powered by Motorsport.com
  • 16.10.2018 · 20:38

Hintergrund: Wie wir im Alltag von Formel-1-Technologie profitieren

Die Formel 1 als Hightech-Labor: Wie die Formel 1 die Einführung des autonomen Fahrens, aber auch Ihr Smartphone beschleunigt

(Motorsport-Total.com) - Seit Jahrzehnten wird die Formel 1 als das "schnellste Entwicklungslabor der Welt" bezeichnet. Doch nach wie vor scheiden sich daran die Geister, ob es sich dabei um eine reine Marketing-Sprechblase handelt oder ob sich der Kampf um Hundertstelsekunden auf der Rennstrecke wirklich auf unseren Alltag auswirkt. Die Herausforderungen in der Formel 1 waren in der Vergangenheit oftmals zu spezifisch oder die Kosten für die industrielle Herstellung zu hoch, um bestimmte Technologien in Serienfahrzeugen einzuführen.

Valtteri Bottas, Lewis Hamilton

Synergien mit dem Alltag? Die erkennt man in der Formel 1 erst auf den zweiten Blick Zoom

Und auch die seit 2014 eingesetzte Hybridtechnologie sah sich immer wieder dem Vorwurf ausgesetzt, sie sei zu abgehoben für die Serie. Als Beispiel dient die Elektromaschine MGU-H: Die Stromgewinnung aus Abgasenergie mag vielleicht bei einem Sportwagen Sinn ergeben - bei einem Pkw, der meist im Stau steht, hat das Konzept aber Schwächen und wird nach wie vor kaum angewendet.

Dafür gibt es andere Bereiche, die weit über die Antriebseinheiten hinausgehen, in denen die Formel 1 die Entwicklung von Technologie ankurbelt. Wir stellen fünf Gründe vor, warum die Formel 1 eine technologische Spitzenstellung einnimmt - von Straßenfahrzeugen über Unterhaltungselektronik und von Medizintechnik bis zu "intelligenten Städten".

1. Hybrid-Motoren - Die Formel 1 macht aus Effizienz Leistung

Aus Ingenieurssicht sind die Hybrid-Antriebseinheiten, die aktuell in der Formel 1 verwendet werden, mit ihrem Wärmewirkungsgrad absolut überwältigend. Mit anderen Worten also mit ihrer Fähigkeit, Benzinenergie in Nutzarbeit umzuwandeln. Als Nicolaus Otto im Jahr 1876 den Verbrennungsmotor entwickelte, hatte dieser eine thermische Effizienz von 17 Prozent. Das bedeutet, dass nur 17 Prozent der Energie aus dem Benzin in Nutzarbeit umgewandelt werden konnten.

Mercedes-Motor

Die Batterieentwicklung profitiert vom Hightech-Labor Formel 1 Zoom

Im Jahr 2013, ein Jahr vor der Einführung der Hybridtechnologie in der Formel 1, erreichte ein Straßenauto im Durchschnitt grob 30 Prozent. Also nur rund ein Drittel des Sprits in einem Auto wurde durchschnittlich dazu genutzt, um es anzutreiben. Im Sommer 2017 lief eine Mercedes-Antriebseinheit auf dem Prüfstand in Brixworth, die einen erstaunlichen Wert erreichte: Sie besaß einen Wärmewirkungsgrad von mehr als 50 Prozent, was sie zu einem der effizientesten Verbrennungsmotoren aller Zeiten machte.

Die Hybrid-Antriebseinheiten sind nicht nur sehr effizient, sie haben auch einen beträchtlichen Beitrag zur Batterietechnologie beigesteuert. Das erste Energierückgewinnungssystem wurde 2007 für die Entwicklung verwendet. Der Energiespeicher wog damals 107 Kilogramm, und das System erreichte einen Wärmewirkungsgrad von 39 Prozent.

Seitdem wurde das Gewicht um mehr als 80 Prozent reduziert. Heute gibt es ein Mindestgewicht von 20 Kilogramm für die Lithium-Ionen-Batterie. Die Effizienz ist um 57 Prozentpunkte angestiegen und erreicht 96 Prozent. Gleichzeitig wurde die Energiedichte verdoppelt und die Leistungsdichte verzwölffacht.

Die Forschung, die betrieben wurde, um ein Formel 1-Auto so leistungsstark wie möglich zu machen, verschafft dem Team nicht nur einen Vorteil auf der Strecke, sie hilft auch teilweise dabei, Straßenautos effizienter zu gestalten.

