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Magnetschwebebahn und Co.: So schweben Magnete

Warum Magnete von allein nicht stabil schweben können und wie Magnetschwebebahnen, Magnetlager und schwebende Globen es trotzdem schaffen.

Ein Zug, der ohne Räder über seinen Fahrweg gleitet. Ein Globus, der frei in der Luft kreist. Eine Welle, die sich rasend schnell dreht, ohne irgendwo anzustoßen. Magnetisches Schweben wirkt wie ein Zaubertrick, doch dahinter steckt handfeste Physik, und die ist erstaunlich gut zu verstehen.

In diesem Ratgeber erfährst du, warum Magnete eigentlich gar nicht von allein stabil schweben können, mit welchen Tricks Ingenieure das trotzdem schaffen und wo dir Schwebetechnik heute begegnet: vom Transrapid über die Flughafenbahn in Shanghai bis zum japanischen SCMaglev, von Magnetlagern in Industriepumpen bis zum Schwebe-Spielzeug auf dem Schreibtisch.

Das Earnshaw-Theorem: Warum Magnete nicht einfach schweben

Vielleicht hast du es selbst schon ausprobiert: Du hältst zwei Magnete mit gleichen Polen übereinander und hoffst, dass der obere frei in der Luft stehen bleibt. Stattdessen kippt er zur Seite, dreht sich um und klackt an den unteren. Das ist kein Pech, sondern ein Naturgesetz. Der britische Mathematiker Samuel Earnshaw hat schon 1842 bewiesen, dass sich eine Anordnung ruhender Ladungen allein durch elektrische oder magnetische Kräfte nicht stabil in der Schwebe halten lässt. Für ruhende Dauermagnete gilt sinngemäß dasselbe.

Anschaulich kannst du es dir so vorstellen: Ein stabiler Schwebepunkt wäre wie eine Murmel in einer Schüssel, die nach jedem Anstupsen zurück in die Mitte rollt. Statische Magnetfelder formen aber keine solchen Mulden. Sie bilden höchstens Sattelpunkte, an denen es in einer Richtung zurück in die Mitte geht, in einer anderen aber sofort hinaus. Irgendeine Richtung bleibt also immer instabil.

Das Theorem hat allerdings Schlupflöcher, und genau die nutzt jede Schwebetechnik:

Aktive Regelung: Sensoren messen ständig den Abstand, und Elektromagnete werden blitzschnell nachgeregelt.
Diamagnetismus: Stoffe wie pyrolytischer Graphit oder Bismut werden von Magnetfeldern abgestoßen und können deshalb stabil schweben.
Supraleiter: Sie verdrängen Magnetfelder (Meißner-Effekt), manche Typen halten sie zusätzlich an Ort und Stelle fest.
Bewegung: Ein rotierender Kreisel oder ein fahrender Zug erfüllt die Voraussetzungen des Theorems nicht, denn es gilt nur für ruhende Anordnungen.
Mechanische Führung: Blockiert eine Wand oder ein Faden die instabile Richtung, spricht man von Pseudo-Schweben.

Zwei Prinzipien für schwebende Züge: EMS und EDS

Magnetschwebebahnen lassen sich grob in zwei Familien einteilen. Beide fahren ohne Radkontakt, erreichen das aber auf ganz unterschiedlichen Wegen.

Beim elektromagnetischen Schweben (EMS) umgreift das Fahrzeug den Fahrweg. Elektromagnete an der Unterseite werden von unten an eine Stahlschiene angezogen und heben den Zug dadurch an. Weil reine Anziehung instabil ist, messen Sensoren den Spalt fortlaufend und passen den Strom an. Der Vorteil: Das Fahrzeug schwebt auch im Stand.

