Die Geschichte der Bahntechnik

Seit ihrer Erfindung haben Eisenbahnen eine große Rolle bei der Weiterentwicklung der Zivilisationen auf der ganzen Welt gespielt. Vom alten Griechenland bis zum heutigen Amerika haben Eisenbahnen die Art und Weise verändert, wie Menschen reisen und arbeiten.

Die früheste Form des Schienenverkehrs geht auf 600 v. Chr. Zurück. Die Griechen machten Rillen in gepflasterten Kalksteinstraßen, um sie in Verbindung mit Radfahrzeugen zu verwenden, und erleichterten den Transport von Booten über die Landenge von Korinth. Als die Römer 146 v. Chr. Die Griechen eroberten, verfielen die frühen Eisenbahnen und verschwanden für mehr als 1.400 Jahre.

Das erste moderne Schienenverkehrssystem kehrte erst im 16. Jahrhundert zurück. Sogar dann würde es noch dreihundert Jahre dauern, bis die Erfindung der Dampflokomotive den Schienenverkehr weltweit verändern würde. 

Die ersten modernen Eisenbahnen

Die Vorläufer moderner Züge debütierten in den frühen 1550er Jahren in Deutschland mit der Einführung von Waggons. Diese primitiven Schienenstraßen bestanden aus Holzschienen, über die sich Pferdewagen oder Karren leichter bewegen konnten als über unbefestigte Straßen. In den 1770er Jahren wurden Holzschienen durch Eisenschienen ersetzt. Diese Wagen entwickelten sich zu Straßenbahnen, die sich in ganz Europa verbreiteten. Der Engländer William Jessup entwarf 1789 die ersten Wagen mit Spurkranzrädern, die gerillt waren, damit die Räder die Schiene besser greifen konnten. Dieses wichtige Konstruktionsmerkmal wurde auf spätere Lokomotiven übertragen.

Bis zum 19. Jahrhundert wurden Eisenbahnen aus Gusseisen gebaut. Leider war Gusseisen anfällig für Rost und es war spröde, was häufig dazu führte, dass es unter Belastung versagte. Im Jahr 1820 erfand John Birkinshaw ein haltbareres Material namens Schmiedeeisen. Diese Innovation war zwar immer noch eine Verbesserung gegenüber Gusseisen, sie wurde jedoch zum Standard, bis das Bessemer-Verfahren Ende der 1860er Jahre die billigere Stahlproduktion ermöglichte, was den raschen Ausbau der Eisenbahnen nicht nur in ganz Amerika, sondern auch in der Umgebung auslöste die Welt. Schließlich wurde der Bessemer-Prozess durch die Verwendung von Feuerungsöfen ersetzt, wodurch die Kosten für die Stahlproduktion weiter gesenkt wurden und bis zum Ende des 19. Jahrhunderts die meisten größeren Städte in den USA mit Zügen verbunden werden konnten.

Die industrielle Revolution und die Dampfmaschine

Mit den Grundlagen für ein fortschrittliches Eisenbahnsystem musste nur ein Mittel gefunden werden, um mehr Menschen und mehr Waren über längere Strecken in kürzerer Zeit zu befördern. Die Antwort kam in Form einer der bedeutendsten Erfindungen der industriellen Revolution, der Dampfmaschine, die für die Entwicklung der modernen Eisenbahnen und Züge von entscheidender Bedeutung war.

Im Jahr 1803 beschloss ein Mann namens Samuel Homfray, die Entwicklung eines dampfgetriebenen Fahrzeugs zu finanzieren, um die Pferdewagen auf den Straßenbahnen zu ersetzen. Richard Trevithick baute dieses Fahrzeug, die erste Straßenbahnlokomotive mit Dampfmaschine. Am 22. Februar 1804 schleppte die Lokomotive eine Ladung Eisen mit 10 Tonnen, 70 Mann und fünf zusätzlichen Wagen die neun Meilen zwischen den Eisenhütten in Pen-y-Darron in der Stadt Merthyr Tydfil, Wales, auf den Grund von Abercynnon Senke. Die Reise dauerte ungefähr zwei Stunden.

Im Jahr 1812 wurde der englische Erfinder George Stephenson Zechentechniker für die Stockton and Darlington Railway Line. 1814 hatte er seine erste Lokomotive für sie gebaut. Wenig später überzeugte er die Eigner, eine Dampflokomotive auszuprobieren. Der erste Versuch hieß der Fortbewegung. Während Stephenson als Erfinder der ersten Dampflokomotive für Eisenbahnen gilt, wird Trevithicks Erfindung als erste Straßenbahnlokomotive angeführt.

