Elektromobilität in der Luft

Elektroflugzeuge - ein Alternative für die Luftfahrtbranche? Der Wegfall von umweltbelastenden Faktoren wie Geräuschpegel und Luftverschmutzung ist einer der größten Vorteile der Elektroantriebe.

© Florian Wagner, Wagnerphoto.de

Flugzeuge mit elektrischem Antrieb können die Luftfahrtbranche grundlegend revolutionieren. Ein Wegfall von umweltbelastenden Faktoren wie Geräuschpegel und Luftverschmutzung bedeutet auch mehr Flexibilität beim Flughafenbau in der Nähe von Wohnorten. Eine Reduktion von Treibstoff- und Wartungskosten könnte die Wirtschaftlichkeit kleinerer Maschinen erhöhen und somit weitere Vorteile eröffnen.

Vertreter aus Politik und Wirtschaft sind sich einig, dass Alternativen zu herkömmlichen Antrieben in der Luftfahrt geschaffen werden müssen. Damit steht die Branche vor einer Jahrhundertaufgabe, denn die Loslösung von „alten“ Konzepten und die Schaffung innovativer Möglichkeiten, ist leichter geplant als getan.


Elektromobilität in der Luftfahrt

Wie auch Automobilbereich, ist ein nahegelegener Lösungsansatz die Elektromobilität. Die Frage, ob der Mensch mit einem Elektroflugzeug fliegen kann, ist seit Jahrzehnten beantwortet. Innovationen in der Luftfahrt gehen im Wesentlichen die bereits durch Landverkehr gebahnten Wege. Ein Elektroantrieb sorgt für die Fortbewegung der Elektroflugzeuge, entweder als Hybridvariante oder als voller Ersatz für konventionelle Turbinen. Die Stromquelle ist genauso wie beim Auto entweder eine Batterie, eine Brennstoff- oder Solarzelle. Die Vorteile, die die Elektromobilität für die Luft mitbringen liegen ebenfalls auf der Hand. Zum einen werden Flugzeugbauteile durch neue Fertigungsverfahren, wie z.B. additive Fertigung immer leichter. Gleiches wird auch für die Batterien angestrebt, die zudem zukünftig eine bessere Energiedichte aufweisen sollen. Darüber hinaus werden Elektromotoren effizienter. Siemens hat bereits einen Motor mit 5 KW Leistung pro Kilogramm Gewicht entwickelt. Ein sehr gewichtiges Argument für die Wirtschaft ist außerdem die Reduzierung des Wartungsaufwandes und somit auch der Kosten.

Siemens/Extra

Ein bekanntes Elektroflugzeug-Projekt ist die Extra 330LE. Siemens nutzt das Kunstflugzeug zur Entwicklung leistungsstarker Elektromotoren, die in Flugzeugen mit 20 und mehr Sitzen zum Einsatz kommen sollen. Angestrebt werden Hybridantriebe für bis zu 1000 Kilometer Reichweite. Seit ihrem Erstflug 2016 hat die Extra 330LE, angetrieben vom 260 Kilowatt starken und 50 Kilogramm leichten Siemens-Elektromotor SP-260 DP, mehrere Rekorde aufgestellt und als erstes Elektroflugzeug einen Segler geschleppt.

Her0

Der Her0 wird in der Branche auch als „Tesla der Luftfahrt“ deklariert und entspringt der Feder des Designers Joe Doucet. Die elektrisch angetriebenen Propeller und breiten Flügel ermöglichen ein sparsames Gleiten und ein komplett emissionsfreies Fliegen. Dies kostet die Reisenden jedoch etwas Geschwindigkeit. Denn mit etwa 700km/h ist der Jet nur fast so schnell die nicht-emissionsfreie Konkurrenz. Das bedeutet aber auch, dass für Reisen etwa 20 Prozent mehr Zeit eingeplant werden muss. Laut dem Entwickler steht dieser Aspekt dem Vorzug der Emissionsfreiheit jedoch nicht im Weg. Doucet betont aber auch, dass sein Entwurf lediglich als Denkanstoß für die Zukunft der Luftfahrt zu betrachten ist. Der Her0 ist nicht für die Serienfertigung geplant.


Solarflugzeug - eine Alternative?

Die Solarenergie für Flugzeuge zu nutzen ist sehr verlockend. Eine effiziente Nutzung der Solarenergie ist beim Solarflugzeug viel besser möglich als beim Auto. Durch die Höhe des Flugs ergeben sich viele Vorteile, wie beispielsweise schattenfreie Zonen, eine geringe Sonnenstrahlendämpfung durch die Erdatmosphäre oder eine immer dünner werdende Luftschicht.

