Tehnika: Temna ulica svetlih skrivnosti

Ne le žarometi, tudi vsa ostala svetlobna telesa imajo pri razvoju vse pametnejših avtomobilov izjemno pomembno nalogo. Če je bila nekoč primarna naloga osvetlitve avtomobila predvsem varnost, danes svetloba postaja tudi vse bolj pomemben oblikovni in komunikacijski element sodobnih avtomobilov. Zato smo se odpravili na sever Nemčije v mestece Lippstadt, kjer imajo 140 metrov dolgo temno ulico, v kateri svetijo daleč v prihodnost. Hellin svetlobni kanal je v razvoju pametnih žarometov tako pomemben kot vetrovnik pri snovanju aerodinamičnih karoserij.

Hella sodi med tri največje svetovne dobavitelje svetlobnih sistemov za avtomobilsko industrijo in je številka ena na trgu najnaprednejših digitalnih LED svetlobnih virov, krmiljenih z napredno programsko opremo. Hella je tudi eden glavnih produkcijskih stebrov globalnega koncerna Forvia, ki kot sedmi največji razvojni dobavitelj na svetu sodeluje z več kot 80 avtomobilskimi znamkami, ima registriranih več kot 14.000 patentnih rešitev in po vsem svetu zaposluje več kot 150.000 ljudi, med katerimi je kar 35.000 inženirjev. V tem v velikanu ima Hella ključno vlogo predvsem na področju osvetlitve, saj razvija žaromete, smernike, zadnje luči in svetlobna telesa notranje osvetlitve ter vse prodornejše osvetljene karoserijske dele, ki predstavljajo svetlobno oblikovanje. Na tem področju zaposlujejo 18.320 delavcev na 26 lokacijah, tudi v Sloveniji na Letališki cesti v Ljubljani. 

Hella ima več kot 120 let tradicije. Kako se je začelo?

Pred več kot 120 leti, ko so prve kočije konjsko vprego zamenjale za motor z notranjim izgorevanja, je hitro postalo jasno, da novi čudežni stroj, ki pije bencin, nima čutil konja - vonja, sluha, orientacije in vida - , človeški voznik pa nima mačjih oči, da bi varno vozil v trdi temi. Nekaj je bilo potrebno ukreniti, saj je bilo potrebno pot za varno vožnjo avtomobila bilo potrebno  razsvetliti močneje in dlje, kot so svetili svečniki ali pa petrolejke na kočijah. Da avto kot tehnični čudež tistega časa predstavlja velik potencial, je že junija leta 1899 uvidel gospod Sally Windmüller in v Lippstadtu ustanovil podjetje "Westfälische Metall-Industrie Aktien-Gesellschaft" oziroma WMI. V tovarni so se posvetili izdelavi svetilk, žarometov, hup in pribora za kolesa, kočije in avtomobile. Desetletje kasneje pa se serijsko izdelavo acetilenski žarometov, pa se v podjetju prvič pojavi ime Hella, kot zaščitena blagovna znamka prej omenjenega žarometa, ki naj bi ime dobil pa vzdevku žene podjetnega vizionarja Windmüllerja. 

Izjemno pomemben in zahteven posel za slovensko tovarno

Podjetje Hella Saturnus v Ljubljani je eden od enajstih razvojnih centrov podjetja, ki so sicer razporejeni po vsem svetu. Še bolj pa veseli dejstvo, da so v nemški centrali tega visokotehnološkega giganta zelo zadovoljni z razvojem in rešitvami, ki jih v Ljubljani zagotavljajo slovenski inženirji. To so nam potrdili z zelo dobro novico, da je Hella Saturnus dobila tehnološko izjemno pomemben in inovativen posel; za dva nemška izdelovalca avtomobilov visokega razreda je namreč razvila prednjo masko z velikimi digitalno krmiljenimi svetlobnimi paneli, ki omogočajo prepustnost za radarske valove varnostnih sistemov. Površine pred radarskim tipalom so ogrevane, da tudi v zimskih razmerah sistem deluje brez težav. Serijska izdelava teh digitalnih karoserijskih panelov za novo generacijo električnih avtomobilov se bo v Ljubljani začela leta 2025.

Evolucija je postala svetlobna revolucija 

Skozi zelo zanimiv visokotehnološki dan s celovitim vpogled v kompleksen razvoj sodobnih pametnih žarometov in energetskih izzivov sta nas popeljala dr. Karsten Eichhorn, vodja oddelka za fotometrijo in homologacije ter dr. Daniel Brüggemann, vodja razvoja svetlobne tehnike. Samo predstavljajte si, kako zahtevna naloga je digitalni žaromet visoke ločljivosti prilagoditi dvema ključnima izzivoma sodobnega časa: energetskim zahtevam, ko je treba iz enega watta moči dobiti kar največ lumnov svetlobnega toka in prostorskim omejitvam, ko je treba iz vse tanjših žarometov z manjšimi površinami leč dobiti perfekten in popolnoma prilagodljiv svetlobni pramen. Hkrati morajo takšne luči izpolnjevati še zmogljivostna pričakovanja, oblikovne zahteve avtomobilskega izdelovalca in vsa zakonska določila oziroma stroge homologacijske predpise za uporabo v cestnem prometu. Prav neverjetno je, koliko znanja, truda, konstrukcijskih podvigov, termičnih simulacij in energetskih zahtev je treba uskladiti, da iz vsega dva ali tri prste visokega žarometa pride sij, ki se je sposoben prilagajati prometu, vremenu in okolici. Če je nekoč razvoj žarometov veljal za tehnološko evolucijo, danes lahko govorimo o tehnološki revoluciji. Ne gre več samo za razsvetljevanje ceste pred vozilom, ampak tudi za svetlobno komunikacijo, ki začenja novo dobo uporabe avtomobilskih žarometov.  

