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Donnerstag, 21. Februar 2019

Testzentrum

Klimatechnische Weltreise

Von Peter Kellerhoff | 20. Dezember 2018 | Ausgabe 51

Von Temperaturen wie in der Arktis bis zu denen im Death Valley – im neuen Klimawindkanal-Testzentrum von Ford in Köln werden Fahrzeuge nach allen Regeln der Kunst malträtiert.

Kältekammer
Foto: Christian Rolfes

Kälteschock: -40 °C sind eine Tortur für jedes Fahrzeug. Zähflüssige Öle und Kraftstoffe sowie entladene Batterien könnten zur Arbeitsverweigerung führen – wehe dem Fahrzeug, das die Tests nicht besteht.

Es ist kalt. Verdammt kalt. -40 °C, etwa der Schmelzpunkt von Quecksilber. Ford-Ingenieure überprüfen Kabel, Verbindungen und Sensoren. Zum Glück brauchen sie sich dort nicht lange aufzuhalten und können schnell wieder in das wohltemperierte und mit blinkenden Monitoren vollgestopfte Labor flüchten und sich aufwärmen. Anders als der Kandidat, der in der Affenkälte dieser Kammer noch eine Weile ausharren muss und dem die Ingenieure durch dicke Glasscheiben beim Frieren zuschauen. Aber er ist das gewohnt. Das – und noch ganz andere Strapazen.

Das Ford Klimawindkanal-Testzentrum

Der Kandidat mit Aussicht auf den Titel „Eismann des Jahres“ ist ein Ford Fiesta. Er steht in der Kältekammer des neuen Klimawindkanal-Testzentrums von Ford in Köln-Merkenich, das in dieser Kombination weltweit einmalig ist. Hier können Fahrzeuge extremsten Bedingungen ausgesetzt werden: Luftdruck von 5200 m Höhe ebenso wie von 100 m unter Normalhöhennull, Luftfeuchtigkeit von 10 % bis 95 %, Temperaturen von - 40 °C Kälte bis + 55 °C Hitze. Sonne, Schnee, Sturm und Regen kommen noch hinzu. Unzählige Szenarien und Kombinationen ergeben sich daraus. Und warum? Damit Fahrzeuge für alle Extremwerte getestet werden können und später in allen Lagen und Regionen in der Welt reibungslos funktionieren. Über dem Ganzen liegt in den Hallen ein leicht stechender Geruch in der Luft.

Früher mussten ganze Testteams mit Riesenequipment nach Australien, Skandinavien oder die USA geschickt werden, um vor Ort zu testen. Das war teuer und mit hohem logistischen und materiellen Aufwand verbunden. „Und dann waren die Testergebnisse vom Vortag oft durch veränderte Witterungsbedingungen nicht mehr reproduzierbar“, seufzt Michael Steup, Projektleiter des Testzentrums und quasi sein geistiger Vater. Ab 2012 wurde geplant, zwei Jahre später gebaut.

Foto: Peter Kellerhoff

Projektleiter Michael Steup skizziert den Aufbau eines der neuen Windkanäle: Die Maße: 40 m lang, 15 m hoch, 300 t schwer.

Seit Mitte des Jahres ist das von außen eher unscheinbare Gebäude nun in Betrieb und belegt 5500 m2 – also etwa die Größe eines Fußballfeldes – am Rande des Ford-Entwicklungszentrums. Vorher war dort Brachland mit exakt 375 Bäumen. Doch es gab ein Problem: Horst. Bei der Begehung durch die Stadt wurde ein Bussard-Horst entdeckt, die Baumfällgenehmigung lag erst einmal auf Eis. Also errichteten die Ford-Werke mehrere künstliche Horste in einiger Entfernung. So durften die Bäume gefällt werden, um mit den Bauarbeiten für das 70-Mio.-€-Projekt zu beginnen. Die Ersatzhorste waren nach einem Jahr bewohnt und damit alle Auflagen erfüllt.

