Auto/Motor

In der Vergangenheit gab es viele Tüftler, die sich an der Konstruktion
eines selbstfahrenden Objekts versuchten. Doch der wohl Erste, der es
schaffte, war Ferdinand Verbiest im Jahr 1675. Studierende der Technischen
Hochschule Ingolstadt haben das Fahrzeug in mühevoller Konstruktionsarbeit
nachgebaut und damit bewiesen, dass Verbiests Modell tatsächlich fuhr. Die
Beschreibung fanden sie in einem historischen Büchlein aus Dillingen.

Der 29. Januar 1886 gilt als die Geburtsstunde des Automobils. An diesem
Tag erhielt Carl Benz das Patent für sein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.
Ein Ereignis, das den Lauf der Geschichte verändert sollte. Aber wirklich
der Erste, der ein Automobil, also ein selbstfahrendes Objekt (von „autos“
= selbst und „mobilis“ = beweglich) erfunden hatte, war Carl Benz nicht.

1870 hatte beispielsweise Siegfried Marcus einen Kraftwagen mit
Benzinmotor in Bewegung gesetzt, Isaac de Rivaz verwendete Anfang des 19.
Jahrhunderts einen Gasmotor, um seinen Wagen anzutreiben und Nicolas
Joseph Cugnot war noch ein bisschen früher dran. Er baute 1769 einen
Dampfwagen. In der Geschichtsschreibung fanden die Tüftler kaum Erwähnung.
Genauso wie Ferdinand Verbiest (1623-1688). Der Belgier konstruierte vor
knapp 350 Jahren ein selbstfahrendes Gerät und gilt damit als
tatsächlicher Erfinder des Automobils.

Mitfahren konnte man in dem etwas skurril anmutenden Gefährt nicht. Es war
60 Zentimeter lang, 30 Zentimeter breit und hatte zwei Achsen mit vier
Rädern. Ein fünftes diente zum Lenken, ähnlich einem Ruder bei einem
Schiff. Der Transport von Menschen und Lasten war auch gar nicht das Ziel
von Ferdinand Verbiest. Dem Jesuitenpater ging es um den Beweis, dass das
Prinzip des „Selbst-Bewegers“ mit Dampf funktioniert. 1675 war das eine
Sensation – auch wenn sie es als solche nicht in die Weltöffentlichkeit
schaffte. Das kleine Gefährt drehte damals in Peking seine Runden und
sollte dem chinesischen Kaiser imponieren. Es sollte zeigen, zu welch
technischen Leistungen der Westen fähig war, erklärt Dr. Gerd Treffer.

Dem Jesuitenpater ging es um den Beweis des "Selbst-Bewegers"

Der Ingolstädter Historiker hat eine Ausstellung über den Friedhof der
jesuitischen Missionare in Peking kuratiert. Dabei stieß er auf das Grab
von Verbiest und beschäftigte sich mit dessen Biografie. In dem Buch
„Astronomia Europaea“, das in Dillingen gedruckt wurde, fasste Verbiest
für seine Ordensoberen alle wissenschaftlichen Leistungen der Jesuiten in
China zusammen. Es enthält eine sehr exakte Beschreibung eines kleinen
Wagens. „In seine Mitte stellte ich ein Becken voller glühender Kohlen und
über dieses Behältnis eine Aeolopile (= Dampfturbine); mit der Achse der
Vorderräder verband ich ein bronzenes Zahnrad, dessen Zähne, quer liegend
und horizontal, in ein anderes kleines Rad eingriffen, das an einer -
senkrecht zum Horizont stehenden - Achse befestigt, dergestalt wirkte,
dass sich, wenn sich die letztgenannte Achse drehte, der Wagen bewegte",
schrieb der Jesuit. Denn dieser Achse habe er ein weiteres Rad beigefügt,
das außen mit paarweisen kleinen Tuben bestückt war. „Auf sie drückend
drehte der von einer engen Düse der Aeolopile ausgestoßene Wind das ganze
Rad und trieb zugleich den Wagen an, der eine Stunde und mehr in ziemlich
rascher Art fuhr.“

