Die Elektroflieger kommen

17.02.2016 06:00 Uhr Karsten Schäfer

Forscher und Start-ups stürzen sich auf die neuen Möglichkeiten, die elektrische Antriebe bieten. Mit Airbus steigt nun auch der erste große Hersteller in die Produktion von Elektroflugzeugen ein.

Der Geölte Blitz (englisch: Greased Lightning) steht auf dem Rasen und erinnert entfernt an eine Drohne. An den Tragflächen hat der GL-10 insgesamt acht Propeller, hinten am Höhenleitwerk noch einmal zwei. Flügel und Höhenleitwerk sind um die Querachse nach oben gedreht, die Rotoren stehen nach oben wie bei einem Hubschrauber. Mit einem leisen Surren fangen die zehn Elektromotoren an zu drehen. Kurz darauf hebt das ferngesteuerte Versuchsflugzeug ab und lässt Fort A.P. Hill, ein Trainingscenter der US Army in Virginia, unter sich.

Jetzt schwenkt der GL-10 langsam Tragflügel und Höhenflosse samt der zehn Propeller nach vorn. Dieser Moment ist kritisch. Denn sobald die Propeller das Flugzeug nicht mehr tragen, muss die Strömung an den Flügeln groß genug sein, um Auftrieb zu erzeugen. "Während unserer Flugversuche konnten wir mehrfach erfolgreich zwischen tragflächengestütztem Vorwärtsflug und propellergestütztem Schwebeflug wechseln", sagt Bill Fredericks, Raumfahrtingenieur der Nasa. "Jetzt arbeiten wir an unserem zweiten Ziel – zu zeigen, dass dieses Konzept im Reiseflug viermal effizienter ist als ein Hubschrauber."

Der GL-10 zeigt, wohin die Entwicklung in der Luftfahrtbranche geht. Elektrifizierung, verteilte Antriebe mit vielen kleinen Propellern und ganz neue Flugzeugkonzepte wie etwa Senkrechtstarter. Gerade mit Senkrechtstartern sehen viele Forscher das Zeitalter der personalisierten Luftfahrt anbrechen, in dem Fliegen so alltäglich werden soll wie Autofahren. Aber auch wenn solch kühne Visionen nicht Realität werden, hebt die Elektrifizierung das Fliegen auf eine neue Stufe: Sie wird leiser, sicherer und vor allem energiesparender. Die Europäische Union hat mit dem Papier "Flightpath 2050" die Ziele klar formuliert: Reduktion der CO2-Emissionen von Flugzeugen um 75 Prozent, der Stickoxide um 90 Prozent und des Geräuschpegels um 65 Prozent, verglichen mit den Werten des Jahres 2000.

Deshalb forschen auch die Hersteller von großen Verkehrsflugzeugen wie Airbus an elektrischen Antrieben – wenn zunächst auch in kleinerem Maßstab. Schon im vergangenen Jahr hat das Unternehmen den komplett neu entwickelten und rein elektrisch angetriebenen Einsitzer E-Fan vorgestellt. "Wir haben schon recht früh identifiziert, dass in Zukunft immer mehr elektrische Komponenten in der Luftfahrt eine Rolle spielen werden", sagt Detlef Müller-Wiesner, Leiter des E-Aircraft- Programms bei Airbus. Um besonders effizient unterwegs zu sein, wird der E-Fan über zwei Mantelpropeller mit zusammen 60 Kilowatt Leistung angetrieben.

Mantelpropeller erzeugen mehr Schub, weil sie die Luft einsaugen und bündeln und keine verlustreichen Wirbel an der Propellerspitze bilden. Die Batteriezellen von Panasonic reichen für eine Stunde Flugzeit plus Reserve. Im Juli glückte ein 74 Kilometer langer Flug über den Ärmelkanal von Lydd in England nach Calais in Frankreich.

Dass es Airbus mit dem elektrischen Fliegen ernst meint, zeigt die Entscheidung, den E-Fan 2.0 in Serie zu bauen. Der zweisitzige Nachfolger des E-Fan 1.0 soll ab Dezember 2017 an die ersten Kunden ausgeliefert werden. Viele Flugschulen haben den E-Fan geordert, weil ihre Flugprofile mit vielen Starts und Landungen am gleichen Flugplatz sich gut mit einem batterieelektrischen Flugzeug abdecken lassen.

