Ein Windkanal? Davon hast du bestimmt schon einmal gehört. Nicht jeder denkt dabei aber sofort an Autos. Dabei ist es äußerst wichtig, die Strömungseigenschaften eines Fahrzeugs zu überprüfen. In unserem Blogbeitrag erklären wir dir, was Windkanäle sind, wozu man sie braucht und warum sie für Autohersteller so wichtig sind.

Windkanal – was genau ist das?

Bevor ein neues Automodell wirklich auf der Straße gefahren werden darf, muss es der Hersteller in einem Windkanal auf aerodynamische und aeroakustische Eigenschaften testen. Was diese komischen Begriffe bedeuten? Ganz einfach: Bei der Aerodynamik misst man die Luftströmung und den Luftwiderstand eines Autos. Mehr Luftwiderstand bedeutet unter anderem einen höheren Spritverbrauch und bremst das Auto bei hoher Geschwindigkeit aus. Mit der Aeroakustik untersucht man die Geräusche, die der Fahrtwind an verschiedenen Autoteilen verursacht.
In einem Windkanal kann außerdem getestet werden, wie sich unterschiedliches Klima auf ein Auto auswirkt oder ob die Anbauteile bei hohem Fahrtwind stabil bleiben. Kennst du schon unser Kinderreporter-Video mit Emma und Nick im Klimakanal? Da haben die beiden innerhalb von kürzester Zeit heiße Sommertemperaturen sowie klirrende Kälte erlebt. Schau mal rein!

Wie funktioniert ein Windkanal?

Windkanäle können verschieden aufgebaut sein. Man entscheidet vor allem zwischen dem offenen und dem geschlossenen Windkanal. Bei einem offenen saugt eine Düse die Luft von  draußen in das Gebäude, bläst sie über das Auto und anschließend wieder aus dem Windkanal hinaus. Bei einem geschlossenen Windkanal wird die Luft im Kanal behalten und wie in einem Kreislauf immer wieder über das Auto geblasen.
Damit die Ingenieure erkennen, wie die Luft um das Auto fließt, wird Rauch oder Nebel in den Luftstrom gemischt. Außerdem kann Ruß oder Farbe dabei helfen, die Luftströmung sichtbar zu machen.

Welche Arten von Windkanälen gibt es?

Neben dem Aerodynamik- und Aeroakustik-Windkanal gibt es noch weitere Windkanäle: In einem Klimawindkanal kann man überprüfen, wie ein Auto auf extreme Kälte oder Hitze reagiert. Schließlich sollte so ein Fahrzeug überall auf der Welt einsatzfähig sein. Die aerodynamischen Eigenschaften von Raketen oder Düsenjets testet man in Überschall- beziehungsweise Hyperschall-Windkanälen. Dort werden Strömungen mit extremer Geschwindigkeit erzeugt.
Wie du gelernt hast, muss ein neues Automodell vor dem Verkauf einige Tests bestehen. Der Windkanal gehört dabei mit zu den wichtigsten, schließlich möchte kein Autofahrer ein Fahrzeug besitzen mit unnötig hohem Spritverbrauch. Und laute Geräusche bei hohem Fahrtwind nerven bestimmt nicht nur deine Eltern, wenn sie das Auto fahren, sondern auch dich auf dem Rücksitz.

Ein Auto wird in einem Klimawindkanal getestet
Ein Auto wurde gerade in einem Klimawindkanal auf extrem kalte Temperaturen getestet. Bild: Daimler AG

 

Beitragsfoto: Daimler AG

Wenn du deine Hand erst senkrecht und dann waagrecht unter einen Wasserstrahl hältst, verstehst du, was Aerodynamik ist. Das Wasser fließt um deine Hand jedes Mal auf eine andere Art und Weise. Und jetzt stell dir vor, das Wasser wäre Luft. Das „Umfließen“ deiner Hand wird als Aerodynamik bezeichnet. In der Aerodynamik geht es nämlich hauptsächlich um das Umströmen von Körpern durch Luft. Je nachdem, wie groß der Körper ist, welche Form er hat oder wie die Oberfläche beschaffen ist, kann die Aerodynamik anders sein. Das zu untersuchen, kann hilfreich sein, wenn es um Schnelligkeit bei der Fortbewegung eines Körpers geht.