2. Konnektivität - Formel-1-Technologie im nächsten Smartphone?

Formel 1-Autos sind wahrscheinlich die Fahrzeuge mit der höchsten Konnektivität auf der Welt. Ein modernes Formel-1-Auto verwendet Hightech-Sensoren und sammelt genauso viele Daten wie es Hightech-Sprit verbrennt. Um konkurrenzfähig zu sein, verarbeiten Formel-1-Teams sehr viele Daten. Ein Formel-1-Auto weist hunderte von Sensoren auf, die tausende Datenkanäle aufzeichnen, alle möglichen Dinge rund um das Fahrzeug und die Antriebseinheit messen - von den Kräften und Verlagerungen über die Temperaturen bis zu den Drücken, um Parameter für die Antriebseinheit sowie das Getriebe und die Antriebsleistung zu kontrollieren.

Einige der Telemetriedaten können in Echtzeit abgerufen werden, während das Auto mit bis zu 350 km/h oder mehr um die Strecke saust. Die Art und die Menge an Echtzeitdaten ist jedoch durch die Kontrolleinheit begrenzt, die für alle Teams gleich ist. Der Großteil der Daten wird nur vom Auto an die Ingenieure übertragen, wenn das Fahrzeug an die Box kommt - entweder mit einer sehr schnellen kabellosen Verbindung oder mit einer sogenannten Nabelschnur.

Toro-Rosso-Ingenieure

Die Daten der Autos landen in kürzester Zeit auf den Rechner der Ingenieure Zoom

Die Reifen sind ein Schlüsselfaktor für die Performance in der Formel 1. Sie zu verstehen, ist demnach entscheidend. Während des Freitagtrainings stattet das Team das Auto mit einem optischen Infrarot-Reifen-Überwachungssystem aus, das ein Gesamtbild davon liefern soll, wie die verschiedenen Reifen funktionieren. So erhält das Team ein besseres Verständnis dafür, wie sich die Reifen auf einer Runde und bei der Rennperformance verhalten.

Dabei ist es wichtig, die Reifendaten so schnell wie möglich aus dem Auto zu erhalten. Schließlich steht das Auto nur für einige Momente in oder vor der Box. In der Vergangenheit opferten die Teams entweder Fahrzeit, um alle Daten herunterzuladen oder die Ingenieure mussten bis nach dem Training warten, bis sie Zugriff auf alle Daten erhalten haben.

In der Saison 2017 begann man mit der Verwendung eines Systems mit zwei Hightech-Kabellostechnologien: "5 GHz 802.11ac" und "Multi-gigabit 802.11ad Wi-Fi"-Technologie, die im 60GHz-Millimeterwellenband arbeitet. Der Übergang zwischen den beiden 802.11-Modi wird automatisch durchgeführt. Während das Auto durch die Boxengasse fährt, beginnt es mit der kabellosen Übertragung.

Sobald es innerhalb von vier Metern zur Box ist, wechselt es zu einem schnellen Uplink und übertragt die Daten vom Auto an die Box mit Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 1,9 Gbits pro Sekunde. Mit anderen Worten: Die Übertragung eines Datenvolumens von einem Gigabyte würde weniger als fünf Sekunden benötigen.

Diese Technologie gibt es aber nicht nur in der Formel 1. Sie wurden mit Hilfe der Formel 1 als High-Speed-Forschungsumgebung auch für den Verbrauchermarkt entwickelt. Zukünftig werden ähnliche Technologien in Smartphones Verwendung finden und dadurch für schnellere Download- und Upload-Geschwindigkeiten sowie zuverlässigere Verbindungen sorgen - oder sie halten Einzug in vernetzten Fahrzeugen, die dadurch mit der Außenwelt kommunizieren können.

3. Ein forderndes Umfeld - Hightech auf dem Formel-1-Prüfstand

Das Leben eines typischen Serverschranks ist ziemlich einfach. Er verbringt seine Tage in einem klimagesteuerten Datenzentrum mit Zugangskontrolle, muss sich keine Sorgen über Hitze oder Kälte machen oder gar darüber, sich zu bewegen. Das gilt jedoch nicht für die Server, die mit dem Team auf Reisen gehen. Die Schränke in der Box speichern alle Daten aus dem Auto und sind dadurch von entscheidender Bedeutung.