1821 ließ der Engländer Julius Griffiths als erster eine Personenkraftwagen-Lokomotive patentieren. Im September 1825 startete die Stockton & Darlington Railroad Company mit Stephensons Lokomotiven die erste Eisenbahn, die sowohl Güter als auch Fahrgäste regelmäßig beförderte. Diese neuen Züge könnten sechs beladene Kohlewagen und 21 Personenwagen mit einer Kapazität von 450 Passagieren über neun Meilen in ungefähr einer Stunde ziehen.

Nicht lange danach eröffnete Stephenson seine eigene Firma, Robert Stephenson and Company. Sein berühmtester Prototyp, Stephenson's Rocket, wurde für die Rainhill Trials entworfen und gebaut, eine Veranstaltung der Liverpool und Manchester Railway aus dem Jahr 1829, bei der das beste Design für den Antrieb ihrer neuen Lokomotiven ausgewählt wurde. Das Rakete, Die fortschrittlichste Lokomotive ihrer Zeit gewann handlich und setzte den Maßstab, nach dem die meisten Dampfmaschinen für die nächsten 150 Jahre gebaut werden sollten.

Das amerikanische Eisenbahnsystem

Oberst John Stevens gilt als Vater der Eisenbahnen in den Vereinigten Staaten. Stevens demonstrierte 1826 die Machbarkeit der Dampflokomotive auf einer Versuchsrundstrecke, die auf seinem Anwesen in Hoboken, New Jersey, drei Jahre bevor Stephenson eine praktische Dampflokomotive in England perfektionierte.

Stevens erhielt 1815 die erste Eisenbahncharta in Nordamerika, andere erhielten jedoch Zuschüsse, und bald darauf begannen die Arbeiten an den ersten betriebsbereiten Eisenbahnen. 1930 entwarf und baute Peter Cooper die erste in Amerika gebaute Dampflokomotive, die Däumling, auf einer Common-Carrier-Eisenbahn betrieben werden.

Eine weitere große Zuginnovation des 19. Jahrhunderts hatte nichts mit Antrieb oder Stromversorgung zu tun. Stattdessen drehte sich alles um den Komfort der Passagiere. George Pullman erfand den Pullman-Schlafwagen 1857. Obwohl Schlafwagen seit den 1830er Jahren auf amerikanischen Eisenbahnen im Einsatz waren, wurde der Pullman-Wagen speziell für die Nachtfahrt von Passagieren entwickelt und als deutliche Verbesserung gegenüber seinen Vorgängern angesehen.

Die Nachteile der Dampfkraft

Dampflokomotiven wirkten sich im Laufe des Jahres 19 zweifellos auf den Verkehr und die wirtschaftliche Expansion aus^th Jahrhundert war die Technologie nicht ohne Nachteile. Eines der problematischsten war der Rauch, der beim Verbrennen von Kohle und anderen Brennstoffen entsteht.

Während die schädlichen Nebenprodukte auf offenem Land schon früh erträglich waren, wurde die Gefährdung durch Kraftstoffabgase umso offensichtlicher, als Eisenbahnen in dicht besiedelte Gebiete vordrangen, was wiederum eine wachsende Anzahl von unterirdischen Tunneln zur Unterbringung von Zügen in Richtung Stadt erforderte Reiseziele. In einer Tunnelsituation kann Rauch tödlich werden, insbesondere wenn ein Zug unter der Erde stecken bleibt. Mit Strom betriebene Züge schienen eine naheliegende Alternative zu sein, aber die frühe Technologie der elektrischen Züge konnte über weite Strecken einfach nicht mit Dampf mithalten.

Elektrolokomotiven starten nur schleppend

Der erste Prototyp für eine elektrische Lokomotive wurde 1837 vom schottischen Chemiker Robert Davidson mit galvanischen Batteriezellen gebaut. Davidsons nächste Lokomotive, eine größere Version mit dem Namen Galvani, debütierte 1841 auf der Ausstellung der Royal Scottish Society of Arts. Sie wog sieben Tonnen und hatte zwei direkt angetriebene Reluktanzmotoren, die feststehende Elektromagnete verwendeten, die auf Eisenstangen wirkten, die an Holzzylindern an jeder Achse befestigt waren. Während es im September 1841 auf der Edinburgh and Glasgow Railway getestet wurde, versenkte die begrenzte Leistung seiner Batterien das Projekt. Das Galvani wurde später von Eisenbahnarbeitern zerstört, die die alternative Technologie als potenzielle Bedrohung für ihren Lebensunterhalt betrachteten.

Die Idee von Werner von Siemens, dem ersten elektrischen Personenzug, bestehend aus einer Lokomotive und drei Waggons, wurde 1879 in Berlin erstmals gefahren. Der Zug hatte eine Höchstgeschwindigkeit von etwas mehr als 13 km pro Stunde. Innerhalb von vier Monaten wurden 90.000 Passagiere auf einer 300 Meter langen Rundstrecke befördert. Der 150-Volt-Gleichstrom des Zuges wurde über eine isolierte dritte Schiene eingespeist.

