Evolution der Formel-1-Technik: Die 2010er-Jahre

In Teil 3 unseres dreiteiligen Features über die technische Entwicklung der Formel-1-Boliden beleuchten Giorgio Piola und Matt Somerfield die Ära des doppelten und angeblasenen Diffusors sowie die aktuelle Hybrid-Ära.

Evolution der Formel-1-Technik: Die 2010er-Jahre

Aufgrund der weitreichenden Regeländerungen und deren Auswirkungen beginnen wir den 3. und letzten Teil unseres Features schon ein Jahr vor dem Wechsel des Jahrzehnts. Die Regeländerungen für die Formel-1-Saison 2009 waren die umfangreichsten, die es seit einer ganzen Generation gegeben hatte.

Um den Abtrieb zu reduzieren, wurden für nahezu jedes aerodynamische Element neue Vorgaben festgeschrieben. Um das Verhältnis zwischen aerodynamischem und mechanischem Grip zu verändern, kehrte die Formel 1 nach 11 Jahren mit Rillenreifen wieder zu Slicks zurück.

 

Das Reglement für 2009 entstand auf Basis von Forschungen der Überhol-Arbeitsgruppe (Overtaking Working Group oder kurz: OWG). Ziel war es, die Autos langsamer zu machen und das Überholen durch Veränderung des Luftwirbels vom vorausfahrenden Auto zu vereinfachen.

Der Luftstrom rund um das Auto stand absolut im Fokus der Regeländerungen. So war der Frontflügel ab 2009 genauso breit wie das Auto selbst, um den Designern mehr Möglichkeiten zu geben, den Luftstrom zu lenken. Allerdings wurden die zentralen 500 Millimeter des Frontflügels als neutrale Zone definiert.

Regeländerungen für 2009
Regeländerungen für 2009

Illustration: Giorgio Piola

Der Heckflügel wuchs in der Höhe, während der Diffusor sowohl in Höhe als auch in Länge schrumpfte. Durch diese neuen Vorgaben sollte es dem hinterherfahrenden Auto erleichtert werden, dicht aufzuschließen.

Ferrari F60 vs. Ferrari F2008: Vergleich, Diffusor
Ferrari F60 vs. Ferrari F2008: Vergleich, Diffusor

Illustration: Giorgio Piola

Auch an anderen Stellen des Bodyworks galten ab 2009 neue Vorgaben. So wurde die Anzahl der erlaubten Winglets und Flaps rund um das Auto massiv reduziert.

Schließlich gab man auch den Fahrern neue Mittel an die Hand, um im Zweikampf angreifen zu können. Den Anfang machte der verstellbare Frontflügel. Im Cockpit gab es einen Knopf, mit dem sich das obere Flügelelement des Frontflügels zweimal pro Runde um 6 Grad verstellen ließ. Damit konnte das Auto im Windschatten eines anderen Autos besser ausbalanciert werden.

KERS als Vorläufer von ERS

Als 2. Maßnahme, um den Fahrern das Überholen zu erleichtern, wurde das Kinetische Energierückgewinnungssystem (KERS) eingeführt. Damit war es den Fahrern möglich, 400 Kilojoule elektrische Energie, die zuvor beim Bremsen rekuperiert worden waren, freizusetzen. Dies geschah in Form eines "Boots" von maximal 60 Kilowatt (rund 80 PS) für einen Zeitraum von 6,66 Sekunden pro Runde.

McLaren MP4-24, KERS-Paket
McLaren MP4-24, KERS-Paket

Illustration: Giorgio Piola

Das KERS aus der Saison 2009 war längst nicht so weit entwickelt wie das ERS, das zur Saison 2014 Einzug halten würde. KERS war vielmehr ein System mit Kompromissen. Mit einem Gewicht von rund 30 Kilogramm ergab es nur dann überhaupt Sinn, wenn man mindestens 6,66 Sekunden pro Runde aufholen konnte. Anderenfalls schleppte man das System als "totes Gewicht" mit sich herum.