Aerodynamik ist spritsparend

Um spritsparende Autos zu bauen, ist die Aerodynamik für Automobilhersteller sehr wichtig. Im besten Fall haben Fahrzeuge eine liegende Regentropfenform. Kannst du dir das vorstellen? So könnten die Autos nämlich am effizientesten genutzt werden und würden am wenigsten CO2 ausstoßen. Dass so ein Auto nicht gerade praktisch wäre, kannst du dir vielleicht denken. Der Kofferraum wäre nämlich ganz spitz.

Die Aufgabe der Konstrukteure bei Daimler ist es, einen Kompromiss zwischen der Effektivität, dem Design und der Nutzbarkeit der Autos zu finden. Dafür ist eine Menge Forschung notwendig.

Hier geht’s stürmisch zu

Daimler testet die Aerodynamik seiner Autos in sogenannten Windkanälen. Dort kann der Luftwiderstand und der Strömungsverlauf optimal dargestellt werden. Zwischen einer leichten Brise und einem richtigen Orkan liegen im Daimler Windkanal nur wenige Augenblicke und Knopfdrücke. Cool, oder?

Das hat seine Vorteile: Ingenieure können neue Fahrzeuge mithilfe des Windkanals bereits in der Entwicklungsphase testen und optimieren. Hier wird schon früh geprüft, welche Kräfte auf den umströmten Körper wirken. Außerdem wird getestet, wie man die Kräfte durch kleine Änderungen an der Oberfläche der Autos optimieren kann.

Klassiker auf dem Prüfstand

Daimler testet in seinem Windkanal vor allem Autos, die noch entwickelt werden. Das macht auch Sinn, denn so kann auf die Entwicklung noch Einfluss genommen werden.

Messung im Windkanal.
Windkanalmessungen von Mercedes-Benz Klassikern

Historische Automobile sind eher seltene Gäste in Daimlers Klima-Windkanal, denn ihre Entwicklung ist schon lange abgeschlossen. Daimler hat interessehalber dennoch zwei alte Modelle im werkseigenen Kanal in Stuttgart Untertürkheim testen lassen. Die Aerodynamik von zwei Sportwagen aus dem Jahr 1952 und 1954 wurde verglichen mit der des sportlich-luxuriösen Reisewagen 300 S aus dem Jahr 1951. Die Testergebnisse zeigen, dass sich Ingenieure bereits vor über 70 Jahren Gedanken um Aerodynamik gemacht haben. Schon damals bemühten sie sich die sportlichen Autos möglichst windschnittig zu konstruieren.

Windschnittig ist cool

Viele Ingenieure haben sich in den vergangenen Jahren den Kopf darüber zerbrochen, wie Autos möglichst spritsparend gebaut werden können. Dabei gilt es stets drei wesentliche Punkte zu optimieren: Das Gewicht – denn je leichter das Fahrzeug, desto energiesparender und emissionsfreier fährt es. Der Rollwiderstand. Und der Luftwiderstand. Nachdem sich die Autobauer vor allem auf die ersten beiden Aspekte konzentriert haben, rückt nun die Aerodynamik wieder mehr in den Vordergrund.

Der Mercedes-Benz C250 AMG.
Ein besonders windschnittiges Auto von Daimler: Der C250 AMG

Gut für die Umwelt

Dass man sich überhaupt immer wieder bemüht den Luftwiderstand am Fahrzeug zu verringern, hat seine Gründe: Je windschnittiger das Auto, desto weniger Kraft muss der Motor zum Fahren aufbringen und desto geringer ist der Verbrauch und die CO2-Emission des Autos. Die Umwelt bedankt sich!

Bilder: Daimler AG

Kein Oben und Unten

Doch erst einmal schauen wir uns an, was Schwerelosigkeit überhaupt ist. Wenn man den Begriff liest oder hört, denkt man sofort an das Weltall. Gegenstände fliegen dort herum, es gibt kein Oben und Unten mehr. Alles was man nicht festhält oder was nicht gesichert ist, fliegt weg. Astronauten spüren nichts, was sie nach unten zieht. Sie sind dort schwerelos. Das bedeutet, sie spüren keine Schwerkraft mehr. Was aber interessant ist: Die Schwerkraft ist trotzdem da! Klingt widersprüchlich? Ist es aber nicht. Schwerelosigkeit ist nicht nur das Gegenteil von Schwerkraft, sondern beide Phänomene sind direkt miteinander verbunden. Ohne das eine, gäbe es das andere gar nicht.