Trotzdem müssen sie mit all dem klarkommen, was Hightech-Server normalerweise ganz und gar nicht mögen: Sie werden häufig verpackt und rund um die Welt transportiert, sie müssen Temperaturschwankungen von über dem Gefrierpunkt bei den Wintertests bis zur Wüstenhitze in Bahrain oder von der trockenen Luft in Abu Dhabi bis zur enorm hohen Luftfeuchtigkeit in Singapur aushalten.

Vibrationen und Kohlefaserstaub kommen in der Box ebenfalls sehr häufig vor und zählen beide nicht zu den besten Freunden von Computerhardware. Gleichzeitig müssen die Daten auf diesen Servern schnell zugänglich sein sowie an Ort und Stelle verschlüsselt werden. Im Vergleich zu einem "üblichen" Server in einem Datenzentrum ist das Leben eines Servers an der Rennstrecke also ganz anders - und eine echte Herausforderung. Es sind genau diese Herausforderungen, die die Formel 1 für Technologiepartner der Rennställe so interessant machen.

Sandsturm in Bahrain

Ein Wüstensturm ist auch für die Computer der Teams eine harte Probe Zoom

Aber in der Formel 1 werden nicht nur die Servertechnologien auf die Probe gestellt, sondern alle möglichen Technologien - selbst jene, die scheinbar nichts mit der Formel 1 zu tun haben. So stellen die Formel-1-Boliden eine ideale Testumgebung für bestimmte Technologien dar, die entscheidend für autonomes Fahren sind. Die schiere Menge an Daten, die direkt im Auto verarbeitet oder an die Box gesendet wird, macht die Formel-1-Autos in dieser Hinsicht zu einem besonders interessanten Testumfeld.

Flash-Server, die in der Box des Teams getestet wurden, sind für den Einsatz in Flugzeugen oder Kreuzfahrtschiffen geeignet oder können als mobile Datenzentren in Lastwagen eingesetzt werden. Aber der Technologietransfer geht noch viel weiter. So haben Technologie-Partner zum Beispiel die Lehren aus ihrer Kooperation mit dem Team für medizinische Kunden angewandt.

Die Herausforderung in der Box ist es, eine enorme Menge an Daten aus der Maschine - dem Auto - in die Computersysteme zu transferieren, damit diese sie analysieren können. Eine sehr ähnliche Situation präsentiert sich in einem modernen Krankenhaus und in medizinischen Forschungseinrichtungen, in denen riesige Datenmengen von Maschinen wie Gen-Sequenzern oder Röntgengeräten übertragen und analysiert werden müssen.

4. Digitales Engineering und Tests

Formel 1-Teams sind heute von Daten getriebene Unternehmen. Die rund 500 Gigabyte an Daten, die sich im Verlauf eines Rennwochenendes an der Strecke sammeln, stellen nur die Spitze des Eisbergs dar. In der Fabrik produziert ein Team wie Mercedes ungefähr fünf bis zehn Terabyte an Daten - pro Woche! Im Laufe eines Jahres sammeln sich dadurch mehr als 350 Terabyte an Daten an.

So gut wie jede Abteilung in der Fabrik produziert Daten, viele davon in großen Mengen. Egal, ob es um "Computational Fluid Dynamics" (CFD), computergestütztes Design ("Computer-aided design", CAD), den Windkanal oder Prüfstände geht - all diese Technologien und Testmethoden sind datenintensiv. Deshalb investieren die Formel-1-Teams stark in Bereiche wie Datenanalyse, Datenwissenschaft, Maschinenlernen und künstliche Intelligenz - also die gleichen Technologien, die auch in vielen anderen datenintensiven Branchen immer wichtiger werden.

So verwendet das Team beispielsweise rechnergestützte Rohdatenanalysen, um Muster zu erkennen, die auf Trends oder Defekte von Fahrzeugkomponenten hindeuten. Mit zunehmender Rechenleistung können immer mehr Daten analysiert werden. Selbst komplexe Daten - wie etwa Bilder vom Reifenverschleiß - können heutzutage automatisch voranalysiert werden, bevor sie von den aufmerksamen Augen eines Reifeningenieurs begutachtet werden.

Und wieso ist das relevant für den Rest der Welt? Weil viele Branchen ähnliche Technologien verwenden. Egal, ob man versucht, herauszufinden, ob eine Formel-1-Antiriebseinheit kurz vor einem Defekt steht, oder ein Straßenauto bald zum Service muss - die Lösungen sind sehr ähnlich. Beide Herausforderungen vertrauen auf automatisierte Datenanalyse, die zu einer Reaktion führen.