Allerdings benötigt auch ein Solarflugzeug eine Batterie für den Nachtbetrieb und für die aufkommenden Spitzenlasten, die beispielsweise beim Start und Steigflug auftreten. Eine Batterie bedeutet immer Gewicht und stellt auch eine potenzielle Gefahrenquelle dar. Lithium-Batterien stehen zum Beispiel in dieser Hinsicht in der Kritik, da sie leicht in Brand geraten können. Die Ursachen hierfür sind vielfältig und reichen von thermischen Einflüssen, Wasserkontakt, Kurzschlüssen bis zur Überladung. Die Anforderung an eine gute Batterie, können momentan branchenübergreifend zu den größten technischen Herausforderungen gezählt werden. Des Weiteren wird ein sehr effizienter Motor gebraucht, um die Energie nicht schwinden zu lassen.

Innovation Solarflugzeug: SolarImpuls2

Die Solar Impuls 2, ein Schweizer Solarflugzeug, besitzt vier Motoren mit einer Effizienz von 94%. Diese sind an Lithium-Polymer-Batterien angeschlossen, um ununterbrochen mit Strom versorgt zu werden. Diese Batterien wiederum werden durch 17.000 Solarzellen aufgeladen. Eine großartige Maschine, die in der Passagierluftfahrt allerdings kaum Anwendung finden wird, da sie außer dem eigenen Gewicht und dem des Piloten nichts in die Luft schaffen kann. Im Jahr 2016 gelang Bertrand Piccard eine historische Weltumrundung. Während der 510stündigen Reise, legte die SolarImpuls2 etwa 40.000 km zurück und das ausschließlich mit Sonnenenergie. Der Entwickler selbst erklärt hierzu: „SolarImpuls wurde nicht gebaut, um Passagiere zu transportieren, sondern um Botschaften zu vermitteln. Wir planen keine Revolution der Luftfahrtindustrie, stattdessen wollen wir zeigen, dass die alternativen Energiequellen und neue Technologien erfolgreich sein können, was einige für unmöglich hielten“.


Vorbereitungen für die Abflug der SolarImpuls 2.


SolarImpuls2 mit Entwickler Bertrand Piccard – © Milko Vuille, [CC-BY-4.0], via Wikimedia Commons


Alternative Brennstoffzelle

Bereits vor 8 Jahren stellte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Brennstoffzellenbetriebenes Bugrad vor, welches in das DLR-Forschungsflugzeug A320 Atra eingebaut war. Der HY4, ein Viersitzer des Instituts, ist ein kühnes Experiment. Die Technik des HY4 basiert auf einem Hybridsystem. Eine Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle dient als Hauptenergiequelle, da diese Energie beim Start nicht ausreicht, ist das Flugzeug zusätzlich auf eine Lithiumbatterie angewiesen. Diese beiden Energieproduzenten versorgen einen 80KW starken Motor mit genügend Energie, um sicher abzuheben, bis zu 200 km/h zu fliegen und mehr als 1.000 km lange Strecken zurückzulegen. Die Fluggeschwindigkeit ist sicherlich noch ausbaufähig, allerdings kann der HY4 bereits vier Personen transportieren und eine weitere Entwicklung ist gut vorstellbar.


Zukunft „made in Germany”

Im Jahr 2050 ist damit zu rechnen, dass die Verkehrsadern vieler Metropolen ihre Kapazitätsgrenze erreicht haben. Pendler und Geschäftsreisende stehen im Stau, verlieren dabei Arbeits- und Lebenszeit. Dieses Problem ruft Start-ups und etablierte Luftfahrtunternehmen aus aller Welt gleichermaßen auf den Plan. Mit innovativen Fluggeräten – überwiegend elektrisch angetrieben – möchten die Ingenieure die Verkehrsprobleme auf dem Luftweg lösen. Gemeinsames Ziel ist es, schnell, staufrei und preiswert von A nach B zu gelangen.

Volocopter GmbH

Mit dem Erstflug des Volocopter VC1 aus Karlsruhe war 2011 die Machbarkeit einer Vision bewiesen. Im März 2016 startete Alexander Zosel, Mitbegründer Volocopter GmbH, zum bemannten Erstflug unter freiem Himmel. Das erste Serienmodell ist der VoloCity, der nun auch mit Seitenleitwerken, zur Stabilisierung der Flugrichtung, ausgestattet ist. Außerdem ist es auf die SC-VTOL Bestimmungen der EASA, die im Juli 2019 veröffentlich wurden abgestimmt.