Pol stoletja osupljivih razlik svetlobnih virov: danes še enkrat več svetlobe iz enega watta moči!


Foto in video: Svetlobni kanal - osupljiv prikaz zmogljivosti avtomobilskih oči

Hellin svetlobni kanal je dolg 140 m, popolnoma temen, s črnimi stenami ter stropom obdan prostor brez vsakršnih odsevov. Vanj je položena cestna površina z dvema pasovoma, ki imata na vsakih 20 metrov postavljen stebriček za oznako razdalje. Na začetku te ceste je nameščen velik vrtljiv boben, na katerega lahko namestijo različne svetlobne vire in prototipne ali serijske žaromete. Ta boben je mogoče natančno nastavljati po višini, da lahko simulira svetilnost nizkega športnega avtomobila, višjega cestnega terenca ali dostavnika oziroma tovornjaka. Takrat uporabijo tudi platformo, ki inženirje dvigne na višino, s katere na cesto gleda voznik tovornjaka. Vrtljivi boben lahko pomikajo tudi levo in desno, da žaromete natančno testirajo tudi za avtomobilske trge, kjer vozijo po levi. Med opremo so tudi izredno zmogljivi kinematografski digitalni projektorji visoke ločljivosti, v katere vnesejo računalniške simulacije v zgodnji fazi razvoja žarometov in drugih svetlobnih teles, še preden je narejen prvi fizični prototip žarometa. Z njimi skrajšajo proces razvoja in prihranijo material pri izdelavi prototipov. Ti kirurško natančni projektorji zmorejo 30.000 lumnov svetlobnega toka, njihova moč pa zanaša 4000 wattov.

V tej temni ulici je preskušanje prototipnih žarometov izredno natančno, saj se lepo vidi homogenost svetlobnih pramenov, natančnost svetlobnih meja in učinkovitost senčenja v različnih prometnih scenarijih. Večina avtomobilskih izdelovalcev v tem svetlobnem kanalu tudi prvič doživi trenutek, ko digitalni rezultati simulacij prvič zasijejo v temi oziroma ko se prototipni žarometi prvič zazrejo v temo. Mi smo najprej doživeli svetlobni sprehod skozi zgodovino, v katerem smo videli, kako zelo velika je razlika v varnosti in udobju nočne vožnje danes v primerjavi z vožnjo nekoč. Že razlika med dolgim pramenom halogenskega in ksenonskega žarometa je osupljiva. Ko pa je svetlobni kanal razsvetlil najnovejši SSL/HD modul digitalnega žarometa visoke ločljivosti s 16.000 svetlobnimi pikami oziroma  piksli, ki jih je mogoče natančno krmiliti glede na dogajanje pred avtomobilom, opazovalec doživi pravo razsvetljenje. Natančnost distribucije svetlobe je izjemna, saj je žaromet zmožen zatemniti le obraz pešca, ki gre čez cesto ali hodi ob cesti. To pomeni, da dolgi pramen vozniku še vedno ponuja odlično razsvetljeno cesto in njeno neposredno okolico, ob tem pa ne zaslepi pešca, kolesarja, motorista … Zelo zanimiva je bila tudi razlika med distribucijo svetlobe pri enakem svetlobnem viru z različnimi optičnimi rešitvami ter vpogled v razliko med sistemom mehanskega usmerjanja svetlobe in natančnim prilagajanjem svetlobnih pramenov v najnovejših digitalnih matričnih oziroma projekcijskih LED žarometih.

