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Formel 1 – Mit Vollgas in die Zukunft Fünf Beispiele, warum High Tech Unternehmen die Formel 1 lieben

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Formel 1 - Mercedes-AMG Petronas Motorsport, Großer Preis von Japan 2018. Lewis Hamilton © Mercedes AMG Petronas Motorsport
Formel 1 - Mercedes-AMG Petronas Motorsport, Großer Preis von Japan 2018. Lewis Hamilton © Mercedes AMG Petronas Motorsport

Formel 1 – Mit Vollgas in die Zukunft Fünf Beispiele, warum High Tech Unternehmen die Formel 1 lieben

Seit Jahrzehnten wird die Formel 1 als das „schnellste Entwicklungslabor der Welt“ bezeichnet. Die Idee dabei war, dass Technologie aus dem Rennsport früher oder später ihren Weg in Straßenfahrzeuge finden würde. Während das bei einigen Innovationen und Erfindungen sicherlich der Fall gewesen ist, war es nicht unbedingt im großen Maß so.

Die Herausforderungen in der Formel 1 waren oftmals zu spezifisch oder die Kosten für die industrielle Herstellung waren zu hoch, um bestimmte Technologien in Serienfahrzeugen einzuführen. Das hat sich jedoch in den letzten Jahren verändert. Seit der Einführung der Hybrid-Antriebsstränge ist die Formel 1-Technik für Straßenfahrzeuge viel relevanter geworden. Aber das trifft auch auf andere Fahrzeugteile zu, besonders in der Welt der Bits und Bytes. Wir stellen fünf Gründe vor, warum die Formel 1 jetzt mehr denn je 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 Power Units, 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. Im Jahr 2013, ein Jahr vor der Einführung der Hybrid Power Units 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-Benz F1 Power Unit auf dem Prüfstand von Mercedes-AMG High Performance Powertrains in Brixworth (Großbritannien), die einen erstaunlichen Wert erreichte: Die „F1 M08 EQ Power+“ Power Unit besaß einen Wärmewirkungsgrad von mehr als 50 Prozent, was sie zu einem der effizientesten Verbrennungsmotoren aller Zeiten machte.
F1 Hybrid Power Units 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 kg 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 dabei, Straßenautos effizienter zu gestalten. Die gleichen Lehren, die für mehr Leistung im Rennsport sorgen, können auch zur Verbesserung des Benzinverbrauchs auf der Straße angewendet werden.

2.Konnektivität – Formel 1-Technologie könnte in Ihrem nächsten Smartphone stecken (oder dem übernächsten)
Formel 1-Autos sind wahrscheinlich die Fahrzeuge mit der höchsten Konnektivität auf der Welt. Ein modernes F1-Auto verwendet High-Tech-Sensoren und sammelt genauso viele Daten wie es High-Tech-Sprit verbrennt. Um konkurrenzfähig zu sein, verarbeiten F1-Teams sehr viele Daten. Ein F1-Auto weist hunderte von Sensoren auf, die tausende Datenkanäle aufzeichnen, alle möglichen Dinge rund um das Fahrzeug und die Power Unit messen – von den Kräften und Verlagerungen über die Temperaturen bis zu den Drücken, um Parameter für die Power Unit 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.
Die Reifen sind ein Schlüsselfaktor für die Performance in der Formel 1. Sie zu verstehen ist demnach entscheidend. Während des Freitagstrainings 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 das Team mit der Verwendung eines Systems mit zwei High-Tech-Kabellostechnologien: 5 GHz 802.11ac und Multi-gigabit 802.11ad Wi-Fi Technologie, das 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. Qualcomm hat sie für den Verbrauchermarkt entwickelt und die F1 als High-Speed-Forschungsumgebung genutzt, um ihre Produkte der ultimativen Prüfung zu unterziehen. 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 – High-Tech auf dem Formel 1-Prüfstand
Das Leben eines typischen Serverschanks ist ziemlich einfach. Sie verbringen ihre Tage in einem klimagesteuerten Datenzentrum mit Zugangskontrolle, müssen 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 High-Tech-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 beides nicht zu den besten Freunden von Computerhardware. Gleichzeitig müssen die Daten auf diesen Servern schnell zugänglich sein sowie an Ort und Stelle verschlüsselt werden.

Formel 1 - Mercedes-AMG Petronas Motorsport, Großer Preis von Japan 2018. Lewis Hamilton, Valtteri Bottas © Mercedes AMG Petrona Motorsport
Formel 1 – Mercedes-AMG Petronas Motorsport, Großer Preis von Japan 2018. Lewis Hamilton, Valtteri Bottas © Mercedes AMG Petrona Motorsport

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 High-Tech-Partner wie Pure Storage, die unsere Server an der Strecke bauen, so interessant machen. Aber in der F1 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. Während die Formel 1 zum Beispiel – hoffentlich! – niemals eine Rennserie mit autonom fahrenden Autos werden wird, stellen ihre Rennautos 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 F1-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 im Verlauf eines Rennwochenendes an der Strecke auflaufen, stellen nur die Spitze des Eisbergs dar. In der Fabrik produziert Mercedes-AMG Petronas Motorsport 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.
Zum Vergleich: Diese Vorschau ist als PDF-Anhang rund 150 Kilobyte groß. Unser jährliches Datenvolumen von 350 Terabyte entspricht in etwa zwei Milliarden dieser Vorschau-PDFs…

Jetzt stelle man sich einmal vor, man müsse durch zwei Milliarden dieser Vorschau-Features blättern, um diese eine wichtige Information zu finden, nach der man gerade sucht. Das ist nicht unbedingt eine einfache Aufgabe und macht wahrscheinlich auch nicht besonders viel Spaß. Deshalb investieren die F1-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 Power Unit 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 F1-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 ist der Grund dafür, warum das F1-Team in Großbritannien eine Reihe an gemeinsamen Projekten mit der Daimler Forschungsgruppe in Deutschland durchführt. Alles begann mit einer speziellen Zusammenarbeit an der Aufhängung zwischen der Fahrzeugdynamikgruppe in Brackley und der Fahrzeugentwicklung 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 F1-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 Transformation von Produktionstechnologien
Die Digitalisierung verändert nicht nur die Art und Weise, wie F1-Autos ersonnen und entwickelt werden, sie verändern auch die Art, wie sie produziert werden. Lange Zeit waren die Produktion von Straßenautos und die von F1-Boliden gänzlich unterschiedliche Disziplinen. Während erstere in Massenproduktion mit einem Minimum an Individualisierung hergestellt wurden, lag letzteren 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 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 F1-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 wie Daimler. 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 ist somit ein perfektes Umfeld, um die Methoden für die Straßenwagenproduktion von morgen im kleinen Stil zu testen.