Zurück ins Innere: Von der Affenkälte geht es jetzt zu einer Kammer, die als weltweit einzige Klimakammer für Fahrzeuge einen Luftdruck erzeugen kann, welcher der Höhe des Mount-Everest-Basislagers entspricht – 5200 m. Oder eben der des Death Valleys – 85 m unter dem Meeresspiegel. Doch welchen Sinn haben solche Experimente für deutsche Autofahrer, wo doch Oberwiesenthal als höchstgelegene Stadt gerade mal 914 m über Normalhöhennull liegt? Steups Antworten kommen wie aus der Pistole geschossen: „Die Hälfte unserer weltweit verkauften Modelle werden in Regionen oberhalb von 1000 m bewegt.“

Wenn man an Indien oder China denke, dann müsse man sogar auf Höhen über 4000 m vorbereitet sein. „Schließlich sollen unsere Fahrzeuge überall auf der Welt einwandfrei funktionieren“, betont Steup und fügt schnell hinzu: „Hier können wir auch simulieren, wie Bauteile, z. B. eine Klimaanlage, für bestimmte Regionen ausgelegt sein sollten.“ In kalten oder hoch gelegenen Regionen kleiner, im Death Valley eben größer.

Die Füllmenge und die Größe des Klimakompressors richten sich nach der Region. Würde die Klimaanlage unterdimensioniert sein, würde der Kunde meckern. Ist sie zu groß dimensioniert, meckern die hauseigenen Controller. Ein Unterschied, der im Endeffekt vielleicht nur 10 € ausmacht, kann bei 1 Mio. ausgelieferten Fahrzeugen entweder 1 Mio. unzufriedene Kunden bedeuten oder es schlägt sich mit 10 Mio. € in den Bilanzen nieder. Besser, wenn man sich vorher durch Simulationen an die kaufmännisch und technisch sinnvolle Formel herantastet: So groß wie nötig, so klein wie möglich. Und am Besten für jeden Markt passgenau.

Die Klimakammer muss enorme Kräfte aushalten. „Durch den niedrigen Luftdruck in großen Höhen, der hier simuliert wird, möchte der normale Außendruck die Kammer am liebsten wie eine PET-Flasche zusammenquetschen“, beschreibt es Steup und deutet mit einer weit ausholenden Bewegung nach oben. Wände und Stahlbetondecke sind deshalb etwa so dick, wie die Schultern eines Mitteleuropäers breit – 70 cm. Das müssen sie auch sein, schließlich lasten darauf je nach Testszenario 5 t/m2. Die kleinen Beobachtungsfenster sind aus zentimeterdickem Glas.

An der dicken Stahltür, die mit ihrem großen Verriegelungsrad an ein U-Boot oder einen Tresor erinnert, hält Steup kurz inne. Sein Blick ist ernst: Die Sicherheit der Mitarbeiter, die unter diesen Bedingungen in der Kammer arbeiten, hat oberste Priorität. Jeder Prüfer bekommt eine spezielle Höhenuntersuchung, ab 3000 m steht im Raum Sauerstoff bereit, ein Sensor am Finger misst ständig die Sauerstoffsättigung im Blut. Niemand geht allein in die Kammer, alle sind ausgebildete Ersthelfer. Ab einer gewissen Höhe ist ärztliches Personal vor Ort, die nächste Druckkammer ist nicht weit.

Doch was ist, wenn in 5000 m Höhe ein Brand ausbricht oder ein Mitarbeiter kollabiert? Steup weiß um die besonderen Gefahren: „Man kann durch den enormen Druckunterschied ja nicht einfach die Tür aufreißen, wir müssen erst einen Druckausgleich herstellen.“ Normal dauere das rund acht Minuten, im Notfallszenario schaffen die Kölner das sogar in drei Minuten. „Stellen Sie sich das vor wie ein Fallschirmspringer, der aus 5 km Höhe abspringt, erst im letzten Moment den Fallschirm öffnet, um nach drei Minuten auf dem Höhenniveau von Köln zu landen. Erst dann können wir rein und helfen.“

Foto: Christian Rolfes

Bruthitze: Temperaturen von bis zu + 55 °C bringen die Materialen an ihre Grenzen.

Ortswechsel: Die nächste Kammer raubt förmlich die Luft zum Atmen, Brillengläser beschlagen sofort bei jedem, der sie betritt. Und wieder liegt dieser undefinierbare Geruch in der Luft. Hier herrschen über 90 % relative Luftfeuchtigkeit wie im tropischen Regenwald. Und das gepaart mit Temperaturen um die + 50 °C, nur knapp 8 °C unter der jemals im Freien gemessenen höchsten Temperatur auf der Erde. Eine 112 000-Watt-Lichtanlage simuliert hohe Sonneneinstrahlung. Für die Ingenieure, die die Kammer betreten müssen, liegt Sonnencreme bereit. Lange sollen und wollen sie sich in der Kammer nicht aufhalten.

