Die Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen (St.E.S.) wurde am 10. Oktober 1899 in Berlin mit dem Ziel gegründet, die Anlage von Schnellbahnen mit elektrischem Betrieb in Deutschland vorzubereiten. Nach vier Jahren gelang es im Oktober 1903 kurz nacheinander zwei Drehstrom-Schnellbahnwagen der Studiengesellschaft, Geschwindigkeiten von mehr als 200 km/h zu erreichen. Am 28. Oktober 1903 wurde mit 210,2 km/h ein Weltrekord für Landfahrzeuge aufgestellt. Bezogen auf Schienenfahrzeuge konnte diese Geschwindigkeit erst 1931 vom propellergetriebenen Schienenzeppelin und erst 1954 von der französischen Elektrolokomotive CC 7121 übertroffen werden.
Gesellschafter und Unternehmensziele
Gesellschafter waren die führenden Elektrokonzerne Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft und Siemens & Halske, die Banken Delbrück Leo & Co, Deutsche Bank, Nationalbank für Deutschland und Jacob S.H. Stern sowie die Maschinenbauunternehmen von August Borsig, Philipp Holzmann & Co., Friedrich Krupp und Van der Zypen & Charlier. Die Deutsche Bank führte das Konsortium mit zwanzig Prozent Anteil an; es folgten AEG, Krupp und Siemens mit jeweils rund dreizehn Prozent. Das Unternehmen wurde als Gesellschaft mit beschränkter Haftung mit einem Kapital von zunächst 750.000 Mark gegründet. Geschäftsführer wurde Regierungsbaumeister a. D. Paul Denninghoff, der gemeinsam mit dem Geheimen Baurat Moritz Lochner auch die Versuchsfahrten leitete. Aufsichtsratsvorsitzender wurde der Präsident des Reichseisenbahnamtes Friedrich Schulz, Stellvertreter Georg von Siemens, Direktor der Deutschen Bank.
Unternehmensziel war nicht die Gewinnerzielung, sondern die Erforschung der Grundlagen des elektrischen Schnellverkehrs. Um 1900 fuhren bereits in vielen Städten mit Gleichstrom betriebene Straßenbahnen. Beim Gleichstrombetrieb sind aber hohe Verlustraten über größere Leitungslängen zu berücksichtigen. Es fehlten Erfahrungen über die Eignung von Einphasen-Wechselstrom oder gar Dreiphasen-Wechselstrom (Drehstrom) für den schnellen Eisenbahnverkehr über längere Strecken. Die Versuche sollten auch klären, ob eine Oberleitung für die Stromzuführung auch bei hoher Geschwindigkeit geeignet sei anstelle einer Stromschiene, wie sie bei den ersten elektrischen Bahnen oft verwendet wurde.
Siemens hatte bereits 1899 die 1,8 km lange Drehstrom-Versuchsstrecke Groß-Lichterfelde–Zehlendorf mit einer dreipoligen Fahrleitung eingerichtet und bei Versuchsfahrten mit langsamen Fahrzeugen erste Erfahrungen sammeln können.
Für die geplanten Testfahrten wurde ein 23 km langes geradliniges Teilstück der Militär-Eisenbahn Marienfelde–Zossen–Jüterbog zwischen Marienfelde (km 7,5) und Zossen (km 30,5) ausgesucht. Nach der Genehmigung durch den preußischen Kriegsminister von Goßler wurde die Strecke 1901 durch das Eisenbahnregiment hergerichtet.
Die Militärbahnstrecke war ursprünglich nur für max. 80 km/h zugelassen. Der Gleisoberbau musste deshalb vor Beginn der Versuchsfahrten überarbeitet werden. Dazu wurde ein Teil der aus den Anfangsjahren stammenden 6,6 m und 9 m langen alten Schienen durch neue Schienen (Metergewicht 33,4 kg/m, preuß. Form 6) ersetzt. Im Bereich Mahlow und Zossen wurden 9 m lange Schienen eingebaut, im Mittelabschnitt der Teststrecke kamen die längeren 12 m-Schienen zum Einsatz. Zusätzlich wurden die alten Stahlschwellen gegen neue längere Holzschwellen ausgetauscht. Auf den Bahnhöfen Mahlow und Rangsdorf wurden je zwei neue Federherzstücke in die Weichen eingebaut, um die Stationen mit höheren Geschwindigkeiten durchfahren zu können. Als Bettungsmaterial wurden aber weiterhin Kies und Sand verwendet.
Am südlichen Ende des Militärbahnhofes Marienfelde wurde auf angepachtetem Land ein zweigleisiger hölzerner Wagenschuppen zum Unterstellen der Schnellbahnwagen errichtet und direkt an das Streckengleis der Militärbahn in Richtung Zossen angeschlossen. Der Bauantrag für den Schuppen wurde im Mai 1901 gestellt. Er hatte eine Länge von 38 m und eine Breite von 15 m. Die Nutzlänge der beiden mit der Drehstrom-Fahrleitung versehenen Gleise vor dem Schuppen betrug rund 50 m.
