Formel 1 – Technik und Wirtschaft

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Gliederung

1.   Motor

2.   Reifen 

3.   Aerodynamik 

4.   Technische Innovation 

      und Technologietransfer 

5.   Unterschied der Formel 1 Autos 

6.   Sicherheit in der Formel 1 

7.   Technik Heute und Früher 

8.   FIA 

9.   Formula One Group 

10. Länder 

11. Finanzierung der Teams 

12. Teams und ihre Aufgaben 

13. Konkurrenz von anderen Rennserien 

14. Quellen

 

1. Motor

Der gesamte Antriebsstrang eines Formel 1 Rennwagens nennt man umgangssprachlich „PowerUnit“. Dazu zählen seit dem Jahre 2014 folgende Komponenten: Verbrennungsmotor (Internal Combustion Engine/ICE), Motor-Generator-Einheit für kinetische Energie (MGU-K), Motor-Generator-Einheit für Hitzeenergie (MGU-H), Energiespeicher (ES), Turbolader (TC) und die Steuerelektronik.

Die Motoren werden streng nach dem Reglement der FIA von den Herstellern gebaut. Momentan sind vier Motorenhersteller in der Formel 1 vertreten: Mercedes-Benz, Renault, Honda und Ferrari. Ein Motorenhersteller muss nicht selber mit einem Team in der Formel 1 an den Start gehen, sowie der Motorenlieferant Honda. Die Komplexität eines Motor hält viele kleinere Hersteller davon ab, in die Formel 1 als Hersteller einzusteigen. Früher gab es eine Vielzahl an Motorenhersteller, welche aber aufgrund der hohen Kosten ausgestiegen sind. Die Kosten sind in die Höhe geschossen, da das Reglement der FIA bei gleichbleibender Leistung immer strengere Emissionsgrenzwerte abverlangte. Zudem muss man, um Wettbewerbsfähig zu bleiben, enorme Geldsummen in Forschung und Entwicklung investieren.
Die FIA (Begriffserklärung, siehe unten) wollte ab der Saison 2014 wieder die Kosten senken, um damit besonders Privatteams den Einsteig in die Formel 1 zu erleichtern. Zuverlässigkeit war dass Schlüsselelement ab dem Jahre 2014. Doch trotz der Begrenzung auf nur drei Power Units pro Saison sind die Kosten nicht merkbar gesunken.

Bei der Technik der Motoren gehe ich auf das Reglement ein, dass seit 2014 in der
Formel 1 eingesetzt wird.
Das bestehende Reglement läutete die Hybrid-Ära ein, da erstmalig laut Reglement ein Elektromotor den Verbrennungsmotor unterstützen muss. Seit 2009 gab es ein Hybrid-System namens KERS (Kinetic Energy Recovery System), welches aber in die Formel 1 Einzug hielt, ohne im Reglement vorgeschrieben gewesen zu sei. Der Automobilverband FIA verpflichtete das KERS, um bei dem zunehmenden Klimawandel ein fortschrittlichen und auch „grünes“ Image der Formel 1 zu erlangen. Statt 150 Kilogramm Sprit dürfen die Rennwagen nur noch 105 Kilo Sprit (Stand: 2018), in einem Rennen pro Fahrer verbrauchen. Dies verlangt von allen Teams eine effiziente und wirkungsvolle Strategie, um überhaupt ein Rennen zu beenden.