Gravitationsgesetz

Schwerelosigkeit
Die Schwerkraft der Erde existiert auch im All – trotzdem sind Astronauten schwerelos

Wie bereits der Physiker Isaac Newton im siebzehnten Jahrhundert in seinem Gravitationsgesetz feststellte, hat jeder Körper eine Anziehungskraft. Je schwerer der Körper ist, desto größer ist diese Kraft. Die Erde ist viel größer als der Mond und hat eine viel größere Anziehungskraft. Warum wir dann von der Erde angezogen werden, kannst du dir denken. Doch warum ist das beim Mond nicht dasselbe? Genau das ist der Grund, warum auch Astronauten in ihren Raumkapseln im Weltall schwerelos sind.

Der Mond kreist auf seiner Umlaufbahn um die Erde. Aufgrund seiner schnellen Geschwindigkeit passiert hier das Gleiche, wie wenn du mit einem schnellen Auto um die Kurve fährst: Es zieht dich nach außen. Die unsichtbare Kraft, die du dann spürst, heißt Fliehkraft. Die Fliehkraft, die der Mond auf seiner Umlaufbahn entwickelt, ist so stark, dass sie der Schwerkraft entgegen wirken kann und sie ausgleicht. Genau das passiert, wenn Astronauten mit einem schnellen Satelliten um die Erde kreisen. Die Schlussfolgerung lautet also folgendermaßen: Die Anziehungskraft der Erde ist im Weltall immer noch da. Allerdings wirken ihr andere starke Kräfte entgegen, sodass man sie nicht mehr spürt. Von Schwerelosigkeit spricht man, wenn man der Schwerkraft ausgesetzt ist, sie aber aufgrund der starken Fliehkräfte nicht mehr spürt.

Fallschirmspringer sind schwerelos, bevor sie den Fallschirm aufspannen

Freier Fall

Schwerelosigkeit lässt sich für wenige Sekunden auch auf der Erde beobachten – und zwar im freien Fall. Ein Fallschirmspringer fällt für eine kurze Zeit  lang frei nach unten, bevor er seinen Fallschirm aufspannt. Während dieser kurzen Zeit ist er, wie man in der Physik sagt, gewichtslos. Das bedeutet, dass er in der Luft nicht schwerer wäre, als ein anderer Gegenstand, der mit ihm fallen würde. Du kannst das ausprobieren, indem du ein Buch in die Hand nimmst und damit nach oben springst. Solang du zum Boden zurückfällst, wiegt das Buch in deiner Hand gefühlt nichts mehr. Der Mond, der um die Erde kreist, ist praktisch ununterbrochen im freien Fall, da er ja von der Kraft der Erde angezogen wird. Durch die starke Fliehkraft fällt er aber nicht auf die Erde, sondern um die Erde herum.

Parabelflüge

Du fragst dich jetzt sicherlich, warum du das Schwerelos-Sein noch nicht bemerkt hast. Das liegt daran, dass diese Momente auf der Erde meist nur so kurz sind, dass man sie gar nicht so schnell spüren kann. Forscher nutzen die Schwerelosigkeit, um angehende Astronauten auf den Weltraum vorzubereiten und für Untersuchungen. Deshalb haben sie Falltürme errichtet, um einige Sekunden Schwerelosigkeit zu beobachten. Oft werden aber auch Parabelflüge durchgeführt. Flugzeuge fliegen mit hoher Geschwindigkeit steil nach oben, um dann einige Kilometer frei zu fallen. Die Forscher an Bord erleben dann 25 bis 30 Sekunden lang den Zustand der Schwerelosigkeit. Für sehr viel Geld kann man solche Flüge mittlerweile sogar als Privatperson buchen.

Navigationsgeräte empfangen die Daten von GPS-Satelliten aus dem Weltall / Foto: Daimler AG

Forschung macht’s möglich

Dass die Wissenschaft diese Möglichkeiten hat, im Weltall zu forschen, ist sehr wichtig für uns. Viele Lösungen und Innovationen aus der heutigen Zeit haben ihren Ursprung in der Weltraumforschung. Beispielsweise das aerodynamische Design der LKW von Daimler basiert auf einer NASA-Technologie. Es bewirkt, dass die LKW beim Fahren weniger Luftwiderstand haben.

Es gibt aber noch eine andere ganz wichtige Sache, die es ohne unsere Satelliten, die im Weltall schwerelos um die Erde kreisen, nicht gäbe: Navigationssysteme. Mittlerweile können wir mit den GPS-Signalen aus dem All Daten auf den Zentimeter genau berechnen. Diese genauen Daten ermöglichen es dem Autobauer, das autonome Fahren weiterzuentwickeln. Denn die GPS-Technologie hilft den Autos, ohne Fahrer sicher auf den Straßen zu verkehren.