Eine Zeichnung oder einen Bauplan gab es nicht. Aber Treffers Interesse
war geweckt. Er wollte wissen, ob sich dieses Fahrzeug tatsächlich
fortbewegen konnte. Den Beweis dazu lieferten nun Studierende der
Technischen Hochschule Ingolstadt (THI). Prof. Dr. Thomas Suchandt nutzte
zusammen mit seinen Studentinnen und Studenten die Beschreibungen aus
Verbiests Buch, um die Konstruktionspläne für das Automobil zu erstellen.
Zunächst bauten sie das Modell aus modernen Materialien, um zu überprüfen,
ob es überhaupt fährt. Sie suchten nach der passenden Holzart,
experimentierten mit dem richtigen Druck und der Wassermenge.
Experimentieren war die Devise. „Einige Teile flogen uns um die Ohren“,
erzählt der Maschinenbau-Ingenieur, der an der THI als Vizepräsident für
Forschung und Transfer zuständig ist. Die Holzarbeiten fertigten Schüler
der Ingolstädter Montessori-Schule. Zeitgleich war das ganze Projekt eine
Reise in die Geschichte der Technik, sagt Prof. Dr. Thomas Suchandt: „Wir
haben uns mit Dingen beschäftigt, die seit Jahrhunderten nicht mehr in
Gebrauch waren.“

Das Objekt bewegt sich durch Wasserdampf

Doch es hat funktioniert, die erste Ausfahrt glückte, und damit war der
Beweis erbracht: Das Objekt kann sich selbst mit Wasserdampf fortbewegen.
Eine Sensation, wie Treffer findet, auch wenn sie die Geschichtsschreibung
über das erste Automobil nicht verändern wird. „Der Rückstoß mit Hilfe von
Wasserdampf war schon den alten Ägyptern bekannt“, berichtet Suchandt.
Doch diese Wärmekraftmaschine, Aeolipile genannt, galt damals als Kuriosum
ohne praktischen Nutzen. „Das Spektakuläre an Verbiests Entwicklung ist,
dass sich das Objekt selbst bewegen kann“, so der Professor.

Rund 100 Jahre nach Verbiest hatte der Physiker Johann Lorenz Böckmann das
Gefährt schon einmal nachgebaut, wie Gerd Treffer recherchiert hat: „Er
verwendete es damals zu Demonstrationszwecken in seinem Unterricht als
Professor am Lyzeum in Karlsruhe.“ In der Lehrsammlung wurde es
aufbewahrt, ging dann aber verloren, erzählt der Historiker. Ein
unbekannter Zeichner hat wohl davon eine Skizze angefertigt. Gerd Treffer
hat sie als Deckblatt für seine Publikation der Geschichte von Verbiest
und dem Gefährt verwendet.

Initiiert und finanziert wurde das Projekt vom Audi Konfuzius Institut
Ingolstadt (AKII), an dem Treffer der Leiter historischer Projekte ist.
Nun wollen die Studierenden das Fahrzeug mit historischen Materialien
nachbauen.

Info: Dr. Gerd Treffers Publikation „Das erste auto-mobile der
Weltgeschichte. Des Jesuitenprofessors Ferdinand Verbiests Erfindung für
den Kaiser von China (1676/1678)“ kann im Audi Konfuzius Institut
Ingolstadt erworben werden.

Projekt „Software-defined Car“ (SofDCar) soll neue Methoden und Prozesse
für das Auto der Zukunft und seine effektive Datennutzung entwickeln.

In Fahrzeugen sind heute teilweise über 100 Steuergeräte verbaut. Die hohe
Komplexität der elektrischen und elektronischen Systeme und ihrer
Architektur nimmt künftig weiter zu, muss gleichzeitig aber beherrschbar
bleiben. 13 Unternehmen und Forschungseinrichtungen, darunter die
Universität Stuttgart, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das
Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKSF)
sowie das FZI Forschungszentrum Informatik wollen im Projekt „Software-
Defined Car“ (SofDCar) nun gemeinsam standardisierte Regeln und Prozesse
schaffen, damit die elektronischen Komponenten im Fahrzeug reibungslos
zusammenspielen, jederzeit aktualisierbar und damit sicher bleiben.

Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten
Projekts „SofDCar“ ist es, dass künftig alle Software-Updates und
-Upgrades Regeln und Prozessen folgen, durch die sie kontrollierbar sind
und dem Einsatz einer konsequenten Methodik für funktionale und IT-
Sicherheit unterliegen. Das stellt sicher, dass sich einzelne Programme
nicht gegenseitig stören und im System fehlerfrei arbeiten. Dies ist die
Voraussetzung dafür, dass neue Funktionen im und um das Fahrzeug künftig
schneller entwickelt werden und sicher zu den Autofahrern kommen – ein
Fahrzeugleben lang. Zu den Projektpartnern aus der Industrie zählen neben
Konsortialführer BOSCH BooleWorks GmbH, ETAS GmbH, Mercedes-Benz AG, P3
digital services GmbH, T-Systems International GmbH, Vector Informatik
GmbH, ZF Friedrichshafen AG sowie als assoziierter Partner die
Landesagentur e-mobil BW GmbH.