Der Verbrennungsmotor, welcher mit Benzin angetrieben wird, ist das Herzstück des Antriebsstranges. Die sechszylindrigen Turbo Motoren haben 1,6 Liter Hubraum, die Benzinzufuhr wird durch eine Direkteinspritzung gewährleistet mit einem maximalen Druck von 500 bar. Die Drehzahl ist auf max. 15000 U/min beschränkt.
Die genaue PS-Zahl ist nur den Herstellern bekannt. Schätzungen aus den detaillierten GPS-und Luftwiderstand Messungen, die jedes Team bereitstellen muss, ergaben durchschnittliche Werte um die 900 PS.
Die Spitze führt dabei Mercedes mit 949 PS an. Ein Turbomotor zu konstruieren ist kein Hexenwerk, den diesen hat man in der Formel 1 schon vor über 30 Jahren eingesetzt. Damals kamen aber zwei Turbolader zum Einsatz, heutzutage kommt nur noch einer zum Einsatz. Der Nachteil wird ausgeglichen durch zwei Elektromotoren. Dabei nützt man die Eigenschaft, dass ein Elektromotor sowohl als Generator aIs auch als Antrieb fungieren kann. Insgesamt gibt es sieben Wege durch ERS (Energierückgewinnung) Energie zu gewinnen. Das MGU-K stellt dem Fahrer pro Runde für 33 Sekunden zusätzlich max. 163 PS (120KW) mehr Leistung zur Verfügung. Um die Einheiten anschaulich zu erklären, dienen die vier typischen Zustände eines F1 Motors: Beschleunigen, Vollgas, Überholen und Bremsen.

Beschleunigt der Fahrer, so wurde früher das Turboloch (Leistungsdefizit) durch zwei unterschiedlich rotierte Turbolader ausgeschaltet, dies ist aber nicht mehr möglich, da das Reglement nur noch ein Turbolader erlaubt. Aufgrund dessen treibt das MGU-H die Turbine elektrisch, um den Turbolader auf eine höhere Drehzahl zu bringen, damit er das Turboloch überwinden kann. Die nötige Energie für den Elektromotor wird dabei aus der Batterie entnommen. Die Drehzahl des Turboladers bestimmt den Ladedruck. Die optimale Kompression wird bei circa 3.5 bar erreicht. Früher wurde der überschüssige Druck einfach durch ein sogenanntes Wastegate-Ventil abgelassen, heute wird aber der Überschuss an Boost in elektrische Energie umgewandelt. Das MGU-H kann die Turbine im Turbolader abbremsen und erzeugt dabei sogar noch elektrische Energie, welche genutzt werden kann, aber darauf werde ich später noch eingehen. Das Wastegate-Ventil ist also nur noch eine Absicherung, falls das MGU-H nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.
Wird das Gaspedal voll durchgedrückt, so arbeitet nicht nur der Verbrennungsmotor, sondern auch das MGU-K . Die Abgase, die von dem Verbrennungsmotor dabei entstehen, treiben den Turbolader an. Dieser hat aber eine Begrenzung welche das Reglement vorschreibt von 125.000 U/min, deswegen muss das MGU-H den Turbolader abbremsen. Bei diesem Vorgang entsteht elektrische Energie. Diese wird nicht in die Batterie gespeist, sondern betreibt direkt den MGU-K welche die Kurbelwelle antreibt und dabei den Verbrennungsmotor unterstützt.
Es ist besonders sinnvoll diese übertragene Energie zu verwenden, da sie nicht vom Reglement beschränkt wird, sondern sobald es technisch möglich ist, immer zu Verfügung steht. Kurzzeitig volle Leistung wird nur bei einem Überholvorgang oder im Qualifying abgerufen, dabei muss das gesamte ERS arbeiten. Dass MGU-H gibt überschüssige Energie, so wie bei Vollgas, sofort an das MGU-K ab. Auch auf die gespeicherte Energie in der Batterie wird nun zurückgegriffen. Dort dürfen seit 2014 max. 4 Megajoule ( 1kWh=3.6 MJ) gespeichert werden.
Beim Bremsvorgang wird die kinetische Energie der Hinterräder in elektrische Energie vom MGU-K umgewandelt. Diesen Vorgang nennt man Rekuperation, die elektrische Energie welche dabei entsteht, wird direkt in die Batterie eingespeist. Doch das ausgeklügelte System muss auf die Rekurperation sofort reagieren, denn die Hinterradbremsen werden dabei entlastet. Als Folge dafür werden die Bremsen sowie die Hinterradreifen kalt, was einen negativen Effekt auf das Handling hat. Deshalb wird besonders in Einführungs- und Safety-Car Runden, wo es wichtig ist, die Reifen auf Temperaturen zu halten, über die MGU-H Energie in die Batterie eingespeist. Dies hat keinerlei Einfluss auf das Bremsmoment, da die MGU-H vom Turbolader angetrieben wird.

