Sicherheit bei der Bahn Knacks im SystemKnacks im System

Materialkunde mangelhaft: Risse in Zugachsen waren bisher nicht eingeplant. Jetzt muss die Bahn lernen, damit umzugehen

Ein »eigenartiges Gefühl« befiel Michael Luke, als er vergangene Woche mit der Eisenbahn über die Kölner Hohenzollernbrücke rumpelte. Denn der Zug, in dem der Leiter der Abteilung »Ermüdungsverhalten und Eigenspannungen« des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg saß, war auf unrühmliche Weise bekannt geworden. Der auf den Namen Wolfsburg getaufte ICE 3 war exakt hier am 9. Juli 2008 entgleist. Vermutlicher Grund für das Desaster: Achsbruch. Doch der Zufall trieb es noch toller. Luke war nämlich auf dem Weg nach Köln, um vor einem kleinen Kreis von Materialkundlern einen Vortrag zu halten. Thema: »Bruchmechanische Bewertung von Radsatzwellen mittels experimenteller und rechnerischer Methoden«. Für Laien: Was passiert, wenn bei der Bahn eine Achse bricht? Und kann ich das vorhersehen?

So etwas passiert einem Forscher eher selten: Jahrelang beschäftigt er sich mit seinem von außen betrachtet eher unspektakulären Forschungsgegenstand, in diesem Fall mit den Achsen von Eisenbahnen. Und plötzlich ist seine Arbeit nicht nur höchst aktuell, sondern existenziell – für die Bahn und ihre Kunden. Wegen reißender oder brechender Achsen ist der Stolz der Bahn, der ICE 3 und der ICE-T mit Neigetechnik, in Verruf geraten. Bis Februar 2009, schätzen Bahn-Sprecher, werden akribische Sicherheitsüberprüfungen den Fahrplan beeinträchtigen.

»Sicherer und wirtschaftlicher Betrieb von Eisenbahnfahrwerken« heißt das auf einmal so relevante, vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt der TU Clausthal und des IWM, an dem auch die Bahn und die Bahnindustrie beteiligt sind. Es geht unter anderem um das Geschehen im Achsmaterial unter den enormen Alltagsbelastungen. Dabei werden insbesondere die aktuellen hochfesten Stähle ins Auge gefasst, die manchmal ein besonders unangenehmes Verhalten zeigen. Lange Zeit halten sie sich prima – und dann kommt es relativ plötzlich zum Bruch. Michael Luke hat übliche Radsatzwellen-Werkstoffe experimentell untersucht und gleichzeitig ihr Verhalten mit dem Computer modelliert. »Wir liegen mit unserer Modellierung meist im Streubereich der Messergebnisse«, sagt er zufrieden – das heißt, seine rechnerischen Vorhersagen treffen die Realität. Das Versagen der Achse wird berechenbar.

Die Bahn steht vor einem dringend nötigen Paradigmenwechsel

Luke und seine Kollegen aus der Materialforschung würden sich zwar hüten, laute Kritik an der Bahn, der Aufsichtsbehörde Eisenbahn-Bundesamt (EBA) oder den Zugherstellern zu formulieren. Doch was sie zum Reißen und Brechen von Bahnachsen zu sagen haben, lässt de facto den bisher üblichen Umgang mit sicherheitsrelevanten technischen Komponenten wie den Bahnachsen ziemlich alt aussehen. Man könnte sogar von einem technischen Paradigmenwechsel sprechen.

Das alte Bahn-Paradigma lautet: Wir planen, berechnen und bauen eine Radachse so, dass sie innerhalb einer festgelegten »Lebensdauer« nicht kaputtgehen kann. Wir kennen das Material, wissen, wie es sich unter Belastung verändert, wir wissen alles über die Einsatzbedingungen, die sogenannten Lastfälle, und wir wissen, wann es versagt, also bricht. Dann rechnen wir einen Sicherheitszuschlag hinein – und bekommen ein Bauteil, das »dauerfest« ist. In gewissen Abständen schauen wir noch einmal nach, ob es Fehler gibt, Materialfehler vielleicht oder Herstellungsfehler. Am Ende des Zeitraums, für den Dauerfestigkeit gesichert ist, werfen wir das Ding weg.

