Ausgewählte Technologien: Hyperloop

Alternative Transporttechnologien, die potenziell die Pendelzeit und den CO2-Fußabdruck reduzieren können, sind attraktive Gründe für diejenigen, die zwischen Städten reisen möchten. In diesem Beitrag untersuchen wir die neueste Inkarnation des lang ersehnten Traums von einem energieeffizienten Hochgeschwindigkeits-Kapseltransportsystem, auch bekannt als Hyperloop, und die aktuelle Patentlandschaft im Zusammenhang mit dieser Technologie.

Das Konzept des Hochgeschwindigkeitsverkehrs durch Röhren stammt aus dem späten 17. Jahrhundert. Die früheste Erwähnung pneumatischer Eisenbahnen wird George Medhurst zugeschrieben, der eine atmosphärische Eisenbahntechnologie für den Transport von Pendlern durch unter Druck stehende Rohre in London beschrieb. Seitdem gab es mehrere Entwürfe dieses Konzepts, von denen jedoch nur sehr wenige jemals gebaut wurden.

Da sich die Technologien verbessert haben, ist das Rennen um die Entwicklung des ersten Hyperloop wieder im Gange. Das erneute Interesse an der Entwicklung eines schnellen und effizienten Verkehrsträgers ist auf Elon Musk und sein Team zurückzuführen, die 2013 ein technisches Whitepaper veröffentlichten und ihr Vactrain-Design als Hyperloop bezeichneten (siehe unten). Seit der Veröffentlichung des Whitepapers haben mehrere Forschungsgruppen und Start-ups versucht, ihr eigenes Hyperloop-System zu bauen.

Quelle: Tesla

Kurz gesagt, der Hyperloop wurde als Kapsel-Röhrensystem konzipiert, das entweder Luftkissen oder Magnetschwebetechnik, Vakuumpumpen und einen externen linearen Elektromotor verwendet, um die Passagiere mit nahezu Überschallgeschwindigkeit zu befördern. Damit sich die Kapseln mit solch hohen Geschwindigkeiten fortbewegen können, wird der Luftdruck in den Röhren auf etwa 100 Pascal (1/1000stel einer Atmosphäre) reduziert, um den Luftwiderstand zu verringern. Das Hyperloop-Team plante auch den Einsatz von Solarzellen, um den Energiebedarf des Transportsystems zu decken und seinen CO2-Fußabdruck zu verringern.

Hat sich die Technologie über Musks ursprünglichen Entwurf hinaus weiterentwickelt? Was sind die vorgeschlagenen technischen Lösungen, die uns helfen können, eine unserer größten technischen Herausforderungen zu meistern? Ist die Technologie weit genug fortgeschritten, um in die Praxis umgesetzt zu werden? Wer sind die Hauptakteure (Universitäten, Unternehmen, Start-ups, Zulieferer usw.), die die Landschaft in naher Zukunft möglicherweise beeinflussen könnten? Die Antworten auf diese Fragen lassen sich wahrscheinlich durch eine detaillierte Studie der Patentlandschaft finden.

Wir haben eine Landschaftsrecherche zur Hyperloop-Technologie durchgeführt, um Trends bei Patentveröffentlichungen zu ermitteln und einige der jüngsten Patente/Anmeldungen vorzustellen. Wie unten dargestellt, ist die Zahl der Patentanmeldungen im Zusammenhang mit Hyperloop-Technologien seit der Veröffentlichung des Whitepapers im Jahr 2012 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 50 % gestiegen. Dieser Anstieg ist ein Beleg für ein erneutes weltweites Interesse und Investitionen in Hyperloop-ähnliche Technologien.

Bei den meisten der jüngsten Veröffentlichungen handelt es sich um inländische Anmeldungen, die aus China stammen. Während die Zahl der in den USA und im PCT eingereichten Anmeldungen seit 2012 gestiegen ist, hat sich die Steigerungsrate in den letzten Jahren verlangsamt. Diese Verlangsamung kann das Ergebnis anderer Herausforderungen sein, z. B. bei der Umsetzung, unerschwinglichen Kosten, Infrastrukturproblemen und staatlichen Genehmigungen.