Aber das dürfte erst der Anfang sein: Müller-Wiesner verweist auf Untersuchungen der Nasa, nach denen 67 Prozent aller Flüge der "allgemeinen Luftfahrt" (zivile Luftfahrt ohne Linien- und Charterflüge) in den USA unter einer Stunde dauern. Wer länger und mit mehr Passagieren fliegen möchte, wird schon in wenigen Jahren den E-Fan 4.0 kaufen können. Er soll vier Sitze und eine Flugdauer von zwei bis drei Stunden haben.

Gleichzeitig zeigt das Modell aber auch die Grenze der derzeitigen Technologie. Denn die Batterieleistung allein reicht für ein Flugzeug dieser Größe und Reichweite nicht mehr. Airbus setzt daher bei dem E-Fan 4.0 auf einen Hybridantrieb. Unklar ist noch, ob der Akku mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle oder einem fossil angetriebenen Generator kombiniert wird. Einen Hybridantrieb aus Batterie und Wasserstoff-Brennstoffzellen testet derzeit das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem neuen Forschungsflugzeug Hy4. Passend zu seiner Aufgabe hat es ein äußerst futuristisches Design. Zwei Flugzeugrümpfe sind über einem dritten Flügel verbunden, auf dem der Antrieb und die Versuchsaufbauten angebracht sind.

Die Kabinen bieten Platz für jeweils zwei Personen. Ein Konsortium aus DLR, Universität Ulm und Flughafen Stuttgart hat den Hy4 im Oktober der Öffentlichkeit präsentiert. Der neue Wasserstoff-Brennstoffzellen-Hybridantrieb des DLR leistet 80 Kilowatt und soll den Viersitzer bis zu 1800 Kilometer weit bringen. Josef Kallo, Leiter Fachgebiet Elektrochemische Systeme vom DLR in Stuttgart, und seine Kollegen wollen vor allem den Antrieb in den nächsten Jahren genau erforschen. Nach dem Start kann die Batterie während des Flugs entweder von den Brennstoffzellen oder von dem Propellermotor geladen werden, der im Sinkflug als Generator läuft. Genau wie beim Auto ist diese Energierückgewinnung ein enormer Vorteil von elektrischen Antrieben. Kallo schätzt, dass Flugzeuge mit vielen Starts und Landungen so rund 15 Prozent Energie sparen.

So vielversprechend der Weg ist – für das große Geschäft in der Luftfahrt reichen vier Sitze und 1800 Kilometer Reichweite bei Weitem nicht. Airbus arbeitet daher zusammen mit dem Triebwerkshersteller Rolls-Royce an der Konzeptstudie E-Thrust, was so viel wie "elektrischer Schub" bedeutet. Die Studie beschreibt ein hybridelektrisches Antriebssystem für ein Regionalflugzeug mit 70 bis 90 Sitzen.

Zwei wesentliche Neuerungen finden sich darin: Zum einen soll eine Erdgasturbine im Heck des Flugzeugs einen Generator antreiben, um so den nötigen Strom für die Fans zu erzeugen, wie die Schaufelräder bei Düsentriebwerken genannt werden. Was wie Mogelei wirkt, ist bei näherem Hinsehen ein kluges Konzept. Da ein Akku als Energiezwischenlager dient, kann die Gasturbine ständig in ihrem optimalen Betriebspunkt laufen und sehr effizient betrieben werden. Das System verbraucht damit weniger Energie als ein herkömmlicher Düsenantrieb. Hinzu kommt, dass die Fans im Sinkflug von der Außenluft angetriebenen werden, als Generatoren wirken und die Batterie wieder aufladen.

