Sensoren im Fußball Das Runde, das ins Eckige muss, ist ziemlich Hightech

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Die technologische Entwicklung macht auch vor dem Lieblingssport vieler Deutschen keinen Halt. Nehmen Sie einfach nur den Ball: Mehr als 100 internationale Patente drehen sich um das „Runde“. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat eine spannende Übersicht für Technik- und Fußball-Begeisterte.

Sportliche Wettbewerbe an sich, ganz gleich, ob sie nationaler oder internationaler Natur sind, bedeuten Emotionen pur. Wenn ein Tor fällt, wenn ein Korb geworfen wird, das Ziel erreicht, das Hindernis überwunden wird, gibt es oft kein Halten mehr. Die Gefühle platzen aus den Menschen raus, wie ein Feuerwerk, das im ersten Moment unbändig erscheint. Und dann kommt vielleicht das Drama. Der Videobeweis beweist, dass das Runde nicht im Eckigen war und der persönliche Favorit beim Zieleinlauf doch nicht der schnellste war.

Verlässt man sich auf dem Bolzplatz noch auf die gute alte Sehkraft, kommt in den Fußballstadien vieler Länder höchst empfindliche Technologie zum Einsatz, wenn man sich nicht mehr darauf verlassen will, was ein Schieds- oder Linienrichter gesehen hat. Und so richtet sich das Augenmerk der Fußballbegeisterten der EM 2024 in Deutschland oder zu den Olympischen Spielen 2024 in Paris nicht nur auf die Hauptakteure des Geschehens, auf die Sportler und Sportlerinnen, sondern auch auf die Technik, die Um-Haaresbreiten-Entscheidungen erst ermöglichen. Eine Maschine mit Starpotenzial auf dem Grün ist, das ist manchen vielleicht gar nicht bewusst, der Fußball. 

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Hätten Sie gedacht, wie kompliziert es ist, einen Sensor in einen Fußball einzubauen?

Passend zur Fußball-Europameisterschaft 2024 haben die Leute des Deutschen Patent- und Markenamts (DPMA) mal in ihren Archiven gekramt, um Patente und technologische Fortschritte rund um den Fußball zu dokumentieren. Herausgekommen ist dabei eine aufgrund ihres Umfangs fast schon unübersichtliche Sammlung von Patenten, die sich bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts rund um das Runde drehen. Ein Ball ist, das verdeutlicht diese Zusammenstellung des DPMA, nicht so simpel, wie man meinen mag.

Interessant ist dabei vordergründig für Technikenthusiasten der Aufbau des Ballinneren. Seit 2012 erlaubt die FIFA den Einsatz von Torlinienkameras und einem Chip im Ball. Und um diese Chips geht es hier exemplarisch. 

Störfaktor Chip

Bekannt ist, dass ein aus synthetischem Leder bestehender Fußball für den Einsatz bei einem offiziellen Turnier bestimmte Standards erfüllen muss. Das Runde muss einen Umfang von mindestens 68 und maximal 70 Zentimetern haben. Zu Beginn des Spiels darf das Gewicht des Spielballs zwischen 410 und 450 Gramm liegen und der Ball muss mit einem Druck von 0,6 bis 1,1 Atmosphären (600 bis 1100 g/cm²) aufgepumpt sein. Unter normalen Spielbedingungen muss der Ball außerdem in der Lage sein, seine Kugelform, sein Gewicht und seine Größe zu behalten. Angesichts der Kräfte, die auf den Ball einwirken, ist das schon keine so triviale Geschichte.

Alles, was zusätzlich dazu kommt, etwa ein Chip, könnte einen Störfaktor darstellen. Immerhin aber leben wir in einer Zeit, in der die Bauteilminiaturisierung immer weiter forciert wird, also sollte das zusätzliche Gewichtchen eines Sensors kaum noch eine Rolle spielen. Aber wie bleibt der Sensor in der Mitte des Balls, um Daten etwa für Torlinienentscheidungen liefern zu können?

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Das Eckige muss ins Runde

Natürlich bleibt alles beim Alten, das Runde, der Ball, muss ins Eckige, das Tor. Aber der Chip, das Eckige in diesem Fall, muss auch ins Runde. Das kann über einen von zwei Ansätzen geschehen. Eine elastische, aber ortsstabile Aufhängung mittels zwei Fixpunkten im Ball sorgt dafür, dass der Sensor dort bleibt, wo er hingehört. Eine solche Lösung wurde dem Patentamt bereits im Jahr 1952 vorgelegt und ist recht logisch wie simpel: Sie sieht eine aus elastischen Bändern in Tetraederform gestaltete Konstruktion vor (patentiert unter DE-PS 829 109).