In der Premierensaison 2009 erwies sich KERS als Volltreffer oder als völliger Schuss in den Ofen. Weder das Weltmeisterteam Brawn GP noch der Verfolger Nummer 1, Red Bull Racing, vertraute auf das System. Stattdessen setzen diese Teams das Gewicht sinnvoller an anderer Stelle ihrer Autos ein. Die Folge war, das KERS in der Saison 2010 zunächst nicht mehr auftauchte. Die Hersteller sollten Zeit bekommen, das System zu überarbeiten.

Als KERS in der Saison 2011 ein Comeback feierte, galt ein neues Mindestgewicht für die Autos. Die FIA wollte damit bezwecken, dass KERS flächendeckend eingesetzt wird, anstatt – wie von McLaren und Ferrari in der Saison 2009 praktiziert – nur auf bestimmten Strecken.

Neben KERS stand in der Saison 2009 aber noch ein ganz anderer Aspekt im Mittelpunkt: die Aerodynamik.

2009: Der Brawn BGP 001

Die Geschichte von Brawn GP ist der Stoff für Folklore. Es ist die Geschichte von Phönix aus der Asche, die komplett anders hätte verlaufen können, wenn Mercedes nicht eingesprungen wäre, um dem Team seine V8-Motoren bereitzustellen. Das Ganze war Ersatz für die aus der Formel 1 zurückgezogenen Honda-Motoren.

Wie wir heute wissen, war der Mercedes-Motor der deutlich passendere für das Auto, das eigentlich der Honda RA109 hätte werden sollen, als es der ebenfalls angebotene Ferrari-Motor gewesen wäre. Der Mercedes-Motor kam ohne KERS daher und somit hatte Brawn GP die Möglichkeit, mit dem Gewicht zu spielen und dieses an anderen Stellen des Autos zu platzieren.

Der Splitter wurde von Brawn GP als das Teil auserkoren, auf dem ein Großteil des frei platzierbaren Gewichts lastete. Dank der weit vorn und weit unten liegenden Position wurde der Schwerpunkt des Autos weiter gesenkt und die Balance damit verbessert.

Brawn BGP 001: Splitter mit Ballast
Brawn BGP 001: Splitter mit Ballast

Illustration: Giorgio Piola

Vom Design her setzte Brawn GP beim Splitter auf das Prinzip eines Schneepflugs. Damit wurde die gemäß Reglement verlorene Länge der seitlichen Windabweiser (Bargeboards) kompensiert und die Luft unter der Nase wurde wieder wie gewünscht in Richtung Unterboden weitergeleitet.

Der Wechsel des Motorenlieferanten hätte für Brawn GP leicht nach hinten losgehen können. Tatsächlich aber war dieser Bereich einer der vielen, die den BGP 001 über sich hinauswachsen ließen. Honda hatte sich frühzeitig mit den Regeln für 2009 befasst und dafür das Auto für die Saison 2008 geopfert.

Brawn BGP 001 2009: Motor, Schnittzeichung
Brawn BGP 001 2009: Motor, Schnittzeichung

Illustration: Giorgio Piola

Das Projekt wurde außerhalb der heute geltenden Regeln aufzogen. So hatte Honda gleich mehrere Windkanäle parallel im Betrieb, um Designstudien für den geplanten RA109 zu kreieren und zu verfeinern. Diese lange und intensive Forschungsphase erlaubte es dem Team, unterschiedliche Designphilosophien für die Schlüsselstellen des Autos zu eruieren.

Der voll ins Chassis des BGP 001 integrierte Doppeldiffusor gab Brawn GP einen entscheidenden Vorsprung auf die Teams, die das Prinzip nachträglich an ihrem Auto zum Funktionieren bringen mussten.

Doch auch der Frontflügel des BGP 001 hob sich deutlich von der Konkurrenz ab. Der verstellbare Flap bewirkte lediglich die Verstellung eines kleinen Bereichs auf der Innenseite des Flügels. Dadurch konnte der äußere Bereich, inklusive der äußeren Endplatte, dazu dienen, die Luft effektiver über und um die Vorderräder zu leiten.