Wir haben einige beispielhafte Patente und Patentanmeldungen der wichtigsten Akteure ausgewählt und beschreiben sie im Folgenden. Zu den führenden Patentinhabern mit relevanten Patenten gehören die University of California, die University of Texas, die Southwest Jiaotong University, Applied Materials, die Northeastern University of China, das Korea Railroad Research Institute, Virgin Hyperloop One, Beijing Worldartery Transportation Technology, Siyuan, Battelle Memorial Institute, BYD, Brooks Automation, Boeing, Hyperloop Transportation Technologies, MagneMotion, Hitachi und Siemens.

Die US-Patentveröffentlichung 20190300301 im Besitz von Virgin Hyperloop One bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Integrität der Röhren eines Hochgeschwindigkeits-Transportkapselsystems, das eine Strecke, ein Antriebssystem und ein Schwebesystem umfasst. Ein Fahrzeug, das mit einem optischen und/oder Positionssensor ausgestattet ist, wird entlang der Röhrenstrecke geführt, um Lecks in der Niederdruckumgebung zu erkennen.

Das an Hyperloop Transportation Technologies vergebene US-Patent 10286928 bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrechterhaltung einer Heliumzusammensetzung in einer evakuierten Röhre eines Kapselsystems durch Einspritzen der Gaszusammensetzung über die Röhre, ein Fahrzeug oder beides.

Die PCT-Publikation WO2020055248, die dem niederländischen Unternehmen Hardt zugewiesen wurde, betrifft eine Schleusenanordnung für den Transfer von Gütern/Personen, die bei atmosphärischem Druck in die Gondel gelangen, während in der Röhre ein niedriger Druck herrscht. Das beschriebene System bietet eine bessere Zugänglichkeit als frühere Systeme.

Die US-Patentveröffentlichung 20190359062, die Transpod zugewiesen wurde, bezieht sich auf ein Transportsystem mit Mitteln zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Gleisen und einem Fahrzeug über Gleiselektroden. Die Fahrzeugelektroden sind mit dem Motor des Fahrzeugs verbunden, um eine Hochspannungseinspeisung über die Gleise zu erhalten. An einer der Fahrzeug- oder Schienenelektroden sind Sensoren angebracht, die Änderungen der Abstände zwischen den Elektroden erfassen. Mit Hilfe von Aktuatoren können die Abstände zwischen den Fahrzeugelektroden und den Gleiselektroden verändert werden, um die Reibung zu verringern.

Die US-Patentveröffentlichung 20200039360 mit dem Titel "Hybrid Electrodynamic Levitation System" (Hybrides elektrodynamisches Schwebesystem), die Boeing zugewiesen wurde, bezieht sich auf ein magnetisches Schwebesystem in evakuierten doppelwandigen Röhren. Das hybride System nutzt sowohl supraleitende als auch leitende Bahnen.

In der Verkehrsbranche gibt es immer wieder neue Innovationen. Da sich der Wettbewerb verschärft, könnten Unternehmen, die innovative und komplementäre Lösungen anbieten, als klare Gewinner hervorgehen. Die Zukunft von Hyperloop ist im Vergleich zu anderen großen Initiativen immer noch vielversprechend, da viele Investitionen fließen und die Technologie von der Forschungsgemeinschaft angenommen wird. Die Idee muss möglicherweise noch weiter verfeinert und getestet werden, bevor sie eine Option für den öffentlichen Verkehr wird. Bis dahin müssen wir uns auf bestehende Lösungen wie vernetzte/intelligente Autos, Elektroautos, Mikromobilitätslösungen, Hochgeschwindigkeitsschienen, Fähren und Flugzeuge verlassen, um weiterzukommen.