Lilium GmbH

2015 gründeten Daniel Wiegand und drei weitere Studenten der Universität München die Lilium GmbH. Der elektrisch angetriebene Lilium Jet wird von 36 ummantelten Propellern, die in beweglichen Klappen an Flügeln und Rumpf angebracht sind, angetrieben.

Im April 2017 hob der Prototyp des Zweisitzers zum unbemannten Erstflug ab. 2025 könnte der Betrieb als Lufttaxi starten. Flüge zum Preis einer Taxi-fahrt sollen sich per App buchen lassen; geplant sind Landepads auf Gebäuden. Ende 2019 ist für die Serienfertigung die erste Produktionshalle mit ca. 3000 m² Fläche, neben dem Firmensitz fertiggestellt wurden, eine weitere ist bereits in Planung.


Europas Luftfahrt-Gigant zeigt sich kreativ

CityAirbus heißt eine Studie für den urbanen Einsatz. „Das elektrische Fahrzeug für etwa vier Passagiere ähnelt mit mehreren Hubrotoren einer Drohne. In der Anfangsphase würde, auch wegen derzeit geltender Vorschriften für die Passagierbeförderung, ein menschlicher Pilot an Bord die Steuerung übernehmen, später wäre auch ein rein automatischer Betrieb möglich“, berichtete die FLUG REVUE im Sommer 2016.

A3 (sprich: „A-cubed“) heißt eine Airbus-Tochter mit Sitz im Silicon Valley. Ingenieure entwickeln einen autonomen Einsitzer namens Vahana mit acht auf Schwenkflügeln montierten Rotoren. Die finale Version soll 2020 an den Start gehen.

In der Slowakei forschen Experten am AeroMobil – einem fliegenden Auto. Einen ähnlichen Ansatz verfolgen auch die Macher von Pop.Up. Diese Symbiose aus Auto und Multicopter besteht aus einem Fahrgestell für die Straße, einer Kabine für zwei Passagiere und einem Flugmodul mit acht gegenläufigen Rotoren. Entstanden ist die Machbarkeitsstudie in Kooperation mit Italdesign. Zudem arbeitet der Konzern an einem Regionalflugzeug mit Hybridantrieb; das Elektroflugzeug E-Fan wird indes nicht weiterentwickelt.

Herausforderungen der Elektromobilität

In den konventionellen Passagierflugzeugen werden heute hochentwickelte Turbinen angewendet. Manche verbrauchen mehrere Liter Kerosin pro Sekunde, sind aber in der Lage, mehr als 200 Passagiere schnell (mit z.B. 1.000 km/h) und sicher ans Ziel zu bringen. Wenn diese Turbinenkräfte für einen Elektromotor umgerechnet werden, stehen die Entwickler und Ingenieure vor einer Herausforderung im Megawatt-Bereich.

Spricht man von Innovationen, sollte auch der Fortschritt in der klassischen Luftfahrt berücksichtigt werden. Die Turbinen werden ständig weiterentwickelt, die Getriebefan-Triebwerke werden leiser und effizienter. Die Elektroflugzeuge müssen sich auch mit diesen Fortschritten messen lassen. Dazu kommt, dass die Flughafen- und Logistik-Infrastruktur auf konventionelle Flugzeuge ausgelegt sind. An den Flughäfen müsste eine zusätzliche Infrastruktur für die Elektroflugzeuge ausgebaut werden.

Die nächsten 10 Jahre werden zeigen, ob und in welcher Form sich die Elektromobilität im zivilen Luftverkehr durchsetzen wird. Schon heute lässt sich mit Sicherheit sagen, dass Elektroflugzeuge eine Bereicherung für die Luftfahrt sind. Die europäische Luftfahrtbehörde EASA jedenfalls beschäftigt sich längst mit den Themen Elektroflug und Luftverkehr der Zukunft. Ein Projekt, von dem die Allgemeine Luftfahrt wie auch Großflugzeuge betroffen sind, wurde innerhalb der Behörde ins Leben gerufen. Dabei geht es um Musterzulassungen, Bauvorschriften und Regelungen zum Betrieb der Flugzeuge. „Wir haben beschlossen, den Vorgang zur Erstellung neuer Vorschriften zu vermeiden, sondern die Belange der Betreiber und Firmen besser zu berücksichtigen, indem wir die bestehenden Vorschriften zusammen mit den nationalen Behörden anpassen“, heißt es in einer Stellungnahme von EASA-Sprecher Dominique Fouda. Anträge auf Zulassungen seien eingegangen, auch habe es erste Koordinierungsgespräche gegeben. „Das EASA-Management hat bestätigt, dass diese innovativen Projekte die volle Unterstützung erhalten sollen.“


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