Die Fab Four: Die Wabtec-Patente, die die Welt erschütterten
Ein Special zur Engineers Week 2026
Wabtec ist ein technologieorientiertes Unternehmen. Das Unternehmen beschäftigt mehr als 4.700 Ingenieure auf der ganzen Welt und hält über 6.500 aktive globale Patente (mit den jüngsten Akquisitionen Dellner Couplers, Evident's Inspection Technologies Division und Frauscher Sensor Technology Group werden voraussichtlich weitere ~1.000 hinzukommen), die auf Innovationen abzielen, die den Schienengüterverkehr sicherer, zuverlässiger, effizienter und produktiver machen.
Anlässlich des 75-jährigen Jubiläums der Engineers Week und des 250-jährigen Bestehens der Vereinigten Staaten würdigt Wabtec alle Ingenieure, die über vier seiner größten Patente nachdenken, die die Bahnindustrie — und die Welt — nachhaltig verändert haben.
Ein Hinweis zu Patenten
Überlegen Sie sich zunächst, was erforderlich ist, damit neue Technologien patentierbar sind. John Kramer, Senior Patent Counsel bei Wabtec, vertritt folgende Leitprinzipien: „Damit eine Erfindung rechtlich patentwürdig ist, muss sie zwei Hauptkriterien erfüllen: ‚Neuheit' und ‚Nichtoffensichtlichkeit'.“
Um den Neuheitstest zu bestehen, muss sich eine Erfindung zumindest schrittweise von dem unterscheiden, was jemand in der Vergangenheit entwickelt hat. Dann muss sie nachweisen, dass zwischen ihr und der bisherigen Norm ein ausreichendes Delta besteht, sodass die Änderung für jemanden mit „normalen Fachkenntnissen“ nicht offensichtlich gewesen wäre. Oder, wie es die europäische Rechtsgemeinschaft formulieren würde, muss die Innovation einen „erfinderischen Schritt“ beinhalten.
Wir glauben, dass Sie zustimmen werden, dass die folgenden vier Wabtec-Erfindungen den Test mehr als bestehen.
1. Die dieselelektrische Lokomotive: US-Patent Nr. 1.589.182
Der Gedanke, dass die dieselelektrische Lokomotive, die von General Electric (heute Wabtec) in Zusammenarbeit mit Ingersoll-Rand und der American Locomotive Company entwickelt wurde, nicht nur die Dampflokomotive verdrängen, sondern in den letzten 100 Jahren auch zum Industriestandard werden würde, war nicht zu erwarten.
Außer vielleicht von Thomas Edison.
Edison hatte bereits in den 1860er Jahren die Möglichkeiten gespürt, von denen Dampf nur träumen konnte, und begann 1880 seine Pionierarbeit für vollelektrische Züge später in Menlo Park, New Jersey. Doch erst mit dem Aufkommen von Nicolaus Ottos Verbrennungsmotor (ICE; erfunden 1876) als industrielle Anwendung im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert — einer, der die Automobil-, Luftfahrt- und Schiffsindustrie veränderte — setzte sich die Idee durch, ein ICE- und ein elektrisches Antriebssystem in einer Lokomotive zu kombinieren.
Der Zeitpunkt hätte nicht zufälliger sein können. Dampflokomotiven hatten ihre Herausforderungen. Sie waren auf Kohle angewiesen, was sie grundlegend verschmutzte. Sie benötigten Arbeitskräfte, um die Kohle vom Tender in den Feuerraum der Lokomotive zu schaufeln. Und die einzige Möglichkeit, Dampfzüge schneller zu machen, bestand darin, immer größere Lokomotiven zu bauen, die wiederum durch die Schieneninfrastruktur eingeschränkt waren, da das gesamte System, nicht nur der Kessel, wachsen musste.
Edison sah eine Gelegenheit zur schrittweisen Verbesserung, und 1925 legten General Electric und seine Partner los. Der dieselelektrische Motor war geboren.
„Edison war schon immer bestrebt, Eisenbahnen eine sauberere und wirtschaftlichere Alternative zu Dampf zu bieten“, sagt Steve Gerbracht, Direktor für Lokomotivenarchitektur und Konzeptentwicklung bei Wabtec. „Als der industrielle Einsatz von Verbrennungsmotoren immer beliebter wurde, ging bei GE buchstäblich die Glühbirne an, sodass die Lokomotive, unabhängig von Oberleitungen und dritten Schienen, ein eigenes Triebwerk aufnehmen konnte.