Brawn BGP 001: Verstellbarer Frontflügel
Brawn BGP 001: Verstellbarer Frontflügel

Illustration: Giorgio Piola

Die gemäß Reglement im Vergleich zu 2008 niedrigere Position des vorderen Hauptflügelelements ließ Brawn GP ebenfalls kreativ werden. So wurde am BGP 001 auch gleich die Vorderradaufhängung neu platziert. Die vorderen Spurstangen spielten plötzlich eine Rolle, wenn es darum ging, wie die vom Frontflügel gespaltene Luft nach hinten weitergeleitet wurde.

Brawn BGP 001: Vorderradaufhängung
Brawn BGP 001: Vorderradaufhängung

Illustration: Giorgio Piola

Die Seitenkästen des Brawn BGP 001 waren nicht zuletzt dank des Verzichts auf Kühlung für das nicht vorhandene KERS ausgesprochen schlank. Im vorderen unteren Bereich waren die Seitenkästen extrem verjüngt, um den Luftstrom in Richtung Heck positiv zu beeinflussen.

Brawn BGP 001: Seitenkasten
Brawn BGP 001: Seitenkasten

Illustration: Giorgio Piola

Kurios ist, dass wir den BGP 001 nie im vollen Honda-Trimm sahen. Somit können wir nicht sagen, wo sich das Auto, das ursprünglich der Honda RA109 hätte werden sollen, im Feld eingereiht hätte. Der Brawn BGP 001 zeigt aber deutlich, dass ein Team schier unüberwindbare Hürden überwinden kann, wenn es ausreichende Planung im Voraus gab.

2010 bis 2013: Red Bull und der angeblasene Diffusor

Die zur Saison 2009 festgeschriebenen Regeländerungen waren weitreichend. So boten sich jede Menge Kanäle für Innovationen. Den Anfang machte der umstrittene Doppel-Diffusor. 2010 folgte der F-Schacht. Ab 2010 wurde den Innovationen mit dem angeblasenen Diffusor die Krone aufgesetzt.

Red Bull RB6: Angeblasener Diffusor
Red Bull RB6: Angeblasener Diffusor

Illustration: Giorgio Piola

Der Doppel-Diffusor, der in der Saison 2009 für reichlich Kontroversen gesorgt hatte, stellte die Theorien der Überhol-Arbeitsgruppe auf den Kopf. Als Folge verschwand der verstellbare Frontflügel schon zur Saison 2010 wieder, weil er von den Fahrern ohnehin nicht genutzt wurde.

Brawn BGP 001: Diffusor, Details
Brawn BGP 001: Diffusor, Details

Illustration: Giorgio Piola

McLaren beschritt in der Saison 2010 neue Wege, indem das Team das intern als RW80 bekannte System einsetzte, das im allgemeinen Sprachgebrauch als F-Schacht bezeichnet wurde. Es handelte sich um ein System, mit dem es möglich war, Abtrieb und Luftwiderstand am Heckflügel dramatisch zu reduzieren. Der Effekt des Heckflügels wurde gewissermaßen strömungstechnisch abgewürgt.

McLaren MP4-25: F-Schacht
McLaren MP4-25: F-Schacht

Illustration: Giorgio Piola

Zwar wurde die McLaren-Idee des F-Schachts schnell von allen anderen Teams kopiert. Die Lorbeeren gehören aber dem Team aus Woking, dem es gelang, mit einem vergleichsweise simplen System auf elegante Art und Weise gleich mehrere Regeln beziehungsweise deren Ziele zu umschiffen.

Der FIA gefiel es nicht, dass der Fahrer das F-Schacht-System mittels Hand oder Knie bedienen musste. Je komplizierter das System wurde, desto mehr war der Fahrer beim eigentlichen Fahren des Autos eingeschränkt.

