Das Unsichtbare sichtbar machen: Alles, was die Formel 1 mit der Entdeckung der Geheimnisse des Universums gemeinsam hat

Wie oft haben sich Ingenieure schon am Kopf gekratzt – oder ihn gar angeschlagen –, nachdem sie ineffiziente aerodynamische Modifikationen an ihren aktuellen Bodeneffekt-Kreaturen vorgenommen hatten ? Monatelange Arbeit in CFD-Systemen, Windkanälen und Simulatoren, um sicherzustellen, dass ihre kapriziöse Maschine keinerlei Korrelation mit der hart erarbeiteten virtuellen Welt aufweist .

Mercedes zog in Ungarn seine jüngste Aussetzung zurück. Auch Ferrari verfehlte mit seiner ersten Version des SF25 das Ziel, korrigierte es jedoch ein Jahr später (also 2024) spontan. Aston Martin hat in den letzten beiden Saisons zahlreiche aerodynamische Fehler angehäuft … Kein Team ist von dieser Erfahrung verschont geblieben.

Der Luftstrom ist der entscheidende Faktor für die Erzeugung von Abtrieb durch den Venturi-Effekt in Bodeneffekt-Einsitzern. Wie lassen sich diese ätherischen Strömungen nun visualisieren ? Mit einem ausgeklügelten und wenig bekannten Werkzeug namens Particle Image Velocimetry (PIV) , das in Windkanälen eingesetzt wird. Allerdings verfügen noch nicht alle Teams über dieses Werkzeug.

Im Allgemeinen wird PIV in der Strömungsdynamik verwendet, um Geschwindigkeitsfelder in einer Strömung zu messen . In der Formel 1 ist es von entscheidender Bedeutung, und unter einem Regelwerk, das so viele Diskrepanzen zwischen der realen und der virtuellen Welt hervorbringt, dass es die Ingenieure selbst im letzten Jahr noch vor Rätsel stellt, ist es umso wichtiger.

Trotz seiner enormen Größe weist das PIV die interessante Besonderheit auf, dass es einige Ähnlichkeiten mit den Werkzeugen aufweist , die am CERN, der Europäischen Organisation für Teilchenphysik , versuchen, die Geheimnisse des Universums zu lüften. Denn die ultimative Mission beider besteht darin, das Unsichtbare sichtbar zu machen.

Ein komplexes und teures System

„Wie wir alle wissen, reagieren diese Autos extrem empfindlich auf die Bodenfreiheit. Jeder Millimeter stellt eine Position in der Startaufstellung dar . Wenn man die Höhe des Fahrzeugs nicht vollständig unter Kontrolle hat, leidet seine Wettbewerbsfähigkeit“, erklärte Fred Vasseur kürzlich über einen lahmen SF25, nachdem er aufgrund seiner Höhe über der Straße vom Großen Preis von China disqualifiziert worden war.

Das Erreichen der größtmöglichen aerodynamischen Belastung ist die ultimative Obsession der Ingenieure, die sich aufgrund der Beschaffenheit des Asphalts und der verschiedenen dynamischen Situationen des Autos (Bremsen, Lenkwinkel, Kurvenphasen usw.) nicht immer auf diesen übertragen lässt, wodurch in der Regel die Bodenfreiheit geopfert wird und man in einen Teufelskreis schwieriger Kompromisse zugunsten der Leistung des Autos gerät.

CFD-Systeme (Computational Fluid Dynamics) dienen als erstes Werkzeug zur Erforschung von Konzepten und Designs, die anschließend im Windkanal getestet werden. Hier kommt PIV ins Spiel. Dabei werden Tracer-Partikel (Mikrotröpfchen aus Öl oder Rauch) in den Luftströmen des Tunnels auf das Modell geschleudert. Die zu analysierenden Bereiche werden mit einem laserförmigen Film beleuchtet, und Hochgeschwindigkeitskameras überwachen die Bewegung dieser Partikel in den Untersuchungsbereichen (Bodenseiten, Tunnel, Diffusor, Querruder usw.). Hochleistungssysteme rekonstruieren dann die Karten, die aus den Signalen dieser Partikel entstanden sind, die die Luftströme beleuchtet haben.

PIV würde helfen, CFD-Systemdesigns vor der Herstellung der aerodynamischen Elemente zu validieren. Idealerweise sollten sie eine gleichmäßige Beschleunigung entlang des Fahrzeughecks ohne abrupte Strömungsabrisse, eine stabile und gleichmäßige Geschwindigkeit durch die inneren Tunnel, eine Abdichtung der Seiten und keine Diffusorstörungen aufweisen. Aber der Ingenieur schlägt vor, und der Asphalt liefert .

Wenn die Korrelation zwischen der Rennstrecke und der virtuellen Welt inkonsistent ist, ist das System für vergleichende Analysen mit auf der Rennstrecke gesammelten Daten unerlässlich . Dies ist beispielsweise der Fall, wenn es aufgrund von Strömungsunterbrechungen im Diffusor an verschiedenen dynamischen Positionen des Fahrzeugs zu Druckschwankungen kommt oder wenn die Kanten des Unterbodens nicht richtig abdichten und so störende Strömungen eindringen können. Obwohl das System äußerst nützlich ist, werden seine hohen Kosten durch die große Anzahl an Windkanalstunden, die für den Einsatz in diesen begrenzten Zeiten erforderlich sind, noch weiter erhöht, was seinen Einsatz sehr spezifisch macht.

Was hat also ein lebenswichtiges System in der Formel 1 mit CERN gemeinsam, dem Labor, das den Ursprung und die Funktionsweise des Universums erforscht? Beide nutzen Tunnel, beschäftigen sich mit Geschwindigkeit und Strömung und verwenden Partikel als Orientierungshilfen und Markierungen. Logischerweise in radikal unterschiedlichen Maßstäben und mit völlig unterschiedlichen Zielsetzungen, aber mit demselben Ziel: das Unsichtbare zu sehen und zu messen .

Im PIV werden die Partikel durch die im Windkanal erzeugte Luft freigesetzt und von Lasern überwacht. Am CERN werden Tracer-Partikel durch Kollisionen von Protonen und Elektronen erzeugt, die durch einen weiteren, 27 Kilometer langen, kreisförmigen Tunnel unter dem Untergrund Frankreichs und der Schweiz reisen. Diese Partikel fliegen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und werden von riesigen 3D-Kameras überwacht, die ihren Flug mithilfe von Licht-, Strom- oder Strahlungssignalen aufzeichnen und die Spuren dieser neuen Partikel rekonstruieren.

Während CERN die Ursprünge des Universums und der Materie erforscht , verfolgt die Formel 1 weitaus bescheidenere Ziele, im Vergleich dazu ein Kinderspiel, auch wenn ihre philosophische Grundlage sehr ähnlich ist: das Unbekannte zu visualisieren, um die Grenzen des Wissens zu erweitern . Und Rivalen auf der Strecke.