„Dann konnte die vom ICE — in diesem Fall ein Dieselmotor — erzeugte mechanische Energie mithilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden, die die Fahrmotoren an den Rädern der Lokomotive antreiben konnte. Diese Verbindung des Verbrennungsmotors mit Edisons Arsenal an elektrischen Komponenten und Antriebsausrüstungen hat die Geschichte der Lokomotiven buchstäblich verändert und ist nach wie vor der Standard, auf dem wir bei Wabtec und die gesamte Branche weiterhin Innovationen entwickeln.“
Eric Gebhardt, Executive Vice President und Chief Technology Officer bei Wabtec, fügt hinzu: „Edisons Durchbruch mit dem dieselelektrischen Motor ist der Inbegriff von ‚Systemdenken'. Er und sein Team haben nicht nur versucht, den Motor zu verbessern, sie haben ihn auch neu erfunden, einschließlich dessen, was er antreiben kann und wie. Dieser ganzheitlichere, systemorientierte Ansatz zur Problemlösung ist das Herzstück der wegweisenden Patente von Wabtec und in der DNA unserer Ingenieurskultur.“
2. Die Luftbremse: US-Patent Nr. 124.405
Vor der Einführung der Druckluftbremse bestand der Stand der Technik beim Anhalten eines Zuges darin, dass „Bremsleute“ den gesamten Zug durchquerten und die Bremsen an jedem Wagen einzeln betätigten, während der Zug fuhr. Diese Aufgabe war eine äußerst gefährliche Arbeit und schränkte die Möglichkeiten ein, die Länge eines Zuges zu verlängern.
Der Gründer von Wabtec, George Westinghouse, war der richtige Mann für diesen Job.
Inspiriert von einem Artikel, in dem der Einsatz einer pneumatischen Bohrmaschine beim Graben eines Tunnels in Frankreich im Mittelpunkt stand — ein Prozess, bei dem Druckluft durch etwa 3.000 Fuß lange Rohrleitungen gepumpt werden musste, schmiedete Westinghouse einen Plan, um die Bremsen eines Zuges mit Luft zu versorgen.
Sein ursprüngliches Patent für die Druckluftbremse, Nr. 88929, ausgestellt am 13. April 1869, beinhaltete einen dampfbetriebenen Luftkompressor an der Lokomotive, der Druckluft durch ein Netzwerk von Schläuchen pumpte, die zu den Bremszylindern an jedem Wagen führten. Wenn das System vom Lokführer des Zuges aktiviert wurde, betätigte es die Bremsen effektiv über die gesamte Länge des Zuges.
Nur drei Jahre später verbesserte Westinghouse sein Design weiter und fügte ein „Dreifachventil“ und einen „Hilfsbehälter“ hinzu, um das erste groß angelegte ausfallsichere System zu entwickeln. Tatsächlich konnte der Ingenieur die Bremsen immer noch wie gewohnt steuern, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Jetzt nutzte das System Luftdruck, um die Bremsen abzuschalten. Und wenn eine Kupplung kaputt ging oder ein Schlauch platzte, löste der Druckverlust die sofortige Betätigung der Bremsen an allen Waggons aus, wodurch der Zug zum Stillstand kam.
„Die Weitsicht dieses Systems ist absolut beeindruckend“, bemerkt Gebhardt. „Wenn man sich diese Patente von vor über 150 Jahren ansieht, wird einem klar, dass wir immer noch Druckluftbremsen mit pneumatischen Bremsen durchführen, ganz ähnlich, wie George Westinghouse es ursprünglich geplant hatte. Und als er diese Vorlage für das Anhalten eines Zuges entwarf, spielte er auch eine entscheidende Rolle dabei, dass Züge länger und damit produktiver wurden.“
3. Der einarmige Pantograph: US-Patent Nr. 2.935.576
Der Mitbegründer von Wabtec, Louis Faiveley, hat den Pantographen nicht erfunden — er hat ihn nur unkenntlich verbessert.
Die zweiarmigen, rautenförmigen Stromabnehmer des frühen bis mittleren 20. Jahrhunderts entsprachen der Steifigkeit und den Spannungen der damaligen Oberleitungen. Doch ihre Sperrigkeit und ihre schwere Masse waren den damit verbundenen höheren Spannungen und Geschwindigkeiten nicht förderlich.
Faiveley nutzte die Gelegenheit, um eine neue und bessere Art von Stromabnehmer zu entwickeln. Mit der Erfindung des einarmigen Pantografen (auch bekannt als Halbpantograph oder Z-förmiger Pantograph) brach er völlig neue Wege. Faiveley war ein Wunderwerk der Technik. Sein elegantes Design war leichter, aerodynamischer und nutzte auf geniale Weise den natürlichen „Auftrieb“ der vorbeiströmenden Luft, um den Panhead in ständigem Kontakt mit dem Kabel zu halten. Der neue Pantograph stellte im selben Jahr, 1955, den Geschwindigkeitsweltrekord (331 km/206 mph) für einen elektrisch betriebenen Zug auf und ist bis heute der Industriestandard.
Und mit der kontinuierlichen Innovation des einarmigen Pantografen folgten weitere Rekordleistungen. Die neuen Pantographenmodelle von Wabtec, die alle Faiveley zu verdanken sind, ermöglichten es Zügen 1990 bzw. 2007, Höchstgeschwindigkeiten von 515 kmh/320 mph bzw. 574 kmh/356 mph zu erreichen. Die Pantographen von Wabtec stellten nicht nur neue Geschwindigkeitsrekorde auf, sondern erreichten im 20. und 21. Jahrhundert auch viele Premieren, darunter Innovationen in den Bereichen Materialdesign, Grundfläche, Dachintegration, Armreichweite und Leistungsmodi. Dies trug zur Verbreitung von Pantografen bei, die weltweit über 150 Typen und mehr als 90.000 installierte Stromabnehmer umfasst.
