 dient die „topmoderne Halle“, wie Kreyenschulte sie gerne nennt, als Experimentierfläche für Versuchsaufbauten. An einem dieser Versuche steht der 28-Jährige, er dreht eine Wasserpumpe auf, und lässt durch eine etwa ein Meter große Säule, an dessen oberem Ende sich Deckwerke befinden, das Wasser nach oben pumpen. „Wir untersuchen hier die Permeabilität dieser Deckwerke“, sagt er.

Was kompliziert klingt, lässt sich simpel erläutern. Denn Permeabilität heißt nichts anderes als Durchlässigkeit des Deckwerks für Flüssigkeit, in diesem Fall Wasser. Es dauert nur ein paar Sekunden, ehe das Wasser mit erhöhtem Druck nach oben schießt. „Diese Natursteine sind bei Küstenbauwerken ein weit verbreiteter Deckwerkstyp“, sagt Kreyenschulte.

Sein Versuchsaufbau hat eine große Relevanz. Denn: Die Bevölkerung in Küstenregionen nimmt zu. Mehr als 2,4 Millionen Menschen werden von bestimmten Deichen deutschlandweit geschützt – etwa in Regionen rund um Hamburg, Bremen, Mecklenburg-Vorpommern, Schleswig-Holstein oder Niedersachsen. „Küstenschutzbauwerken in Küstengebieten kommt eine immer größere Bedeutung zuteil“, sagt Kreyenschulte. „Der Meeresspiegel steigt stetig.“

Einziges Problem der Untersuchung: Die dynamische Wellenbelastung, die im Küstenbereich eine große Rolle spielt, kann in Aachen nicht in Versuchen nachgebildet werden. Daher dient die Ermittlung der Durchlässigkeit der Deckwerke sozusagen als Vorversuch für weitere Untersuchungen in einem Wellenkanal in Hannover. Dort kann dann auch die Seegangsbelastung realitätsnah simuliert werden.

 

Fahrsimulator, ika: Mit Hochdynamik ins Fahrerlebnis von morgen

Micha Lesemann hat genaue Vorstellungen, wie er in Zukunft Auto fahren möchte. Lesemann, 37, ist Oberingenieur beim Institut für Kraftfahrzeuge (ika). Er sagt: „Der Gedanke, mich eines Tages im Auto zurückzulehnen und während der Fahrt ein Buch zu lesen, gefällt mir. Zumindest auf Strecken, die langweilig sind.“

Das, wovon Lesemann da spricht, nennt sich autonomes Fahren, ein vieldiskutiertes Thema. Ein selbstfahrendes Auto? „Reine Zukunftsmusik!“, sagen Kritiker. Doch dass diese Zukunft bereits begonnen hat, ist spätestens in dieser Woche beim ika deutlich geworden. Denn nach gut zwei Jahren Bauzeit ist eines der großen Vorzeigeprojekte der RWTH eröffnet worden: ein hochdynamischer Fahrsimulator.

Zehn Millionen Euro haben sie für den Bau des Simulators sowie ein dafür errichtetes Gebäude in die Hand genommen, um sich einer zentralen Frage zu widmen: Wie sieht das Autofahren im Jahr 2020 und darüber hinaus aus? Es geht um Sicherheit, Effizienz und Akzeptanz innovativer Fahrzeugkonzepte; um Fahrerassistenzsysteme; um das Zusammenspiel zwischen Fahrer und Technik und die Analyse des Fahrerverhaltens.

Am ika nennen sie ihren Fahrsimulator auch Zeitmaschine. Und tatsächlich: Wer darin Platz nimmt, begibt sich in eine noch unbekannte Welt des Fahrens. Lesemann formuliert es auch gerne so: „Wir können hier nicht nur das Fahren sehr realistisch simulieren. Wir sind auch in der Lage, ein Fahrzeugverhalten darzustellen, das technisch noch gar nicht umsetzbar ist.“ „Design Thinking“ nennt man das, also das Herausstellen des späteren Fahrerlebnisses ganz am Anfang des Entwicklungsprozesses.

Ermöglicht werden die Simulationen durch drei entscheidende Komponenten: Zunächst bewegt sich der Simulator auf Schienen. Dadurch ist es möglich, Wechsel über bis zu drei Spuren wie auf einer Autobahn nachzufahren. Außerdem wird der Simulator durch einen Hexapod gestützt, also eine Bewegungsmaschine mit Antriebselementen, die für Kipp- und Schubbewegungen sorgt und sich auf den Schienen bewegt.

Und zu guter Letzt das Herzstück des Simulators: der Dom. Sieben Meter Durchmesser und ein Gewicht von gut 3,4 Tonnen besitzt die Kanzel, in der Probanden einzeln Platz nehmen können. Dort sitzt man in einem ganz normalen Auto, in einem üblichen Autositz, hinter einem gängigen Lenkrad. „Mittels 360-Grad-Projektionen erlebt der Proband Fahrmanöver und Beschleunigungen wie in der Realität“, sagt Lesemann.

Die ersten „Fahrten“ starten in den kommenden Wochen. Die Tests im Fahrsimulator, bei denen die Probanden mit unterschiedlichen Fahrsituationen konfrontiert werden, werden stets von Psychologen begleitet. „Uns interessiert, wie ein Mensch eine Situation empfindet, in der das Auto ihm die Verantwortung zum Teil oder ganz abnimmt. Dazu brauchen wir Psychologen, die uns diese Fragen beantworten können“, sagt Lesemann. Und eins ist für ihn klar: Auch er wird den Simulator testen. Selbstverständlich.


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