„Das Großprojekt SofDCar ist ein Paradebeispiel dafür, wie Digitalisierung
in der Fahrzeugtechnologie vorangetrieben wird – in enger Zusammenarbeit
von Unternehmen unterschiedlicher Branchen mit Partnern aus der
Wissenschaft“, sagt die baden-württembergische Wissenschaftsministerin
Theresia Bauer. „Der InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) an der
Universität Stuttgart und dem KIT bietet mit dem Schwerpunkt ‚Software-
defined Mobility‘ die ideale Kooperationsumgebung für SofDCar, denn hier
sind exzellente Forschung, wirtschaftliche Umsetzung und akademische
Qualifizierung eng miteinander verzahnt. Genau diese enge Verknüpfung
streben wir im Land mit dem Strategiedialog Automobilwirtschaft BW an.“

Prof. Peter Middendorf, Prorektor Wissens- und Technologietransfer der
Universität Stuttgart, betont: „Die Bewilligung des BMWi Projekts
Software-defined Car ist auch für die Universität Stuttgart und das KIT
ein großartiger Erfolg, da zum einen die Initiative des gemeinsamen
Konsortiums mit dem FKFS und FZI sowie natürlich den starken
Industriepartnern aus dem Innovationscampus Mobilität der Zukunft kam und
zum anderen mit dem thematischen Schwerpunkt des Projekts eine geradezu
ideale Anknüpfung an das neue Strategiefeld „Software-defined Mobility“
des ICM besteht.“

„Wir wollen mit innovativen Ideen den Transformationsprozess hin zu einer
umweltfreundlichen, vernetzten und automatisierten Mobilität vorantreiben.
Mit der Förderung von SofDCar kommen wir dieser Vision einen großen
Schritt näher“, sagt Professor Thomas Hirth, Vizepräsident für Innovation
und Internationales des KIT. „Der Innovationscampus Mobilität der Zukunft
bietet eine hervorragende Plattform, um exzellente, innovative und
interdisziplinäre Forschung zu betreiben.“

Ein neuer Digitaler Zwilling für die Fahrzeugarchitektur der Zukunft

Teil des Projekts ist die Entwicklung eines erweiterten Digitalen
Zwillings, also eines virtuellen Abbilds der Entwicklungs- und
Laufzeitdaten eines Fahrzeugs. Dieser Zwilling umfasst künftig die im
Fahrzeug und in der Cloud verteilten Daten – von der Herstellung eines
Fahrzeugs bis zu seiner Verschrottung. Damit geht dieser deutlich über das
bisher unter dem Begriff Digitaler Zwilling gefasste Bild hinaus, da er
erstmals den gesamten Lebenszyklus eines modernen Fahrzeugs umfasst und
auch die Domänen Cloud, Apps, Backend- sowie Entwicklungssysteme
einschließt. Das Projekt will damit sicherstellen, dass sich der
Informationsfluss von Fahrzeugdaten und Softwareversionen wie ein roter
Faden durch alle Datenbanken und Server zieht. Aktualisierungen der
Software und neue digitale Funktionen und Dienste lassen sich somit zu
jeder Zeit einfacher und vor allem schneller umsetzen.

5G-Teststrecke auf dem Campus der Universität Stuttgart

Seitens der Universität Stuttgart bringen sich unter Leitung von Prof. Dr.
Michael Weyrich vom Institut für Automatisierungstechnik und
Softwaresysteme acht Arbeitsgruppen aus drei Fachbereichen in die Arbeiten
an der Software-definierten automobilen Zukunft ein. Ein wesentlicher
Beitrag ist dabei der Aufbau des hybriden Demonstrators „Campus
Vaihingen“: Mittels einer Echtzeit-5G-Teststrecke auf der Ringstraße des
Campus können unter realitätsnahen Bedingungen Testfahrzeuge und andere
Testaufbauten aller Partner auf und abseits der Straße getestet werden.
Prof. Weyrich betont: „An der Universität Stuttgart werden wir uns mit den
Kollegen aus Karlsruhe mit einer IT-Referenzarchitektur für die Fahrzeuge
der Zukunft befassen. Dabei geht es um den Einsatz von Software im so
genannten Edge-Backend, also Informationsknotenpunkten außerhalb der
Fahrzeuge in der zukünftigen IT-Infrastruktur. Anhand des Digitalen
Zwillings sowie des Echtzeit-5G-Campusnetzes können wir die
Referenzarchitekturen für einen kontinuierlichen und beidseitigen
Datenaustausch für neue Funktionen in den Fahrzeugen der Zukunft
konzeptionieren.“

