Das Null-Emissionen-Auto

 

Physik | Technik

 

Nikifor Korjagin, 2001 | Rotkreuz, ZG
Melanie Rogenmoser, 2000 | Merenschwand, AG
Matthias Weber, 2000 | Staufen, AG

 

Die Mobilität beschäftigt fast jeden Menschen täglich, sei es, um zur Arbeit zu gelangen, einkaufen zu gehen oder in die Ferien zu fahren. Uns stehen viele verschiedene Möglichkeiten der Fortbewegung zur Verfügung. Dazu gehören zum Beispiel die Bahn, das Fahrrad, Busse, Flugzeuge oder Boote. Bei all diesen Verkehrsmitteln ist man entweder an Fahrpläne gebunden oder von der Witterung abhängig. Genau dies macht den Personenwagen zu einem der bequemsten und unabhängigsten Fortbewegungsmittel. Durchschnittlich ist jede Person 23,8 Kilometer pro Tag mit dem Auto unterwegs. Ein Großteil der Fahrzeuge wird mit Verbrennungsmotoren angetrieben. Im Jahre 2017 machte allein der Verkehr ein Drittel der Treibhausgasemissionen der Schweiz aus. Um die Treibhausgase zu minimieren, muss man Alternativen für die herkömmlichen Antriebsmethoden finden. Wie sieht’s denn mit Druckluft aus?

Fragestellung

Kann Druckluft effizient und nachhaltig zur Fortbewegung genutzt werden?
Um mobiler und unabhängiger zu werden, fangen viele so früh wie möglich mit dem Autofahren an. Da man mit Verbrennungsmotoren der Umwelt schadet, wurden in den letzten Jahren die Elektroautos immer mehr zum Trend. Die Forschung an neuartigen Akkumulatoren ist im Gange. Da aber das notwendige Lithium unter schlechten Bedingungen abgebaut wird und von weit her nach Europa transportiert werden muss, ist dies kein grosser Schritt zur umweltfreundlichen Zukunft. Es stellt sich nun die Frage, ob es nicht eine bessere Alternative gibt, um ein Fahrzeug anzutreiben. Da Druckluft in der Industrie verbreitet Verwendung findet, kam bei uns schnell die Frage auf, ob Druckluft nicht auch zur Fortbewegung genutzt werden könnte.

Methodik

Nach der Informationsbeschaffung über Antriebsmethoden, Energiespeicherung und bisherige Projekte in diesem Themenbereich wurde mit der Entwicklung eines Modellautos im Massstab 1:10 begonnen. Anschliessend wurde die theoretische Reichweite des Modells berechnet. Mit dem Ergebnis wurden Hochrechnungen für ein echtes Auto durchgeführt. In der Zwischenzeit wurde das Projekt realisiert. Zu guter Letzt konnten Experimente in der Praxis durchgeführt werden, womit die effektive Reichweite sowie der Wirkungsgrad ermittelt werden konnte.

Ergebnisse

In der Theorie erreicht das Modellauto, bei angenommenem 20-prozentigem Luftverlust, eine Reichweite von ca. 500 Metern. In der Praxis erreichte das druckluftbetriebene Modellauto jedoch nur eine Reichweite von 120 Metern. Die Reibung, der Luftverlust sowie die Auswirkung der Masse auf die Reichweite wurden deutlich unterschätzt. Das Modellauto hat demnach einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Die Effizienz könnte man aber mit einigen Optimierungen steigern. Verringerung der Reibung im Antrieb, Gewichtsoptimierungen am Fahrzeug sowie eine verbesserte Abdichtung des Motors sollten noch einige Meter an Reichweite ausmachen.

Diskussion

Druckluft hat gegenüber anderen Speichermedien den Vorteil, dass sie absolut ohne Schadstoffe produziert und gespeichert werden kann. Auch beim Verbrauch der Luft entstehen keine Abgase. Wird die Druckluft dann noch mit erneuerbarer Energie hergestellt, erhält man einen extrem umweltfreundlichen Antrieb. Allerdings wird bei der Komprimierung der Luft eine ziemlich hohe Wärmeenergie freigesetzt, die auf irgendeine Art gespeichert werden sollte. Ansonsten ist der Wirkungsgrad des gesamten Energieverlaufes sehr schlecht.

Schlussfolgerungen

Obwohl ein Druckluftauto nicht so effizient ist wie ein Verbrennungsmotor, kann es mit seiner CO2-Freiheit punkten. Die Reichweite würde für den Durchschnittsbürger völlig ausreichen, da man durchschnittlich nur 23,8 Kilometer pro Tag mit dem Auto zurücklegt. Weitere Distanzen wären ebenfalls kein Problem, da das Tanken in Sekunden passiert ist. In Zukunft wäre dies auch bei Wartezeiten, zum Beispiel an einer Ampel, möglich. Die Technologien und das Know-how für einen Druckluftantrieb sind vorhanden und müssen nicht grundsätzlich neu erforscht werden. Deshalb wäre mit kleinem Aufwand ein grosser Schritt getan!

 

 

Würdigung durch den Experten

Remo Lauener

Das Team hat mir ihrer Arbeit ein sehr aktuelles Thema aufgegriffen. Mit ihrem Ansatz eines Druckluftmotors haben sie eine spannende Variante gewählt. Vertieft haben sie sich mit der Physik der Gase, der Drucklufterzeugung und deren Aufbereitung auseinandergesetzt. Verschiedenste Fertigungsmethoden wurden angewendet. So ist das Luftsteuerventil, eine Eigenentwicklung, in Aluminium generativ hergestellt. Mit dem Prototyp des Fahrzeuges wurden die Berechnungen validiert und weitere Abschätzungen gemacht. Die Arbeit zeugt von einem grossen Einsatz und viel Begeisterung für das Thema.

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

GIBZ Zug
Lehrer: Ernst Kleiner