Batterie mit FlĂĽgeln
Die einen vertrauen auf die Kraft der Sonne, andere auf Wasserstoff, wieder andere auf Strom aus Batterien. Die Vision ist jedoch in allen drei Fällen gleich: leise und energieeffiziente Flugzeuge, weitgehend ohne lokale Emissionen. 2016 sind Forscher diesem Ziel nähergekommen.
- Alexander Stirn
Der Traum vom elektrischen Fliegen, lange Zeit als weltfremde Spielerei abgetan, ist im Jahr 2016 ein Stück realistischer geworden. Kleine Elektroflugzeuge mit zwei oder vier Passagieren sind längst in den Bereich des Machbaren gerückt, doch auch große Passagierflugzeuge scheinen kein Hirngespinst mehr zu sein. Noch müssen Ingenieure allerdings so manches Problem überwinden. Vor allem gilt es, den passenden Energielieferanten zu finden.
Solarzellen werden es höchstwahrscheinlich nicht sein, auch wenn sie für den größten PR-Coup des vergangenen Jahres verantwortlich waren: Ende Juli gelang den beiden Abenteurern Bertrand Piccard und André Borschberg die erste Weltumrundung mit einem Solarflugzeug, der 1,6 Tonnen schweren "Solar Impulse 2". Ohne Zweifel war der Flug eine technische Meisterleistung, ein großes Abenteuer und eine gewaltige Marketingaktion für Sponsoren, für regenerative Energien und für die gute Sache: "Die Zukunft ist sauber, die Zukunft seid ihr, die Zukunft ist jetzt!", verkündete Piccard nach der abschließenden Landung.
Dennoch hat Solar Impulse 2 nüchtern betrachtet vor allem die Schwächen von Solarflugzeugen gezeigt: Trotz 17248 Hochleistungssolarzellen, die auf seinem Rumpf und der 72 Meter langen Tragfläche verteilt waren, erzeugte das Flugzeug lediglich eine Leistung von 66 Kilowatt (etwa 90 PS). Nur durch extremen Leichtbau und die Beschränkung auf einen Passagier konnte es überhaupt abheben – und nur bei idealen Wetterbedingungen.
Die Weltumrundung zog sich dadurch 500 Tage lang hin, verteilt auf 17 Etappen. Insgesamt waren Piccard und Borschberg 558 Stunden in der Luft, bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 76 Kilometern pro Stunde. Ein alltagstaugliches Flugzeug sieht anders aus.
Eher wie "HY4": Der strahlend weiße Flieger, der Ende September vom Stuttgarter Flughafen zu seinem Erstflug abhob, bricht mit den gängigen Konventionen des Flugzeugbaus. Statt eines Rumpfes hat er zwei, jeweils ausgestattet mit einer verglasten Kabine für zwei Passagiere. Statt zwei Propellern besitzt HY4 nur einen, angebracht zwischen den Rümpfen, die durch eine 20 Meter lange Tragfläche miteinander verbunden sind.
Was den Viersitzer wirklich revolutionär macht, ist allerdings sein Antrieb: HY4 fliegt mit Wasserstoff, der von einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Strom verwandelt wird.
Das reicht, um einen Elektromotor mit einer Leistung von 80 Kilowatt in Schwung zu halten und um die 1500 Kilogramm schwere Maschine im Reiseflug auf 165 Kilometer pro Stunde zu beschleunigen. Beim Start und während des Steigflugs müssen allerdings Lithium-Ionen-Batterien nachhelfen, weil die Brennstoffzellen allein den erhöhten Energiebedarf nicht decken können. Je nach Zuladung und Menge des getankten Wasserstoffs sollen dann aber Reichweiten von bis zu 1500 Kilometern möglich sein – mehr als bei vertretbarem Gewicht mit Akkus allein zu erreichen ist. Zudem lässt sich der Wasserstoff am Zielort schnell auffüllen; langwierige Ladezeiten entfallen.
HY4 wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart entworfen und ist nicht das erste Wasserstoffflugzeug der dortigen Ingenieure: Seit Jahren tingelt bereits ihr Einsitzer "Antares" über die Luftfahrtmessen. Für die Zukunft aber schweben DLR-Projektleiter Josef Kallo praxistaugliche Flieger für sechs oder acht Passagiere vor, die mit 300 Kilometer pro Stunde zwischen Regionalflugplätzen pendeln – sei es in Baden-Württemberg oder in China. "Solche Lufttaxis sind in drei bis fünf Jahren technologisch definitiv machbar", sagt er. "Da habe ich keine Bedenken, das wird kommen." Auch bei größeren Brennstoffzellen-Flugzeugen mit bis zu 40 Sitzplätzen seien theoretisch Reichweiten von tausend Kilometern möglich.