Das FKFS erarbeitet Im Projekt Software Defined Car Technologien zur
Optimierung des Kundennutzens vernetzter Automobile: Im europaweit
einzigartigen Stuttgarter Fahrsimulator werden mit Versuchspersonen aus
der Bevölkerung die Auswirkungen von Online-Softwareupdates auf das
Fahrerlebnis untersucht. Beispiele sind neue Funktionen zur Verbesserung
des Komforts und der Fahrsicherheit von teil- und vollautonomen
Fahrzeugen. „Mit intelligenten Funktionen in der Cloud wird die
Früherkennung und Abwendung drohender Defekte von Komponenten in
Elektrofahrzeugen erforscht“, sagt Prof. Hans-Christian Reuss,
Vorstandsmitglied des FKFS und Inhaber des Lehrstuhls
Kraftfahrzeugmechatronik an der Universität Stuttgart. „Dadurch wird ein
„Liegenbleiben“ des Fahrzeugs in vielen Fällen verhindert, was sich
positiv auf die Kundenzufriedenheit auswirkt.“

Sicherheit und Verlässlichkeit von Fahrzeug-Software

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT betrachten innovative
Entwicklungsmethoden und Qualitätssicherungsansätze für die
Automobilindustrie, insbesondere mit Blick auf die IT-Sicherheit. „Neben
der engen Zusammenarbeit mit den anderen Forschungspartnern zur IT-
Referenzarchitektur, liegen unsere Schwerpunkte im Bereich Sicherheit und
Verlässlichkeit“, sagt Prof. Ralf Reussner vom KASTEL – Institut für
Informationssicherheit und Verlässlichkeit des KIT. „Wir untersuchen
beispielsweise, wie nach dem Kauf eines Fahrzeugs Software-
Funktionalitäten einfach, sicher und verlässlich aktualisiert und dabei
die verschiedensten kundenspezifischen Fahrzeugvarianten berücksichtigt
werden können.“ Außerdem wollen die Forschenden des KIT die
Informationsverwaltung und Sicherheitsprüfungen verbessern,
Datenanalysealgorithmen und Datenschutzanalysen entwickeln, sowie
Identitäts- und Zugriffsverwaltungssysteme, Update-Methoden und
Absicherungsstrategien bereitstellen.

Neben diesen Aspekten befassen sich die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler am FZI Forschungszentrum Informatik mit der Absicherung,
Verifikation und Konsistenzhaltung von Fahrzeugvarianten. Besondere
Berücksichtigung finden hier das Erkennen von Einschränkungen und
Schwachstellen in der Fahrfunktion, die Evolution sowohl von Varianten als
auch einzelner Funktionalitäten sowie das Verwalten der entstehenden
Versionen mit Hilfe des digitalen Zwillings. Durch die Identifikation und
Extraktion von Prozessen und weiteren Leistungsdaten sollen weiterhin
qualitätsgesicherte Anwendungsprozesse über die Fahrzeuggrenzen hinweg
ermöglicht werden. Das Kompetenzzentrum IT-Sicherheit am FZI untersucht
zusätzlich angewandte Fragestellungen zur IT-Sicherheit wie etwa die
Security-Absicherung von Fahrzeugkomponenten mit Methoden der Künstlichen
Intelligenz und auch mit praktischen Sicherheitstests an ausgewählten
Komponenten.
„Gemeinsam erproben wir zudem im Testfeld Autonomes Fahren Baden-
Württemberg verschiedene Aspekte im Bereich Software-over-the-Air,
Absicherung und Robustheitssteigerung. Hierbei kommen auch unsere
Testfahrzeuge zum Einsatz“, ergänzt Prof. J. Marius Zöllner, Vorstand des
FZI sowie Professor am KIT. „Unser Ziel ist es, die Sicherheit von KI-
basierten Funktionalitäten laufend zu verbessern, auch mit den wertvollen
Evaluierungsmöglichkeiten durch das Testfeld.“