Größter Knackpunkt ist allerdings: Die Fans sollen von supraleitenden Motoren angetrieben werden, um Verluste und Abwärme in Grenzen zu halten. Doch die gibt es noch nicht. Ebenso wenig existieren Pufferbatterien mit einer Energiedichte von 1000 Wattstunden pro Kilogramm. Heutige Akkus liegen bei höchstens 200 Wattstunden pro Kilogramm. Das Konzept ist also frühestens etwas für die übernächste Flugzeuggeneration.

Die zweite wesentliche Neuerung ist dagegen näher an der Realität: Als Antrieb dient nicht nur ein Fan pro Tragflügel, sondern drei. Jeder hat eine Leistung von drei bis fünf Megawatt. Ohne elektrischen Antrieb ließe sich diese Vielzahl nicht verwirklichen, weil Düsentriebwerke zu schwer und zu klobig wären. Verteilte Antriebe haben einen großen Vorteil: Sie sparen beim Verbrauch. Mehr Fans bedeuten mehr Fläche und somit auch eine bessere Nutzung der Luftströmung für den Vortrieb.

Bei kleineren Flugzeugen sind verteilte elektrische Antriebe schon zum Greifen nah. So entwickelt die Nasa zusammen mit Joby Aviation einen Antrieb namens LEAPTech (Leading Edge Asynchronous Propellers Technology, deutsch etwa Asynchrone Vorderkanten-Propeller-Technologie). Ihr Ansatz geht noch über die E-Thrust-Idee hinaus: Die Forscher tauschen die serienmäßigen Tragflächen einer zweimotorigen Tecnam P2006T gegen neue, kürzere und viel schmalere Flügel – mit insgesamt 18 kleinen Elektromotoren an der Vorderkante. Dieses Konzept hat zusätzliche Vorteile: Zwischen den Tragflächen und der anströmenden Luft entsteht normalerweise immer eine Grenzschicht mit vielen kleinen Verwirbelungen, die den Luftwiderstand erhöht.

Viele kleine Propeller an der Flügelvorderkante beschleunigen die Luft direkt am Flügel, verhindern so die Bildung dieser Grenzschicht und sorgen gleichzeitig für mehr Auftrieb. "Wenn ich verteilte Antriebe über den ganzen Flügel habe, kann ich die Strömung auf dem Flügel beeinflussen", fasst Josef Kallo vom DLR zusammen. Außerdem profitieren alle elektrischen Antriebe vom hohen Drehmoment der Elektromotoren auch bei kleinen Drehzahlen. Dadurch können die Propeller langsamer drehen und erzeugen weniger laute und bremsende Verwirbelungen. Und schließlich lassen sich Elektromotoren elektronisch sehr exakt ansteuern und machen Flugzeuge leichter zu fliegen. Selbst wenn ein oder zwei davon ausfallen, "kann ich das Flugzeug immer noch sehr sicher weiterfliegen lassen", meint Kallo.

"Verteilte elektrische Antriebe lassen uns Dinge tun, die wir schon seit 50 Jahren machen wollen", schwärmt Mark Moore, Cheftechnologe "On-Demand Mobility" beim Nasa Langley Research Center. Eines dieser Dinge ist der alte Traum vom persönlichen Flugzeug, das bei jedem zu Hause vor der Tür steht, senkrecht starten und landen kann und seine Nutzer stressfrei und fernab verstopfter Straßen zur Arbeit bringt.

Ein solches Fluggerät entwickelt Joby Aviation derzeit mit dem S2. Der batteriebetriebene Senkrechtstarter hat 16 Propeller, bietet Platz für zwei Personen und eine Reichweite von über 300 Kilometern. Ein Produktions- oder gar Auslieferungstermin steht allerdings noch nicht fest. Da sind die jungen Gründer und Ingenieure von Lilium Aviation optimistischer. Die Ausgründung der TU München wird unter anderem von der Esa gefördert und möchte ihren Lilium Jet Ende 2019 auf den Markt bringen.

Der batterieelektrische Zweisitzer soll 500 Kilometer weit fliegen, senkrecht starten und landen sowie mit eingeklappten Flügeln die letzte Meile zum Ziel auf der Straße zurücklegen können. Der Zeitplan ist zumindest mutig: Konkurrent Joby Aviation arbeitet schon seit zehn Jahren an seinem S2. (bsc [1])

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