Oder aber der Hersteller entscheidet sich für einen vollständigen zentralen Einschluss der Bauteile in einen Schutzwerkstoff. Unter FR 2 667 510 A1 wurde im Jahr 1990 der Ansatz patentiert, den Sensor in einer Fußballblase aus Voll-Schaumgummi in einer für ihn ausreichenden Aussparung zu platzieren. Falls sie nicht mit dem Stollenschuh am Fuß groß geworden sind: Eine Fußballblase, auch als Blase oder Ballblase bezeichnet, ist ein wichtiger Bestandteil des Fußballs. Sie ist die innere Kammer des Balls, die aufgepumpt wird, um den Ball in Form zu halten und ihm seine Sprungkraft zu verleihen.

Eine Abwandlung dieses Konzepts wurde 2003 unter DE 10 2004 045 176 A1 patentiert. „Der in der DE 10 2004 045 176 A1 beanspruchte Fußball weist u. a. eine von Verstärkungsflächen durchzogene Blase und einen dadurch baulich im Zentrum des Balles positionierten Sender auf (Figur 16). Diese Konstruktion dämpft die beim Spiel auftretenden mechanischen Belastungen und Verformungen, aber auch die Beschleunigungen des Senders innerhalb des Balles. Da der Sender aufgrund seiner speziellen Fixierung z. B. bei einem Pressschlag nicht mehr frei schwingen kann, wird auch bei extremen Spielsituationen eine genauere Lokalisierung des Zentrums des Balls ermöglicht. Dies ist z. B. dann wichtig, wenn entschieden werden soll, ob der Ball zum größeren Teil die Torlinie überschritten hat“, so das DPMA.

Echtzeitübertragung oder Fahrtenschreiber?

Nachdem die Positionierung des Sensors im Ball geklärt und gesichert ist, stellt sich die Frage, was der Sensor denn eigentlich machen soll. Meist handelt es sich bei dem Sensor um einen, der per Funk mit anderen Komponenten des Messfeldes kommuniziert und nicht entfernt werden muss. Vor 15 Jahren sah das noch anders aus. Teilweise wurden Sensoren verwendet, die wie ein Fahrtenschreiber alle Daten aufzeichneten. Zur Analyse musste der Sensor dann aus dem Ball entfernt werden.

Mittlerweile wird die Position des Balls auf dem Spielfeld in Echtzeit verfolgt, wofür der Chip stetig mit einem Messsystem Daten austauscht. Überwiegend kommt dabei Funkwellentechnik zum Einsatz. Doch auch die Verfolgung des Balls in einem Magnetfeld scheint interessant, wie die Leute vom DPMA festhalten: „Einen anderen Ansatz bietet die DE 10 2007 015 493 A1 oder die EP 1 852 155 A1. Bei letzterer erzeugen eine Anzahl von Spulen, die im Spielfeld, im Torbereich und/oder an anderen relevanten Orten in Spielfeldnähe angebracht sind, statische Magnetfelder, die entsprechend der Entfernung von ihrer Quelle nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten variieren und sich gegenseitig beeinflussen. Das hierdurch entstehende „Magnetfeldmuster“ enthält eine Rauminformation, die zum Aufbau eines magnetischen Koordinatensystems genutzt werden kann. Ist folglich bekannt, wie das Magnetfeld auf dem gesamten Spielfeld oder speziell im Torraum gestaltet ist, und versieht man einen Fußball mit einem Magnetfeldsensor, der dieses Feld registriert und die Messwerte zur Auswertung weiterfunkt, ist eine genaue Ortsbestimmung möglich.“

Eine optische Verfolgung des Spielballs benötigt wiederum keine verbauten elektronischen Vorteile, sondern ein hochauflösendes, präzises Kamerasystem, das das komplette Spielfeld überwacht. Eine besonders hohe Informationsdichte bieten Systeme in Kombination mit Sensoren wie PMDs und Lidar. Daneben gibt es noch weitere interessante Ansätze zur Ball- und Spielerverfolgung über Sensoren im Ball. Wenn Sie mehr über die Technik im Fußball erfahren wollen, dann sei Ihnen die Sammlung Fußball und Technik des DPMA ans Herz gelegt.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.

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