So wurden die Passagen im Reglement, die den F-Schacht überhaupt erst möglich gemacht hatten, für 2011 umgeschrieben. Die FIA hatte aber eine Lektion gelernt, wie man das Überholproblem beheben könnte: Der verstellbare Heckflügel (Drag Reduction System oder kurz: DRS) wurde eingeführt.

In dieser Phase der Formel-1-Geschichte wurde auch deutlich, dass einige der Teams die Aeroelastizität zu ihrem Vorteil nutzten. Insbesondere galt dies für den Frontflügel. Um den flexiblen Frontflügeln den Garaus zu machen, sah sich die FIA gezwungen, im Zeitraum 2009 bis 2013 das Reglement mehrfach zu verschärfen.

Die Hybrid-Ära

Für den Geschmack vieler Beteiligten nahm die Aerodynamik in der Formel 1 des neuen Jahrtausends Überhand. So wurde zur Saison 2014 (ursprünglich schon zur Saison 2013 geplant) ein neues Reglement eingeführt, das den Fokus wieder verstärkt auf den Antrieb legen sollte.

Die frühen Gespräche zwischen Teams, Herstellern und der FIA machten deutlich, dass die Formel 1 auf zukunftsweisende Technologien setzen müsse. Die Hersteller würden die Entwicklungen, die etwas später im Straßenverkehr zu finden sein würden, vorab auf der Rennstrecke entwickeln.

In diesem Zusammenhang wurden unterschiedliche Konzepte diskutiert. So stand der Einsatz eines Reihen-Vierzylinder-Motors ebenso zur Debatte wie ERS an der Vorderachse sowie eine ganze Reihe verschiedener Turbo-Konzepte.

Die Entscheidung als Formel-1-Antriebseinheit ab 2014 fiel auf einen Turbomotor mit 1,6 Litern Hubraum und einfachem Turbolader, der in der Mitte des Autos platziert werden muss und mit einem Elektromotor verbunden sein muss. Dieser als MGU-H bekannte Elektromotor kann verwendet werden, um den Turbolader einzubremsen und damit Energie zu rekuperieren oder aber um den Turbolader zu beschleunigen und damit das Turboloch zu verkleinern.

Renault-Antriebseinheit
Renault-Antriebseinheit

Illustration: Giorgio Piola

Darüber hinaus umfasst die Antriebseinheit einen deutlich leistungsfähigeren Elektromotor als es ihn in der KERS-Ära gegeben hatte. Der neue, als MGU-K bekannte Elektromotor ist mit der Kurbelwelle verbunden. Zudem gibt es in der ERS-Ära einen deutlich größeren Energiespeicher (Batteriepackung) als in der KERS-Ära.

Die maximale Drehzahl des Verbrennungsmotors wurde von 18.000 auf 15.000 Umdrehungen pro Minute reduziert. Einschränkungen hinsichtlich der Benzindurchflussmenge lassen aber ohnehin nicht mehr als 12.000 Umdrehungen pro Minute zu. Im Rennen dürfen maximal 100 Kilogramm Benzin mitgeführt werden, wobei die Durchflussrate auf 100 Kilogramm pro Stunde limitiert ist.

Genau wie KERS, so lässt sich auch ERS vom Fahrer aus konfigurieren. Das heißt, je nach Streckenbedingungen kann der Fahrer mittels Knöpfen im Cockpit festlegen, wie viel Energie rekuperiert und wieder freigesetzt wird. Im Unterschied zu KERS erfolgt die Energiefreisetzung mit ERS stets in Abhängigkeit des gewählten Modus und der Gaspedalstellung, da das System direkt mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist.

Die mit der Kurbelwelle verbundene MGU-K kann maximal 120 Kilowatt (rund 160 PS) freigeben. Pro Runde können 4 Megajoule Energie vom Energiespeicher (Batterie) bezogen werden. 2 Megajoule können pro Runde rekuperiert und gespeichert werden, wobei die Freisetzung über die MGU-K limitiert ist.