Vorbei. Die Idee von der Dauerfestigkeit starb in den letzten Jahren mehrere kleine Tode. Denn es trat etwas auf, was es überhaupt nicht geben darf: Risse. Die zerstörte Achse des ICE 518 Wolfsburg liegt zwar immer noch zwecks Untersuchung beim Bundesamt für Materialforschung und -prüfung in Berlin, doch allgemeine Expertenmeinung ist, dass hier ein sogenannter Ermüdungsbruch vorlag. Man kennt das von der Büroklammer. Oft genug hin und her gebogen, reißt sie irgendwann ein – und bricht. Im August fand man bei der Inspektion eines ICE-T wieder einen Riss. Und vor zwei Wochen noch einen.

Jetzt schießen die Spekulationen ins Kraut. ICE-3-Achsen sind wie die Achsen der Neigetechnikzüge hohl und aus einem innovativen Leichtbaustahl hergestellt – hält der nicht? Sind die Anforderungen deutscher Bahntrassen zu hoch? Wurden die Strapazen der Strecke Köln–Frankfurt mit ihren Steigungen falsch eingeschätzt? Leidet das Material, weil hierzulande – anders als in Frankreich, Spanien oder Japan – Hochgeschwindigkeitszüge auch auf Rumpelstrecken fahren, die sie mit Güterzügen teilen?

Die Prüfintervalle werden mangels harter Kriterien willkürlich festgelegt

Die hysterisch wirkende Reaktion von Bahn und EBA beweist, wie groß die Verunsicherung ist. Man scheute sich nicht, die betroffenen ICE 3 und ICE-T sofort aus dem Verkehr zu ziehen, aufwendigen Inspektionen zu unterziehen und damit Zigtausende Kunden zu verärgern. Die Verkürzung der Prüfintervalle von früher 300000 Kilometer auf heute, je nach Achsmaterial, 30000 oder 60000 Kilometer bedeutet eine absurd häufige Prüfung etwa alle zwei bis vier Wochen. Eine »Angstfestlegung«, befindet der erfahrene Dresdener Werkstoffwissenschaftler Michael Schaper.

Denn diese Festlegung ist willkürlich und zeigt nur, dass es zurzeit keine technisch begründbaren Kriterien dafür gibt, wie oft Bahnachsen zu prüfen sind. Hilflos wirkt da auch der Versuch von Bahn-Chef Hartmut Mehdorn, den Schwarzen Peter der Industrie zuzuschieben und Garantien zu verlangen. Wie kann man garantieren, dass etwas nicht auftritt, das es laut Definition ja gar nicht geben kann?

Niemand, der Autos, Eisenbahnen, Flugzeuge oder gar kerntechnische Anlagen baut, redet gern über Risse. Und doch sind sie überall, wo feste Materie unter Druck gesetzt oder bewegt wird. »Erste Mikrorisse können schon nach wenigen Prozent der Lebensdauer entstehen«, sagt Michael Schaper. Dem Thema Risserforschung widmet sich von jeher ein Fachgebiet namens Bruchmechanik – allein der Begriff muss unter Marketingleuten Alarm auslösen.

Die Ursprünge der Bruchmechanik reichen ins 19. Jahrhundert zurück. Damals waren Achsbrüche bei der Eisenbahn der Schrecken der Maschinenbauer, es kam zu zahlreichen Unglücken. In dieser Zeit untersuchte August Wöhler, ohne dessen Formeln heute noch kein Vortrag über Wachsen und Werden von Rissen auskommt, geborstene Eisenbahnachsen. Er erkannte die enormen Materialstrapazen durch »zyklische Beanspruchung«. Der Eiffelturm ließ sich statisch gut berechnen und steht heute noch. Eine Eisenbahn, die über Schienenstöße und Weichen holpert, gebremst und beschleunigt, be- und entladen wird, unterliegt Wechselbelastungen. Das Material wird »müde«. Risse entstehen, zuerst winzige Risse, die wachsen, bis es zum Bruch kommt.