Im September 1901 erfolgten die ersten Schleppfahrten der neuen Schnellbahnwagen mit vorgespannten Dampflokomotiven. Die Abnahme der elektrischen Anlage fand am 14. Oktober 1901 statt.
Bei den Versuchsfahrten zwischen September und November 1901 konnten Geschwindigkeiten bis 160 km/h erreicht werden. Eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit musste jedoch unterbleiben, weil die Schnellbahnwagen in zu starke Schwingungen gerieten und die Gleisanlage sich als zu instabil erwies. Es zeigte sich die Notwendigkeit, den Oberbau noch weiter zu verstärken, um höhere Geschwindigkeiten sicher erreichen zu können.
Im Folgejahr wurde zwischen den Beteiligten über die Ertüchtigung der Gleisanlage verhandelt. Es wurde vereinbart, dass das neue Oberbaumaterial vom preußischen Minister der öffentlichen Arbeiten von Budde gemäß einem Vertrag vom April 1903 zunächst leihweise zur Verfügung gestellt wird und anschließend wieder ausgebaut werden sollte. Im Sommer 1903 bauten Soldaten des Eisenbahnregimentes die Versuchsstrecke innerhalb von rund 15 Wochen erneut in den nächtlichen Betriebspausen um, dies entsprach einer Umbauleistung von rund 250 m pro Nacht. Die bisherige Kies-Sand-Bettung wurde durch 20.000 m³ Basaltschlag (Schotter aus dem Steinbruch Sproitz/Niederschlesien) ersetzt. Auf der vollen Länge von 23 km wurden nun schwerere 12 m-Fahrschienen (41,38 kg/m, preuß. Form 8) eingebaut. Zusätzlich wurden Leitschienen als Schutzmaßnahme gegen Entgleisungen montiert. Die Schienen wurden auf 34.800 neuen Holzschwellen mit eisernen Hakenplatten montiert. Auf eine Schienenlänge von 12 m wurden 18 Schwellen verteilt (mittlerer Schwellenabstand 0,66 m).
Pierson hob hervor, „dass die Versuchsstrecke Marienfelde–Zossen den bestgepflegten Oberbau der Welt besaß“. Im Abschnitt zwischen km 10,5 und km 27,5 kamen zusätzlich Leitschienen hinzu, die im Ernstfall die Schnellbahnwagen führen sollten, aber letztendlich nicht benötigt wurden. Karl-Ernst Maedel zitiert in seiner Erzählung Marksteine über die Drehstrom-Versuchsfahrten und die Oberbauerneuerung von 1903 einen Oberingenieur Horn mit den Worten: „… daß nach diesen Maßnahmen die Gangruhe der Fahrzeuge ganz außerordentlich gewonnen habe, und daß selbst bei größter Geschwindigkeit der Wasserspiegel eines Glases, das am Fensterbrett aufgestellt war, sich kaum bewegte.“
Tatsächlich begannen aber auch die anderen Länderbahnen um 1900 herum mit der Umstellung auf Steinschlagbettung und den Einbau schwerer Schienen mit Metergewichten von 41,38 kg/m (Preußen) oder 43,5 kg/m (u. a. Baden, Bayern und Württemberg), um den Wartungsaufwand auf den stark belasteten Strecken zu reduzieren.
Fahrleitung und Einspeisungsleitung
Die elektrische Fahrleitung wurde von Siemens gebaut und verlief statt mittig über dem Gleis seitlich versetzt mit 1,45 Meter Abstand zur Gleismitte. Die drei Fahrleitungsdrähte waren übereinander in Höhen von 5,50, 6,50 und 7,50 Meter über der Schienenoberkante angeordnet. Für die Fahrleitungen wurde Kupferdraht mit einem Querschnitt von je 100 mm² verwendet. Der Abstand der hölzernen Oberleitungsmasten betrug 35 m. Die Fahrleitung war in Abschnitte von je 1000 m aufgeteilt, diese Länge ergab sich aus den damaligen Fertigungs- und Abspannmöglichkeiten. Zunächst verloren die Stromabnehmer an den Übergängen konstruktionsbedingt kurzzeitig den Kontakt. Später wurden die Übergangsstellen so umgestaltet, dass ein ständiger Kontakt der Stromabnehmer zur Fahrleitung erreicht wurde.
Die Stromversorgung erfolgte vom Kraftwerk Oberspree in Oberschöneweide, das 1897 als erstes Drehstromkraftwerk Deutschlands in Betrieb genommen wurde. Die 12,5 km lange Versorgungsleitung wurde von der AEG vom Kraftwerk über Johannisthal und Buckow nach Marienfelde errichtet. Dabei kamen sowohl Freileitungen mit einem Querschnitt von 4 × 70 mm² als auch Erdkabel mit einem Querschnitt von 4 × 50 mm² (insbesondere im Bereich Schöneweide) zum Einsatz. Die aus Rundholz erstellten Freileitungsmasten besaßen eine Höhe von rund 8,00 m, der Abstand der vier Isolatoren betrug im Mittel 45 cm.