Der interessanteste Aspekt ist aber, dass Energie dank des Kontrollsystems zwischen MGU-K und MGU-H wandern kann, ohne gespeichert werden zu müssen. Somit kann eine MGU die andere betreiben, was als Ganzes ein effizienteres Energiemanagement zur Folge hat. Im Vergleich zu einem klassischen Elektromotor mit Wechselstrom gibt es nur geringe Energieverluste.

Verlorener Abtrieb wird wiedergewonnen

Aus aerodynamischer Sicht wurde zur Saison 2014 der Abtrieb weiter reduziert. So wurde die Breite des Frontflügels um 150 Millimeter verringert, die Nase angehoben und der Übergang zwischen Nase und Chassis auf eine deutlich geringere Höhe festgeschrieben.

Regeländerungen für 2014
Regeländerungen für 2014

Illustration: Giorgio Piola

Hintergrund dieser Maßnahmenen war zum einen eine Verbesserung der Sicherheit. Zum anderen wollte die FIA die aerodynamischen Vorteile, die die Teams seit der vorhergehenden Regeländerung gewonnen hatten, im Rahmen halten.

Aus diesem Grund wurden auch die Onboard-Kameras an der Nase, die von den Teams längst als aerodynamische Zusatzflügel "missbraucht" worden waren, weiter nach hinten versetzt und damit in einen Bereich, der im Reglement als neutrale Zone beschrieben ist.

Darüber hinaus wurde im Bereich des Cockpits ein universeller Seitenaufprallschutz vorgeschrieben, der die zahlreichen individuellen Lösungen der einzelnen Teams über Bord warf und nicht nur in puncto Dimensionen, sondern auch in puncto Gewicht einheitlich ist.

Am Heck wurde der Beam-Wing (unterer Zusatzflügel unterhalb des Heckflügels) komplett verboten. Oben wurde der offene Bereich rund um das Hauptflügelelement und den oberen Flap um 20 Millimeter verkleinert. Davon betroffen war und ist auch die künstliche Überholhilfe DRS.

Der Auspuff durfte fortan nur noch zentral liegen, um aerodynamische Einflüsse auf den Diffusor in Grenzen zu halten. Damit einhergehend wurde die neutrale Zone am Heck von 150 auf 200 Millimeter vergrößert. Davon betroffen war und ist auch die Größe des Monkey-Seats, des einzig verbliebenen kleinen Zusatzflügels unterhalb des Heckflügels.

Alles in allem waren die Regeländerungen zur Saison 2014 umfangreich, gingen aber vielleicht einen Schritt zu weit. Schließlich wurde der Abtrieb ausgerechnet dann massiv reduziert, als die Autos aufgrund der zusätzlichen Antriebskomponenten (ERS) ohnehin 60 Kilogramm schwerer wurden.

So schienen plötzlich alle bestürzt darüber zu sein, wie viel langsamer die neuen Formel-1-Autos im Vergleich zu ihren Vorgängern wurden und wie nahe die Rundenzeiten der kleinen Teams plötzlich an jenen der GP2-Teams lagen.

Das Problem war, dass zu einem Zeitpunkt, als man Abtrieb gebraucht hätte, um das zusätzliche Gewicht der Autos aus den Kurven herausbeschleunigen zu können, zu viel Abtrieb weggenommen wurde. Hinzu kam, dass das Verständnis der neuen Antriebseinheiten vor der Saison 2014 noch nicht allzu groß war.

In den folgenden Jahren freilich löste sich das Problem von selbst. So waren die Formel-1-Autos der Saison 2016 mehrere Sekunden schneller als jene aus der Saison 2014, haben Rundenrekorde wackeln lassen und in einigen Fällen sogar gebrochen.

Die jüngsten Regeländerungen, die für die Saison 2017 festgeschrieben worden sind, haben in erster Linie zum Ziel, die Dominanz von Mercedes zu beenden. Ein Stück weit müssen sie aber als überstürzt gelten, da die Überholmöglichkeiten aller Voraussicht nach noch weniger werden als es mit den zur Saison 2014 eingeführten Regeln der Fall war.

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