Eine Entdeckung der Bruchmechanik war: Risse sind immer und überall. Schon das Stahlwerk liefert Material mit »Risskeimen« aus. Jede Umformung erzeugt Risse. Manche wachsen, manche nicht. Auch in »dauerfesten« Achsen. Also lautet das bruchmechanische Paradigma: Wir gehen erst einmal davon aus, dass es Risse gibt. Danach berechnen wir, wie sich diese Risse unter den herrschenden Bedingungen ausbreiten werden. In Eschede, wo vor zehn Jahren nach einem Radbruch 101 Menschen starben, war der Riss im Rad durch Ermüdung langsam gewachsen. Michael Schaper, Emeritus und heute als Gutachter tätig, hat Bilder der Bruchstelle gesehen. »Der Riss war schon wochen-, vielleicht monatealt.« Er wurde aufgrund der Konstruktion nicht entdeckt. Nach Eschede, meint Schaper, hätte sich die Bahn konsequenter der Tatsache stellen müssen, dass es Risse geben kann. Und dass sich Inspektionsintervalle mithilfe der Bruchmechanik festlegen lassen.

Flugzeuge ohne Risse können nicht fliegen

Beharrlich verweisen Bruchmechaniker auf die Luftfahrtindustrie. Dort gilt der Satz: »Flugzeuge ohne Risse können nicht fliegen.« Angeblich »dauerfest« konstruierte Maschinen wären zu schwer. Stattdessen nutzt man »gutmütiges« Material, das auch bei Rissen nicht gleich versagt. Man betreibt eine intensive Risskontrolle. Und man inspiziert sicherheitsrelevante Teile entsprechend dem bruchmechanischen Wissen. Das geht so: Wir nehmen an, es gibt einen Riss, er ist aber so klein, dass wir ihn noch nicht erkennen können. Wie schnell wüchse solch ein Riss schlimmstenfalls zu einer fatalen Größe heran? In ausreichendem Abstand davor muss der nächste Check stattfinden.

Zwei Millimeter groß sind die Risse, die während der Inspektionen an Bahnachsen entdeckt wurden. Doch was diese zwei Millimeter bedeuten, kann bisher niemand sagen. Michael Luke könnte mit dem Rechnen beginnen – allein, er hat keine Daten. Weder was die Konstruktion angeht noch Informationen über die Lasten, die das Streckennetz und der Alltagsbetrieb mit sich bringen. Im Projekt mit der TU Clausthal wurde an einem Regionalzug gemessen, der 160 Stundenkilometer schnell sein kann. Die unter Verdacht stehenden ICE sind bis zu 300 Stundenkilometer schnell und verfügen zum Teil über die komplizierte Neigetechnik.

»Wenn wir die Daten hätten, könnten wir rechnen«, sagt Michael Luke. Spekulieren, zu welchen Inspektionsintervallen die Bruchmechaniker raten würden, möchte er nicht. »Das kann über und unter den jetzigen Intervallen liegen.« Dass man aber alle zwei Wochen alle Züge kontrollieren muss, glaubt er nicht. Nicht zuletzt, weil die wahren Rissexperten nicht nur schlechte Nachrichten verkünden können. Sie wissen auch um eine Art »selbstschützenden Effekt« im belasteten Material gegenüber Rissen. Fängt der Riss auf seinem Weg durchs kristalline Stahlgefüge an zu wachsen, entsteht vor seiner Spitze häufig eine zähe Zone, das Material »plastifiziert«. Der Riss wird zumindest gehemmt, unter Umständen ganz aufgehalten.

Wer diese Umstände kennt, muss den Riss in der Achse nicht mehr ausblenden, verdrängen, leugnen. Weil er ihn beherrschen kann.

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