Solch ein Zusammenspiel von verschiedensten Komponenten löst oft Probleme aus, wie geschehen zuletzt bei Riccardo 2018 in Monaco, wo die gesamte MGU-K ausgefallen ist. Oft kommt es zu einem technischen Desaster, sobald eine Einheit nicht mehr funktioniert. Überhitzung und der Ladeprozess der Batterie sind hierbei die häufigsten Faktoren für einen gesamten Ausfall der Power-Unit. Ein neues Reglement welches 2021 in Kraft treten soll, wird voraussichtlich viele Probleme wie z.B. die enormen Kosten, schlechte Geräuschkulisse von den Motoren etc., lösen.
Wie nun wirklich im Detail der neue Motor aussehen wird, ist momentan eine reine Formel 1 interne Sache. Jedoch wird man weiterhin mit 1,6 l V6-Motoren fahren, welche jedoch ein stärkeres MGU-K verbaut haben. Die Batterie, welche dadurch größer werden muss, soll ein Einheitsteil werden. Eine MGU-H wird es höchst wahrscheinlich 2021 nicht mehr geben, da sie anfällig ist und von vielen Zuschauern negativ beurteilt wird, da es den Sound beeinträchtigt.

2. Reifen

Der Reifen gehört mittlerweile zu den wichtigsten Bestandteilen eines Formel 1 Wagens. Es gibt sieben verschiedene Reifenmischungen, welche für unterschiedlichen Grip sorgen und an der Haltbarkeit variieren. Die Reifenmischung Hypersoft hat den besten Halt, die Reifenmischung Superhard hält am längsten. Wenn man einen guten Grip in den Kurven hat, kann man schneller fahren. Jedoch muss man dann öfters in den Boxenstopp um die Reifen zu wechseln, da sich weiche Mischungen schneller abnutzen. Die härtere Mischung hingegen nutzt sich nicht so schnell ab, dafür ist der Wagen aber in den Kurven nicht so schnell. Das Team hat daher die Wahl, wann sie welche Reifen in einem Formel 1 Rennen benutzen möchte, um die beste Gesamtzeit zu erreichen. Die Reifenmischungen Hypersoft und Superhard wurden in dieser Saison neu eingeführt. Sie ergänzen die früheren Mischungen Hard, Medium, Soft, Supersoft und Ultrasoft um für mehr Auswahl zu sorgen. Des Weiteren, gibt es noch zwei weitere Mischungen. Eine für feuchte und eine für nasse Pisten-
Bedingungen. Da es nun insgesamt neun Reifenmischungen gibt, hat jede Mischung ihre eigene Farbe. In den Boxen können die Teams die Reifen wechseln und kleine Reparaturen vornehmen. Hierfür werden insgesamt 18 Mechaniker benötigt. Davon sind alleine schon 12 Mechaniker für die Reifen zuständig. Ziel bei dem Boxenstopp ist immer je schneller desto besser. Der schnellste Boxenstopp ist von Red Bull Racing und beträgt 2,05 Sekunden. Die ganzen Reifen sorgen für ein aufregendes Spiel mit viel Spannung und Boxenstopps.

3. Aerodynamik

Die Aerodynamik ist in der Formel 1 längst zu einer Wissenschaft für sich geworden. Schon lange forschen die Konstrukteure an den Autos, um möglichst viel Anpressdruck zu erzeugen und trotzdem den Luftwiederstand so gering wie möglich zu halten. Jedoch hat diese ausgeprägte Technik einen Nachteil. Aufgrund von Luftverwirbelungen kann der Fahrer mit der Geschwindigkeit des Vordermannes nicht mehr mithalten. Diese “Dirty Air” bremst die Rennwagen auf Grund der entwickelten Aerodynamik ab und vergrößert die Abstände zwischen den Fahrern. Das macht das Überholen viel schwieriger, so dass der Fahrer fast nur noch mit DRS (dies ist eine Klappe am Heckspoiler, welche man in bestimmten Zonen der Rennstrecke öffnen darf, um den Luftwiderstand zu verringern) oder einem “Under bzw. einem Overcut” ( überholen durch Boxenstopp)
möglich.