Diese ist entweder ein Funkspruch an einen Formel-1-Fahrer, der ihn anweist, sein Auto abzustellen, oder die Reservierung des nächsten freien Termins bei der Autowerkstatt. Aber die Ähnlichkeiten gehen weit über die Automobilindustrie hinaus. Selbst Gesundheitsdaten können auf ähnliche Art analysiert werden. Während die Probleme unterschiedlich sind, sind die Werkzeuge die gleichen.

Das zeigt sich auch in der Zusammenarbeit des Mercedes-Formel-1-Teams in Brackley mit der Daimler-Forschungsgruppe in Sindelfingen: Obwohl die Anforderungen an die Aufhängung eines Straßenautos ganz anders sind als bei einem Rennwagen, konnten beide Gruppen von dem Projekt profitieren. Seitdem wurde die Zusammenarbeit ausgeweitet und umfasst nun viele Bereiche mit gemeinsamen Interessen, in denen die entwickelten Werkzeugsätze viel gemein haben, obwohl die Anwendung an einem Straßenauto und einem Rennauto ganz unterschiedlich ausfällt.

Eine weitere Gemeinsamkeit ist, dass die Formel-1-Ingenieure und die Straßenauto-Ingenieure immer mehr in der virtuellen Welt arbeiten, die auf digitales Design, Entwicklung und Testwerkzeuge setzt. Aus diesem Grund können die Herausforderungen und die Werkzeuge, um diese zu bewältigen, zum beidseitigen Vorteil sein.

5. Die vierte industrielle Revolution

Die Digitalisierung verändert nicht nur die Art und Weise, wie Formel-1-Autos ersonnen und entwickelt werden, sie verändern auch die Art, wie sie produziert werden. Lange Zeit waren die Produktion von Straßenautos und die von Formel-1-Boliden gänzlich unterschiedliche Disziplinen. Während erstere in Massenproduktion mit einem Minimum an Individualisierung hergestellt wurden, lag letzterer ein höchstindividualisierter Prozess zugrunde.

Dabei spielten auch die Produktionskosten eine Rolle. Kohlefaser war zum Beispiel noch nie ein günstiges Material, aber die Kosten sind begrenzt, wenn man es nur für zwei Autos verwendet. Die Verwendung von Kohlefaser in einem Straßenauto in Massenproduktion war für viele Jahre viel zu teuer. Deshalb wurde das Material in der Formel 1 schon in den 1980er-Jahren eingeführt, schaffte danach aber über viele Jahre hinweg nicht den Sprung in die Serienproduktion.

Mit der Entstehung moderner Produktionsmethoden wurde die Lücke zwischen Massenproduktion und höchstindividualisierter Produktion viel geringer. Die Welt befindet sich inmitten der vierten industriellen Revolution, und die Formel 1 mischt dabei ganz vorne mit. Technologische Fortschritte in der Welt der Konnektivität und bei der Verarbeitung von Daten führen dazu, dass moderne Produktionswerkzeuge sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Welt existieren.

Während die Produktionsmaschinen nur für die Automation gut schienen - um immer wieder die gleiche Aufgabe auszuführen - sind moderne Maschinen immer besser darin, verschiedene Aufgaben auszuüben. Sie können komplexe Formen bauen, eine Reihe an Materialien verwenden und sich an Veränderungen anpassen. Technologien wie additive Fertigung könnten dazu führen, dass wir eines Tages vielleicht Maschinen sehen, die an einem Tag Fahrzeugkomponenten bauen und am nächsten Tag einen Herzschrittmacher.

Formel-1-Teams sind vergleichsweise kleine Unternehmen, aber sie bauen viele verschiedene Teile. Ein Formel-1-Auto ist praktisch ein Prototyp, an dem es praktisch wöchentlich neue Teile gibt. Deshalb müssen die Teams die Teile nicht nur entwickeln, sondern auch so schnell wie möglich herstellen. Genau diese Erfahrung mit modernen Produktionsmethoden macht die Formel 1 interessant für Unternehmen aus der Autobranche.

Die Serienproduktion wird mit unterschiedlichen Modellen, die auf der gleichen Produktionslinie hergestellt werden, immer komplexer. Es gibt immer mehr Wahlmöglichkeiten für die Kunden, um ihre Autos zu individualisieren. Die heutige Formel-1-Welt bietet somit Möglichkeiten, um die Methoden für die Straßenwagenproduktion von morgen im kleinen Stil zu testen.

Neueste Kommentare

Anzeige

Motorsport-Total.com auf Twitter