Elektrische Straßenbahnlinien gewannen an Popularität, zuerst in Europa und später in den Vereinigten Staaten, nachdem sie erstmals 1881 in Lichterfelde bei Berlin, Deutschland, auftauchten. 1883 war in Brighton, England, eine elektrische Straßenbahn in Betrieb, und die Straßenbahn, die in der Nähe von Wien, Österreich, ihren Betrieb aufnahm, war im selben Jahr die erste im Linienverkehr, die über eine Freileitung betrieben wurde. Fünf Jahre später fuhren die von Frank J. Sprague (einem Erfinder, der einst für Thomas Edison gearbeitet hatte) entworfenen elektrischen Wagen auf die Gleise der Richmond Union Passenger Railway. 

Der Übergang von Dampf zu Elektrizität

Die erste elektrische U-Bahnlinie wurde 1890 von der City and South London Railway in Betrieb genommen. Fünf Jahre später entwickelte Sprague ein wegweisendes Traktionskontrollsystem für Züge. Jedes Auto war mit einem Fahrmotor und motorgesteuerten Relais ausgestattet. Alle Wagen wurden von der Vorderseite des Zuges mit Strom versorgt, und die Fahrmotoren arbeiteten gemeinsam. Die MUs erhielten ihre erste praktische Installation für die South Side Elevated Railroad (heute Teil der Chicago L) im Jahr 1897. Mit dem Erfolg der Erfindung von Sprague übernahm Elektrizität bald die Stromversorgung der Wahl für U-Bahnen.

Im Jahr 1895 wurde eine vier Meilen lange Strecke der Baltimore Belt Line der Baltimore and Ohio Railroad (B & O), die mit New York verbunden war, als erste amerikanische Hauptbahnstrecke elektrifiziert. Dampflokomotiven fuhren bis zum südlichen Ende der elektrifizierten Strecke, wurden dann an elektrisch angetriebene Züge angekoppelt und durch die Tunnel gezogen, die Baltimore umgaben.

New York City war eines der frühesten Unternehmen, das Dampfmaschinen aus seinen Zugtunneln verbannte. Nach einer Park Avenue-Tunnelkollision von 1902 wurde der Einsatz von raucherzeugenden Lokomotiven südlich des Harlem River verboten. Die New York Central Railroad setzte ab 1904 elektrische Lokomotiven ein. Ab 1915 elektrifizierten die Chicago, Milwaukee, St. Paul und Pacific Railroad den Verkehr über die Rocky Mountains und an die Westküste. In den 1930er Jahren hatte die Pennsylvania Railroad ihr gesamtes Territorium östlich von Harrisburg, Pennsylvania, elektrifiziert.

Mit dem Aufkommen von dieselbetriebenen Zügen in den 1930er Jahren und den folgenden Jahrzehnten verlangsamte sich der Ausbau der Infrastruktur für elektrisch betriebene Züge. Letztendlich würden jedoch Diesel und Elektrizität kombiniert, um mehrere Generationen von Elektrodieseln und Hybriden zu schaffen, die das Beste aus beiden Technologien einsetzten und für viele Eisenbahnstrecken zum Standard wurden.

Fortgeschrittene Zugtechnologien

In den 1960er und frühen 1970er Jahren bestand ein erhebliches Interesse an der Möglichkeit, Personenzüge zu bauen, die viel schneller fahren als herkömmliche Züge. Ab den 1970er Jahren Interesse an einer alternativen Hochgeschwindigkeitstechnologie mit Schwerpunkt Magnetschwebebahn oder Magnetschwebebahn, bei der Autos auf einem Luftkissen fahren, das durch die elektromagnetische Reaktion zwischen einem Bordgerät und einem anderen in seiner Führung eingebetteten Luftkissen erzeugt wird.

Die erste Hochgeschwindigkeitsstrecke verkehrte zwischen Tokio und Osaka in Japan und wurde 1964 eröffnet. Seitdem wurden weltweit viele weitere derartige Systeme gebaut, darunter in Spanien, Frankreich, Deutschland, Italien, Skandinavien, Belgien, Südkorea und China , das Vereinigte Königreich und Taiwan. Die Vereinigten Staaten haben auch die Errichtung einer Hochgeschwindigkeitsstrecke zwischen San Francisco und Los Angeles sowie an der Ostküste zwischen Boston und Washington (DC) erörtert.

Elektromotoren und Fortschritte in der Bahntechnik haben es dem Menschen seitdem ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit von bis zu 320 Meilen pro Stunde zu fahren. Weitere Fortschritte bei diesen Maschinen befinden sich in der Entwicklungsphase, einschließlich des Hyperloop-Rohrzugs, der voraussichtlich Geschwindigkeiten von fast 700 Meilen pro Stunde erreichen wird und 2017 seinen ersten erfolgreichen Prototypentestlauf absolvierte.