Beim elektrodynamischen Schweben (EDS) trägt das Fahrzeug sehr starke Magnete. Fährt es an Spulen im Fahrweg vorbei, entstehen dort durch Induktion Ströme, deren Magnetfeld den Zug abstößt und anhebt. Das klappt erst ab einer gewissen Geschwindigkeit. Darunter rollt das Fahrzeug auf Rädern.

Merkmal	EMS (z. B. Transrapid)	EDS (z. B. SCMaglev)
Prinzip	Anziehung, aktiv geregelt	Abstoßung durch induzierte Ströme
Luftspalt	rund 10 mm	rund 100 mm
Schweben im Stand	ja	nein, bei niedrigem Tempo Räder
Magnete am Fahrzeug	konventionelle Elektromagnete	supraleitende Magnete

Moderne Magnetschwebebahn auf einem aufgeständerten Betonfahrweg bei Tageslicht

Transrapid und Shanghai: deutsche Technik in China

Der Transrapid ist das bekannteste EMS-System. Die Planungen begannen in Deutschland Ende der 1960er Jahre, 1983 ging im Emsland eine Versuchsanlage in Betrieb. Der Luftspalt zwischen Fahrzeug und Schiene wird nahezu konstant bei etwa 10 Millimetern gehalten und bis zu 100.000 Mal pro Sekunde überwacht. Eine oft zitierte Besonderheit: Für das Schweben selbst braucht das Fahrzeug weniger Energie als für seine Klimaanlage.

Die einzige kommerzielle Transrapid-Strecke der Welt liegt in Shanghai. Sie verbindet die Station Longyang Road mit dem Flughafen Pudong auf rund 30 Kilometern. Der reguläre Betrieb startete Anfang 2004, und die Fahrt dauert gut acht Minuten. Lange fuhr die Bahn planmäßig mit bis zu 431 km/h, seit 2021 ist sie auf 300 km/h begrenzt. Bei einer Testfahrt im November 2003 erreichte sie 501 km/h.

In Deutschland kam der Transrapid nie in den Linienbetrieb. 2006 prallte auf der Versuchsstrecke bei Lathen ein Zug auf ein Wartungsfahrzeug, 23 Menschen starben. Als Ursache gilt menschliches Versagen im Betriebsablauf, nicht die Schwebetechnik selbst. 2008 wurde die geplante Flughafenanbindung in München wegen steigender Kosten gestoppt, 2011 schloss die Versuchsanlage im Emsland.

SCMaglev: Japans Rekordzug

Japan setzt mit dem SCMaglev auf das EDS-Prinzip. Die Entwicklung reicht bis in die 1960er Jahre zurück, 1972 gelang eine erste erfolgreiche Testfahrt. In den Drehgestellen sitzen supraleitende Magnete, in den Seitenwänden des Fahrwegs liegen Spulen in Form einer Acht. Ab etwa 150 km/h fließt genug Strom, um den Zug rund zehn Zentimeter anzuheben. Langsamer rollt er auf Gummirädern.

Am 21. April 2015 erreichte ein Zug der Baureihe L0 auf der Teststrecke in Yamanashi 603 km/h. Das ist bis heute der Weltrekord für bemannte Schienenfahrzeuge. Im Alltag soll die Technik auf der Chuo-Shinkansen fahren, die Tokio mit Nagoya und später mit Osaka verbinden wird. Die Strecke ist im Bau, doch die Eröffnung hat sich verschoben: Statt 2027 wird inzwischen mit 2034 oder später gerechnet. Solche Termine ändern sich immer wieder, prüfe also bei Interesse den aktuellen Stand.

Japanischer SCMaglev-Zug mit langer, spitzer Nase auf einer Teststrecke mit Betonwänden

Magnetlager: Schwebetechnik, die du nicht siehst

Viel häufiger als Züge schweben rotierende Wellen. Ein Magnetlager hält eine Welle berührungslos in Position, sodass praktisch keine Reibung und kein Verschleiß entstehen. Du siehst diese Technik fast nie, weil sie tief im Inneren von Maschinen arbeitet.