„Faiveleys visionäre Arbeit läutete ein neues Zeitalter der Hochgeschwindigkeitszüge ein, das die Transitbranche und damit das Leben von Millionen von Reisenden verändert hat“, bewundert Matt Atkins, Power Collection Engineering Director bei Wabtec. „In der Welt der Stromabnehmer und Hochgeschwindigkeitszüge gibt es ein klares ‚Vorher und Nachher', das vom Jahr 1955 geprägt ist.“
4. LOCOTROL ® Distributed Power: US-Patent Nr. 3.380.399
Schneller Vorlauf ins Jahr 1965. Die Eisenbahnindustrie sehnte sich nach dezentraler Stromversorgung, ein Phänomen, das jedes Kind intuitiv versteht, das auf einer Modelleisenbahn ein Auto nach dem anderen aneinanderreiht. Ab einem bestimmten Punkt, wenn der Zug zu lang wird, will er auseinanderbrechen.
Die Lösung? Weitere Lokomotiven hinzufügen.
Aber wo soll man sie hinstellen?
Obwohl es am einfachsten gewesen wäre, sie vorne zu stapeln, hätte eine solche Konfiguration schwerer Lokomotiven die bestehende Schieneninfrastruktur, einschließlich Brücken (siehe Abbildung), sowie die Kupplungen und Deichseln der Züge zu stark beansprucht. LOCOTROL ® war geboren, um diesen ersten „Anwendungsfall“ zu lösen.
LOCOTROL ® stellt den Durchbruch im Steuerungs- und Kommunikationssystem dar, das es ermöglicht, dass eine nachlaufende, unbemannte Lokomotive, wo auch immer sie positioniert ist, den Befehlen der führenden Lokomotive folgen kann. Wenn also der Bediener die Lokomotive in die vierte Stufe der Traktionskontrolle versetzt, wird dieser Befehl auf Stufe vier an die Lokomotive (n) übertragen, die sich in der Mitte oder im hinteren Teil des Zuges befinden.
„Die frühen Versionen von LOCOTROL ® entsprechen den Anfängen der Supercomputer“, bemerkt Danny Rush, Vice President, Engineering bei Wabtec. „Es war ein ganzer Güterwagen mit RFID- und Computerausrüstung erforderlich, um Befehle zur ‚Fernsteuerung' vom vorderen bis zum hinteren Teil des Zuges auszuführen. In den 1990er Jahren haben wir die Geräte auf etwa die Größe eines Bücherregals reduziert, und dann, mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Mikroprozessoren, ist der Platzbedarf der Lösung auf eine Kiste geschrumpft, die etwa einen Fuß lang ist.“
Da sich Rechenleistung und Kommunikationsnetzwerke ständig weiterentwickelt haben, sind auch die Ambitionen für LOCOTROL ® gestiegen. Bahnbetreiber auf der ganzen Welt gehen bei der Kommunikation von Befehlen nicht nur zwischen Lokomotiven, was immer längere Züge ermöglicht hat, sondern auch zwischen Lokomotiven und Türmen und sogar von völlig abgelegenen Orten aus, an die Grenzen.
„Das ursprüngliche Patent für LOCOTROL ® schuf den Steuerungs- und Kommunikationsrahmen, der für eine sichere dezentrale Stromversorgung in einem Zug erforderlich ist. Dies ist in einer Zeit, in der immer längere Züge und die damit verbundenen Produktivitätssteigerungen eingeführt wurden“, erklärt Bob Palanti, Senior Architect, Train Handling bei Wabtec. „Aber dieses wegweisende Patent bereitete auch die Voraussetzungen für eine Revolution in der Automatisierung, die seit 70 Jahren im Gange ist und die neue Betriebsmodelle vorantreibt und zu neuen Effizienzsteigerungen führt. Wabtec und seine Kunden sind mit LOCOTROL ® noch nicht fertig — auch nicht annähernd.“
Fazit
Ein Zeichen für ein erfolgreiches Patent ist die Menge an nachfolgenden Innovationen, die es vorantreibt und inspiriert. Diese vier (FAB) Patente, deren Wurzeln bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts zurückreichen, haben nicht nur die Bahnindustrie im Laufe der Zeit verändert, sie wurden auch zu den Grundlagen, auf denen die Ingenieure von Wabtec bis heute Innovationen vorantreiben.
„Was alle diese Patente gemeinsam haben, ist nicht nur ihre unglaubliche Weitsicht, sondern auch ihre Kühnheit. Ich meine, 150, 100 und 50 Jahre später sind wir immer noch sehr dem ursprünglichen Denken verpflichtet, das hinter diesen Patenten stand „, so Gebhardt abschließend. „Edison, Westinghouse, Faiveley und andere legten einen Plan fest, dem alle klugen und ehrgeizigen Ingenieure folgen sollten: Schwung für die Zäune. Ihre Ideen können die Welt verändern. “