Mittendrin steht ein Pick-up, der das Endzeitszenario perfekt macht. Unser Fiesta war auch schon da. Hier wird getestet, wie sich die elektronischen Fahrzeugkomponenten bei Feuchte und Hitze verhalten, ob sich die Karosse an bestimmten Stellen ausdehnt und wie der Motor solche Torturen wegsteckt. Kein Ort, an dem Menschen länger als unbedingt nötig verweilen würden.

Besser hat es da schon der neu zum Team hinzugestoßene Testingenieur Christoph Pohl. Er sitzt vor mehreren Monitoren im Kontrollraum des Klimawindkanals und überwacht ein rotes Fahrzeug, das sich hinter den Scheiben heftigem Regen und 120 km/h starkem Wind entgegenstemmt. In der Hand hält er ein Funkgerät und ist in regem Austausch mit den Fahrzeuginsassen. „Wir fahren einen Regentest um herausfinden, ob, wann und auch wo ein Luftfilter Wasser zieht, bis er voll ist“, meint Pohl und beantwortet danach per Funk die Nachfrage aus dem Fahrzeug nach der Drehzahl des Windkanalrotors: „600 Umdrehungen.“ Die Sinnhaftigkeit eines solches Tests steht für Steup außer Frage. Sollte unter bestimmten Bedingungen irgendwo Wasser eindringen, müssen Leitbleche installiert oder modifiziert werden.

Foto: Christian Rolfes

Platzregen im Windkanal hilft den Technikern, möglichen Leckagen auf die Spur zu kommen oder auch nur die Funktionalität der Scheibenwischer zu überprüfen.

In der Wetterfabrik von Ford sind vier Klimakammern und zwei Klimawindkanäle untergebracht, ferner das Höhenlabor. Allein in den Windkanälen sind rund 600 t Stahl verbaut. Mit dieser Menge an Stahl könnte man im benachbarten Ford-Werk gut und gerne auch 2000 Fiesta-Rohkarossen herstellen. Für den Wind sorgt je ein Rotor pro Kanal. Der Rotor hat einen Durchmesser von 4,50 m und beschleunigt mit seinen 18 Carbonrotorblättern die Luft in dem 40 m langen und 15 m hohen geschlossenen System der Windkanäle auf bis zu 250 km/h.

Foto: Christian Rolfes

Das Herzstück des Windkanals ist der Rotor mit einem Durchmesser von 4,80 m. Seinen 18 Blätter sind aus Carbon weil es leichter ist. Dadurch ist das Ansprechverhalten schneller als das der alten Rotoren aus Holz.

Früher wurden Rotoren aus Holz eingesetzt. Die deutlich leichteren Carbonblätter haben jetzt ein verbessertes Ansprechverhalten, sodass sich z. B. plötzliche Fahrzeugbeschleunigungen im Windkanal besser simulieren lassen.

Für das Nachahmen dieser extremen Wetterbedingungen benötigt man natürlich viel Energie. Die Anschlussleistung, mit der das Klimawindkanal-Testzentrum durch drei armdicke Stromleitungen versorgt wird, beträgt 10 MW. Das entspricht dem Strombedarf eines kleinen Ortes mit 2400 Einwohnern. „Der Strom, den wir beziehen, ist zu 100 % Ökostrom, stammt also komplett aus erneuerbaren Quellen“, betont Steup. Die Wetterfabrik im Kölner Norden belastet also nicht das globale Klima.

Wieder im Freien fällt sofort auf, dass der sonderbare Geruch fehlt. Steup klärt auf: „So riechen Reifen.“ Das ist es. Zum Testzentrum gehört nämlich eine Werkstatt inklusive eines großen Reifenlagers, von wo aus sich der Geruch verteilt. Normale Fahrreifen sollen nicht durch Hitze, Eis und hohen Luftdruck beschädigt werden. Daher bekommt jedes Fahrzeug bei der Einfahrt ins Zentrum zur Sicherheit andere Reifen, die das Testzentrum nie verlassen. Es zieht also quasi seine Hausschuhe an.