In der Praxis dominieren aktive Magnetlager: Elektromagnete und eine elektronische Regelung halten die Welle exakt in der Mitte. Passive Lager aus Dauermagneten kommen ohne Strom aus, stoßen wegen des Earnshaw-Theorems aber schnell an Grenzen und werden deshalb meist mit anderen Lagerarten kombiniert. Typische Einsatzorte sind:

Turbomolekularpumpen, etwa in der Halbleiterfertigung
ölfreie Gaskompressoren, die ohne Schmierölvorrat auskommen
Schwungradspeicher für elektrische Energie
bestimmte Herzunterstützungspumpen in der Medizintechnik

Die Vorteile sind sehr hohe Drehzahlen, Betrieb im Vakuum und der Verzicht auf Schmiermittel. Dafür sind Magnetlager teuer und vergleichsweise groß. Weil die Welle bei einem Strom- oder Regelausfall absacken würde, haben sie in der Regel mechanische Fanglager als Absicherung.

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Schwebe-Spielzeug und Experimente für zu Hause

Auch auf dem Schreibtisch kannst du Schweben erleben. Jedes dieser Spielzeuge nutzt eines der oben genannten Schlupflöcher.

Schwebende Globen, Lampen und Pflanztöpfe: Im Sockel steckt ein Elektromagnet mit Sensor. Kommt das Objekt zu nah, wird die Kraft verringert, sinkt es ab, wird sie erhöht. Ohne Strom fällt es herunter, eine weiche Unterlage ist also keine schlechte Idee.
Levitron-Kreisel: Ein magnetischer Kreisel schwebt über einem ringförmigen Magnetfeld, solange er schnell genug rotiert. Wird er langsamer, kippt er ab.
Schwebender Graphit: Ein dünnes Plättchen pyrolytischer Graphit schwebt ganz ohne Strom über einer Anordnung starker Neodym-Magnete, weil Graphit diamagnetisch ist.
Supraleiter-Demo: Ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Supraleiter schwebt über einem Magneten. Das ist ein Klassiker im Physikunterricht, gehört aber wegen der extremen Kälte in fachkundige Hände.

Dass sogar Wasser und Lebewesen schwach diamagnetisch sind, zeigte ein berühmtes Laborexperiment: Forscher ließen einen lebenden Frosch schweben. Dafür brauchte es allerdings ein Feld von rund 16 Tesla, weit jenseits jedes Magneten, den du zu Hause hast.

Sicherheit: Starke Magnete gehören nicht in Kinderhände, denn verschluckte Magnete können schwere innere Verletzungen verursachen. Halte Abstand zu Herzschrittmachern und anderen Implantaten, und beachte immer die Hinweise des Herstellers.

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Schwebender Globus über einem schwarzen Sockel auf einem hellen Holzschreibtisch

Häufige Fragen

Warum kann ein Magnet nicht einfach über einem anderen schweben?

Statische Magnetfelder bilden keine stabile Mulde. Laut Earnshaw-Theorem bleibt mindestens eine Richtung instabil, und ohne Regelung, Rotation, Diamagnetismus oder Führung kippt der Magnet weg.

Wie schnell fährt die schnellste Magnetschwebebahn?

Den Rekord hält der japanische SCMaglev mit 603 km/h aus dem Jahr 2015. Im regulären Betrieb fährt die Bahn in Shanghai, derzeit mit bis zu 300 km/h.

Schwebt ein Magnetschwebezug auch im Stand?

Das hängt vom System ab. Der Transrapid schwebt dank geregelter Elektromagnete auch im Stillstand. Der SCMaglev hebt erst ab etwa 150 km/h ab und rollt vorher auf Rädern.

Braucht ein schwebender Globus dauerhaft Strom?

Ja. Die Elektronik im Sockel regelt ohne Pause nach. Fällt der Strom aus, fällt auch der Globus.

Quellen:

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