4. Technische Innovationen & Technologietransfer

Die Formel 1 ist die Königsklasse der Automobilen Innovationen. Der harte Wettbewerb in der Formel 1 brachte Fortschritte und Lösungen hervor, die über die Serienforschung alleine nicht möglich gewesen wären. Andererseits kritisieren Gegner der Formel 1 oft, wie umweltschädlich und nutzlos dieser Sport sei. Doch genau so könnte man jede andere Sportart anzweifeln, wenn man nicht selber begeistert ist und ein Sinn für sich selber oder für ihre Teilnehmer in ihr sieht. Der Wettbewerb, welcher einerseits neueste Technologie fördert und andererseits eine enorme Werbebranche dahintersteckt, ist das Alleinstellungsmerkmal der Formel 1.
Desweiteren gibt es keinen anderen Wettbewerb, in welchem Unternehmen ansässig sind, die jährlich hunderte Millionen zusätzlich für Forschung ausgeben. Der Ansporn für die Ingenieure ist durch den ständigen Wettbewerb auf der Rennstrecke enorm, wodurch die Motivation steigt.
Trotzdem hielten, sehr kritisch gesehen, nur wenige Innovationen Einzug in Serienfahrzeuge. Oft sind die ausgeklügelten Konstruktionen zu teuer für den Otto Normalverbraucher und/oder nicht langlebig genug für die Straße. Trotzdem, ein paar wenige Innovationen bzw. Technische Verfahren zu Herstellung von Komponenten, fanden einen Weg durch die Forschung innerhalb der Formel 1, auf die Straße.

So fand zum Beispiel der Leichtbau mit Materialien wie Aluminium, Titan, Kohlefaser und Keramik, welche zuvor im Flugzeugbau verwendet wurde, über die Formel 1 den Weg in die Serienfertigung. Weitere Errungenschaften wie der Allradantrieb, Gasturbinen, elektronische Kupplungen, aktive Radaufhängungen und doppelte Vorderradachsen mit Vierradlenkung, welche zuerst in der Formel 1 getestet worden waren, ließen sich auf ähnliche Art und Weise in normalen Fahrzeugen verbauen. Besonders das Wissen der Ingenieure ist ein wichtiger Bestandteil für die spätere Serienproduktion der Komponenten der Formel 1. Sie lernen z.B. über eine saubere Verbrennung und die Belastbarkeit eines Motors: „So verbrennt ein rund 780 PS starkes Formel 1-Auto derzeit pro PS nur 2,5 Mal so viel Treibstoff wie sein 165 kW (224 PS) starker straßenzugelassener Cousin – 2014 wird sich dieser Wert nochmals verbessern.“ („Von der Rennstrecke auf die Straße- Technologievorreiter Formel 1″https://www.motorsport-magazin.com/formel1/news-160604-technologievorreiter-formel-1/) Hier wohlgemerkt nur mit dem alten Hybridsytem KERS. Der größte jemals mögliche Technologietransfer der Formel 1, findet aber seit dem Reglement von 2014 statt. So sind zahlreiche neue gefertigte Autos für die Straße mit einem Hybridsytem ausgerüstet, welches seinen Ursprung in der Formel 1 hat.
Die steigende Beliebtheit der Elektromobilität wird die nächste große Herausforderung für die Formel 1. Denn schon bald gehört der Verbrennungsmotor der Vergangenheit an. Sobald der Druck auf die Verantwortlichen der F1 zu groß wird in Sachen Klimawandel und Umweltschutz durch Politik und Fans, werden auch sie auf den Elektro-Antrieb umsteigen. Sofern dies passieren wird, ist ein enormer Technologietransfer zu erwarten.

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Noahlr

17 Jahre, Geht auf das Gymnasium in Überlingen

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