Bild: Daimler AG

STRÖMUNGSAKUSTIK

Und was hat „Aero“ mit „Akustik“ zu tun? Die Strömungsakustik, so heißt sie auch, handelt von aerodynamisch erzeugten Geräuschen. Das sind Geräusche, die durch Luftströme entstehen. So wie beim Autofahren. Das Ziel ist es, diese Akustik zu reduzieren, damit die Fahrt für alle noch komfortabler und entspannter wird. Dafür werden die Windgeräusche im Aeroakustik-Windkanal gemessen. Sowohl im, als auch am Versuchsfahrzeug.

Aeroakustik-Windkanal
Im Windkanal wird die Akustik der Luftströme erforscht

Um realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten, darf die winderzeugende Anlage die Messung nicht beeinflussen. Denn auch sie verursacht Lärm, der von den Messinstrumenten aufgenommen wird. Aus diesem Grund sind Geräuschdämm-Maßnahmen in die Einrichtung integriert. So ist von der 28 Quadratmeter großen Düse nichts mehr zu hören. Diese Dämmung macht den Windkanal im Daimler-Entwicklungszentrum Sindelfingen zum leisesten Aeroakustik-Windkanal weltweit.

LAUTLOS BEI 140 STUNDENKILOMETER

Zugeführter weißer Rauch macht die Luftströme sichtbar
Zugeführter weißer Rauch macht die Luftströme sichtbar

Doch die Akustik ist nicht das Einzige, das unter die Lupe genommen wird. Experten versuchen, die Form und Eigenschaften der Fahrzeuge immer weiter zu optimieren. So soll einerseits eine Straßenlage mit geringsten Auftriebswerten gestaltet werden. Andererseits möchte Daimler einen niedrigen Luftwiderstand seiner Fahrzeuge erreichen. Doch wozu das Ganze?

VIEL WIRBEL UM LUFT

Es geht wieder einmal um Komfort und Sicherheit. Ein Auto, das bei Wind und Wetter gut auf der Straße liegt, kann Leben retten. Ein anderer wichtiger Aspekt ist allerdings die Effizienz. Das bedeutet, mit Ressourcen schonend umzugehen. Beim Autofahren meint man dabei zunächst den Kraftstoffverbrauch. Das Erstaunliche ist nämlich, dass du eine Menge Sprit sparen kannst, wenn die Aerodynamik stimmt. Die Windlast ist wie eine Kraft, gegen die das Auto ankämpfen muss. Und das verbraucht eine Menge Energie, also Sprit. Dieses Problem kennen sogar Sportler. Damit auch ihre Energiereserven so lange wie möglich ausreichen, nutzen Radfahrer die perfekte Aerodynamik. Sie haben bei der Fahrt ja auch mit Windströmungen zu tun.

Statt eines Fahrzeugs war sogar auch schon mal ein Mensch im Daimler Aeroakustik-Kanal: Sebastian Kienle, der Ironman-Welt- und Europameister. Er hat die Windschlüpfrigkeit seiner Ausrüstung getestet.

FÜNF-BAND-SYSTEM

Windkanal
1939 war die Messanlage im Werk Untertürkheim noch in den Kinderschuhen

Doch nicht nur die Fahrzeuge, sondern auch die Forschungsanlagen haben sich enorm entwickelt. Dazu hat Daimler 230 Millionen Euro in den Ausbau des Mercedes-Benz Technology Center investiert. So können heute Windgeschwindigkeiten von bis zu 265 Stundenkilometer erzeugt werden.

Außerdem gibt es eine moderne Fahrbahnsimulation – dank des Fünfbandsystems. Jedes Rad läuft auf einem eigenen kleinen Laufband und unter der Mitte des Fahrzeugs befindet sich ein großes Band. Es läuft unter dem Fahrzeugboden. Alle fünf Bänder sind synchron mit dem Wind aktiv, sie laufen also gleichzeitig mit derselben Geschwindigkeit: Es herrschen die gleichen Bedingungen wie auf der Straße. Davon konnte man vor knapp einem Jahrhundert nur träumen. Wenn wir uns diesen Fortschritt bewusst machen, können wir sehr gespannt sein. Denn wer weiß, wohin der Wind unsere Technik noch trägt?

 

Bilder: Daimler AG