Die Elektroflieger kommen (9 Bilder)
(Bild: Zunum Aero)
Während sich Brennstoffzellenautos nach wie vor schwertun, sieht Kallo im Flugverkehr deutlich mehr Chancen für die Wasserstofftechnologie. Anders als auf der Straße müsse kein flächendeckendes Tanknetz aufgebaut werden. Stattdessen reiche es, einige wenige Flughäfen auszustatten, die teilweise ohnehin schon Wasserstofftankstellen hätten. Bei noch größeren Maschinen für noch längere Strecken stoßen Brennstoffzellen allerdings an ihre Leistungsgrenzen. "Bei derart großen Flugzeugen sind Hybridsysteme sicherlich eine interessante Alternative", sagt Kallo. Eine Gasturbine treibt dabei einen Generator an, der Strom für die Elektromotoren erzeugt und überschüssige Energie in Batterien speichert.
Der große Vorteil: Während konventionelle Düsentriebwerke weite Leistungsbereiche abdecken müssen und entsprechend ineffizient arbeiten, können Turbinen zur Stromerzeugung stets im optimalen Drehzahlbereich laufen. Zudem müssen sie nicht unter den Tragflächen hängen, sondern lassen sich aerodynamisch günstig im Rumpf verstecken. Noch allerdings fehlen die passenden Elektromotoren, die ebenso leicht wie leistungsstark sein müssen. Für ein hybrides Regionalflugzeug für 90 oder 100 Passagiere etwa, wie es zum Beispiel vom Flugzeugbauer Airbus angedacht wird, wären beim Start fünf Megawatt nötig.
Die "Extra 330LE" soll den Weg dazu bereiten. Das wendige Kunstflugzeug, das im Juli vom Flugplatz Dinslaken, zwischen Maisfeldern und Pferdekoppeln, seinen Erstflug absolvierte, wird von einem besonders kleinen und leistungsstarken Aggregat angetrieben. "Ein Weltrekord-Elektromotor", wie Frank Anton, Abteilungsleiter eAircraft bei Siemens, stolz erklärt. "Wenn wir solch einen Motor unter hohen Belastungen testen wollen, ist ein Kunstflugzeug genau die richtige Umgebung."
Das kleine Aggregat, bei dem die Siemens-Entwickler mithilfe numerischer Simulationen alle entbehrlichen Teile identifiziert und weggefräst haben, wiegt bei einer Leistung von 260 Kilowatt nur 50 Kilogramm. Anton ist nach eigener Aussage überzeugt, dass sich mit derselben Technik auch drei- oder viermal so starke Motoren bauen ließen, was dann zumindest für Flugzeuge mit bis zu 19 Passagieren ausreichen werde.
Allein mit Akkus, so wie noch die Extra 330LE, werden die aber kaum fliegen können. Im großen Motorraum der Maschine belegt der Motor selbst nur die ersten 15 Zentimeter. Der Rest wird für die Akkus gebraucht, die darüber hinaus auch einen großen Teil der Kabine füllen – und trotzdem kann der Kunstflieger nur 20 Minuten lang in der Luft bleiben. Für Anton zeigt dies deutlich, dass in solchen und höheren Leistungsbereichen nur Hybridsysteme realistisch sind.
Ob noch mehr drin ist und wie künftige Hybridflugzeuge aussehen könnten, das wollen Siemens und Airbus in den kommenden Jahren gemeinsam klären, wie die beiden Unternehmen im April 2016 bekannt gaben. Ideen sollen entwickelt, Demonstratoren gebaut und im Labor getestet werden. Ein dreistelliger Millionenbetrag steht dafür zur Verfügung.
Vor allem gehe es darum, die Machbarkeit verschiedener Elektroansätze in der Luftfahrt zu untersuchen, heißt es bei Airbus, angefangen beim Kleinflugzeug bis hin zum hybriden Regionalflieger. 2020 wollen die beiden Partner dann entscheiden, ob elektrisches Fliegen für sie eine Zukunft hat und wie sie konkret aussehen könnte. (bsc)
