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

Er hat die beiden nach Sindelfingen eingeladen und für sie den Klimakanal der Daimler-Forschungsabteilung geöffnet. Und: Die beiden jungen Reporter haben im Interview mit Ola Källenius Spannendes über die Fahrzeugentwicklung erfahren.

Nick und Emma im Interview mit Ola Källenius

„Das war richtig cool im Wärmekanal. Wie an einem ganz heißen Sommertag. Es war auch ganz hell – wie gut, dass ich meine Sonnenbrille dabei hatte“, erzählt Emma begeistert. „Und dann kam der Kälteschock im Kältekanal. Minus 20 Grad waren es dort! Das Auto war komplett vereist, und wir haben es mit Ola Källenius gemeinsam freigekratzt“, erzählt Nick beeindruckt.

Schau dir Emmas und Nicks spannenden Tag mit Ola Källenius im Klimakanal an – hier ist ihre Videoreportage:
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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

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

Sie erlauben es den Ingenieuren, neu entwickelte Fahrzeuge oder Komponenten bereits frühzeitig für alle Wetterbedingungen zu optimieren. Bei der späteren realen Erprobung auf Straßen starten dann nur noch Prototypen, die längst unter widrigsten Klimaeinflüssen einen großen Reifegrad bewiesen haben. Dadurch werden schon im Vorfeld langwierige Versuche auf der Straße vermieden. Das ist nicht nur effizienter für den Entwicklungsprozess, sondern auch zugunsten der Umweltbilanz.

Fahrzeugerprobung der Superlative

In den neuen Klima-Windkanälen können alle gewünschten klimatischen Bedingungen dargestellt werden – das ganze Jahr über. So sind die Ingenieure nicht von den realen Wetterbedingungen abhängig, denn selbst in den kältesten Regionen der Erde herrschen im Winter nicht immer so kalte Temperaturen, wie sie für ihre Erprobungen benötigen würden. Gleichzeitig können alle Versuche unter genau den gleichen Bedingungen immer wiederholt werden, um Ergebnisse abzusichern – Das wäre in der freien Natur nicht möglich.

Einer der beiden neuen Klima-Windkanäle ist als Kaltkanal mit einem Temperaturbereich von minus 40 bis plus 40 Grad Celsius konzipiert. Hier wird zum Beispiel getestet, wie lange die Heizung braucht, um ein tiefgefrorenen Fahrzeug vom Eis zu befreien. Bei Plusgraden lassen sich hier auch Regenfälle mit bis zu 80 Litern pro Quadratmeter in der Stunde erzeugen.

Klimawindkanal_9
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SLS Roadster im Klimawindkanal (R 197) 2011
Klimawindkanal_8
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SLK 350 ( R 172 ) 2011 – Klimawindkanal Mercedes-Benz Werk Sindelfingen
Klimawindkanal_7
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SLK 350 ( R 172 ) 2011 – Klimawindkanal Mercedes-Benz Werk Sindelfingen
Klimawindkanal_6
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SLK 350 ( R 172 ) 2011 – Klimawindkanal Mercedes-Benz Werk Sindelfingen
Klimawindkanal_5
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Klimawindkanal Mercedes-Benz Werk Sindelfingen
Klimawindkanal_4
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Mit der Turbine lassen sich Windgeschwindigkeiten von bis zu 265 km/h erzeugen.
Klimawindkanal_3
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In den Konditionierkammern werden die Fahrzeuge auf ihren Einsatz im Kalt- oder Warmkanal vorbereitet.
Klimawindkanal_1
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In der Schaltzentralekönnen die Techniker jeden Versuch genau verfolgen und Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Windgeschwindigkeiten und andere Einstellungen regeln.
Klimawindkanal_2
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Im Gebäude 64/1 des Mercedes- Technology Centers in Sindelfingen befindet sich der Klima-Windkanal. Etwa zwei Drittel des 18 Meter hohen Gebäudes mit 70 x 60 Meter Grundfläche beanspruchen die ...

Sonnensimulation und Wüstenhitze

Im neuen Warmkanal steht ein Temperaturbereich von minus 10 bis plus 60 Grad Celsius zur Wahl. Zusätzlich ist eine Sonnensimulation installiert. Mit 32 Lampen lässt sich ein Strahlungsspektrum mit einer Fläche von 8 x 2,5 Meter und zwischen 200 und 1200 Watt pro Quadratmeter erzeugen. Vergleichbare Werte gibt es in der Realität nur an sehr wenigen Orten der Erde, etwa im Death Valley in den USA oder in einigen Wüsten.

Die Sonnensimulationsanlage kann seitlich auf bis zu 5 Grad über dem Horizont abkippen. Dadurch ist es sogar möglich, den Lauf der Sonne über den ganzen Tag hinweg naturgetreu nachzustellen. Auch rasche Licht- und Temperaturschwankungen, wie sie etwa bei vorüberziehenden Wolken oder der Einfahrt in einen Tunnel vorkommen, sind kein Problem.

Ein weiteres Instrument des neuen Warmkanals ist die beheizte Fahrbahn – die „Hot Road“. Sie lässt sich von 50 bis 70 Grad einstellen und kann somit die Hitze einer sommerlichen Straße simulieren.

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Gut festhalten

In beiden Klimakanälen ist eine Geschwindigkeiten von bis zu 265 km/h möglich – genug Reserven also, um selbst Sportwagen auf den Prüfstand zu nehmen. Integriert ist auch ein leistungsfähiger Windkanal, dessen Turbine von der lauen Brise bis zum Orkan jeden gewünschten Fahrtwind erzeugen kann. Im Extremfall sind zum Beispiel Schneestürme mit 200 km/h möglich. Ganz schön stark, wenn man bedenkt, dass ein Mensch schon ab 100 km/h nicht mehr frei stehen könnte.