Že letos bodo pametni žarometi na cesto projicirali simbole

Najbolj ekskluziven del predstavitev v svetlobnem kanalu je bil pogled v prihodnost. Z nami je bil tudi slovenski inženir, fizik Marko Belšak, ki je v Lippstadtu v razvojnem oddelku matične tovarne delal leto dni, sedaj pa je vodja razvoja optike v ljubljanski Helli Saturnus. Marko se je s svojimi nekdanjimi sodelavci oziroma mentorji dogovoril, da smo tako v svetlobnem kanalu kot tudi zvečer na cesti v športnem avtomobilu znanega izdelovalca s prototipnimi žarometi in računalniško postajo v kabini lahko ekskluzivno videli prve homologirane oziroma odobrene svetlobne simbole, ki jih bodo še letos lahko na cesto v prometu projicirali digitalni LED žarometi visoke ločljivosti. Med prvimi uradno dovoljenimi simboli svetlobne komunikacije v prometu so: opozorilo, da nasproti prihaja vozilo, ki vozi v napačno smer, opozorilo za poledenelo cesto oziroma nevarnost zdrsa in opozorilo pred naletom ob prekratki varnostni razdalji ali približevanju stoječi koloni. Projekcija svetlobnega označevanje meja voznih pasov, smeri vožnje in površine, ki jo avtomobil potrebuje za varno vožnjo ob zožanjih pa je še v fazi preverjanja in potrjevanja na različnih trgih. Največ pomislekov imajo trenutno japonski regulatorni organi. Smo pa to funkcijo preverili v vožnji s prototipnimi žarometi in lahko povemo, da smo na podeželskih cestah spoznali kar nekaj prednosti tega svetlobnega sistema za nadzor ohranjanja smeri. 
Še en dokaz, da bodo avtomobilske oči tudi v prihodnosti eden najpomembnejših elementov varne in udobne nočne vožnje, svetloba pa pomemben jezik komunikacije med avtomobili in okolico. 

Kako poteka razvoj sodobnega žarometa?

Razvoj sodobnega avtomobilskega žarometa zahteva od leta in pol do treh let časa. Vse se začne z ključnimi podatki in željami znamke oziroma naročnika, ki predstavi tudi prostorske zahteve in mere za vdevalo v karoserijo. Nato sledi analiza in priprava ponudbe glede na osnove optične površine in svetlobne zmogljivosti. Ohišje žarometa in zunanja leča določata merske gabarite žarometa. Elektronika s svetlobnim virom in optični sistem - projekcijski ali reflektorski - pa skupaj z dekorativnimi elementi, ki zastirajo pogled v strojno opremo žarometa in elementi termičnega nadzora žarometa (hladilne reže) pa so sestavni deli notranjosti oziroma tehnološka vsebina žarometa. Razvoj ne gre brez izdelave prototipov, ki so drag, a nujen postopek razvoja, na podlagi katerih avtomobilski izdelovalec potrdi izdelek ali pa zahteva spremembe. Prototipne žaromete čisto novih modelov poleg preizkušanja v svetlobnem kanalu preizkušajo tudi na posebnih nosilcih v odprtem prometu. Pri razvoju svetlobnih si inženirji pomagajo tudi z napredno programsko opremo in številnimi optičnimi napravami med katerimi so tudi posebne kamera za zajem in obdelavo svetlobnih podatkov.

Zahtevne meritve pred začetkom serijske izdelave!

Če ne vidiš težko verjameš, koliko in kako zahtevnih meritev mora prestati nov avtomobilski žaromet, predenj dobi vse certifikate in homologacijo, da je lahko vgrajen v serijski avtomobil. Še pred prvo vgradnjo v karoserijo žaromet vpnejo na goniometer. To je od 1,2 do 1,6 tone težka naprava za izredno natančno merjenje svetilnosti. V merilnih laboratorijih Helle smo nato videli, kako natančen je proces meritev na 25-metrski razdalji od goniometra, ki spreminja kot žarometa, do fotocelice oziroma fotodiode. Ta svetilnost pretvarja v napetost in tako odčituje rezultate meritve. Razdaljo 25 metrov pa določajo predpisi za merjenje svetilnosti dolgega in kratkega pramena ter natančnosti senčenja in osvetljevanja pri matričnih žarometih. Za ostale signalne funkcije luči oziroma svetlobnih teles kot so dnevne luči in parkirne luči, smerniki … pa predpisana razdalja meritev znaša 3,16 metra. 
Za lažjo predstavo velja omeniti, da je najnovejši Porschejev digitalni žaromet s 16.000 svetlobnimi pikami na goniometru bil vpet teden dni. Izmerili pa so več kot 35 različnih parametrov. Samo z ustreznimi rezultati teh meritev žaromet dobi zeleno luč za serijsko izdelavo. Kontrolni homologacijski nadzor pa lahko kadarkoli pride v tovarno in iz serijske izdelave izbere model žarometa in ga ponovno izmeri na goniometru ter preveri, če se rezultati meritev ujemajo z referenčnimi meritvami ob zagonu izdelave serije.

Na milijone kodnih vrstic programa Helios

Zahtevna obdelava številnih podatkov pa virtulane simulacije optike, odbojev in svetlobnih virov seveda zahtevajo zelo različne programe za načrtovanje, modeliranje in validacijo. Izkušeni Hellini programski strokovnjak Dr. Gerrit Auer, razvijalec programske opreme s svojo ekipo bdi nad krovno programsko opremo Helios. Sistemski programski inženirji Helios torej vseskozi razvijajo in dopolnjujejo, da je program kompatibilen z ostalo programsko opremo, ki je vpeta v delovni proces. Poleg tega ta programska oprema izvaja simulacije različnih predlogov in na koncu tudi analizira vse rezultate.