29 Nov Elektromobilität in der Luftfahrt
Elektrisch angetriebene Flugzeuge können die Luftfahrtindustrie revolutionieren. Die Beseitigung umweltschädlicher Faktoren wie Geräuschpegel und Luftverschmutzung bedeutet auch mehr Flexibilität beim Bau von Flughäfen in der Nähe von Wohngebieten. Eine Senkung der Treibstoff- und Wartungskosten könnte die Wirtschaftlichkeit kleinerer Flugzeuge erhöhen und damit weitere Vorteile eröffnen.
Vertreter aus Politik und Industrie sind sich einig, dass Alternativen zu den herkömmlichen Antriebssystemen 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.
Wie im Automobilsektor ist die Elektromobilität eine naheliegende Lösung. Die Frage, ob Menschen in einem Elektroflugzeug fliegen können, wurde bereits vor Jahrzehnten beantwortet. Innovationen in der Luftfahrt folgen im Wesentlichen den Wegen, die der Landverkehr bereits beschritten hat. Ein elektrisches Antriebssystem sorgt für den Vortrieb von Elektroflugzeugen, entweder als Hybridvariante oder als vollwertiger Ersatz für konventionelle Turbinen.
Wie beim Auto ist die Energiequelle entweder eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder eine Solarzelle. Auch in der Luft liegen die Vorteile der Elektromobilität auf der Hand. Zum einen werden Flugzeugkomponenten dank neuer Fertigungsverfahren, wie der additiven Fertigung, immer leichter. Das Gleiche wird auch für Batterien angestrebt, die in Zukunft ebenfalls eine bessere Energiedichte aufweisen sollen. Außerdem werden die Elektromotoren effizienter werden. Siemens hat bereits einen Motor mit 5 KW Leistung pro Kilogramm Gewicht entwickelt. Ein weiteres sehr starkes Argument für die Wirtschaftlichkeit ist die Reduzierung der Wartungsarbeiten und damit der Kosten.
Siemens/Extra
Ein bekanntes Elektroflugzeugprojekt ist die Extra 330LE. Anhand dieses Kunstflugzeugs entwickelt Siemens leistungsstarke Elektromotoren, die in Flugzeugen mit 20 oder mehr Sitzen eingesetzt werden sollen. Ziel ist es, Hybridantriebe mit einer Reichweite von bis zu 1.000 Kilometern zu entwickeln. Seit ihrem Erstflug im Jahr 2016 hat die Extra 330LE mit dem 260 Kilowatt starken und 50 Kilogramm schweren Siemens-Elektromotor SP-260 DP mehrere Rekorde aufgestellt und ist das erste Elektroflugzeug, das ein Segelflugzeug schleppt.
Der Her0 wird in der Branche auch als „Tesla der Luftfahrt“ bezeichnet und stammt aus der Feder des Designers Joe Doucet. Die elektrisch angetriebenen Propeller und die breiten Tragflächen ermöglichen einen sparsamen Segelflug und ein völlig emissionsfreies Fliegen. Das kostet die Reisenden allerdings einiges an Geschwindigkeit. Denn mit rund 700km/h ist der Jet nur fast so schnell wie die nicht-emissionsfreie Konkurrenz. Das bedeutet aber auch, dass etwa 20 Prozent mehr Zeit für die Reise eingeplant werden muss. Laut dem Entwickler hebt dieser Aspekt den Vorteil der Emissionsfreiheit jedoch nicht auf. Doucet betont auch, dass sein Entwurf nur als Denkanstoß für die Zukunft der Luftfahrt zu verstehen sei. Der Her0 ist nicht für die Serienproduktion vorgesehen.
Solarflugzeuge - eine Alternative?
Die Nutzung von Solarenergie für Flugzeuge ist sehr verlockend. Eine effiziente Nutzung der Sonnenenergie ist in einem Solarflugzeug viel besser möglich als in einem Auto. Es gibt viele Vorteile aufgrund der Flughöhe, wie schattenfreie Zonen, geringe Absorption der Sonnenstrahlung durch die Erdatmosphäre oder eine immer dünner werdende Luftschicht.
Aber auch ein Solarflugzeug braucht eine Batterie für den Nachtbetrieb und für die anfallenden Lastspitzen, die z.B. beim Start und Steigflug auftreten. Eine Batterie bedeutet immer Gewicht und ist auch eine potenzielle Gefahrenquelle. Lithium-Batterien beispielsweise stehen in der Kritik, weil sie leicht Feuer fangen können. Die Gründe dafür sind vielfältig und reichen von thermischen Einflüssen, Wasserkontakt, Kurzschlüssen bis hin zu Überladung. Die Forderung nach einer guten Batterie ist derzeit eine der größten technischen Herausforderungen in allen Branchen. Darüber hinaus ist ein sehr effizienter Motor erforderlich, damit die Energie nicht ausgeht.
Innovation Solarflugzeug: SolarImpuls2
Das Schweizer Solarflugzeug Solar Impuls 2 verfügt über vier Motoren mit einem Wirkungsgrad von 94%. Diese sind mit Lithium-Polymer-Batterien verbunden, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Diese Batterien werden von 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 ein historischer Flug um die Welt. Während der 510-stündigen Reise legte die SolarImpuls2 eine Strecke von rund 40.000 km nur mit Sonnenenergie zurück. Der Entwickler selbst erklärt: „SolarImpuls wurde nicht gebaut, um Passagiere zu transportieren, sondern um Botschaften zu übermitteln. Wir planen keine Revolution in der Luftfahrtindustrie, sondern wollen zeigen, dass alternative Energiequellen und neue Technologien erfolgreich sein können, was manche für unmöglich hielten“.
Alternative Brennstoffzelle
Bereits vor 8 Jahren hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein brennstoffzellenbetriebenes Bugrad vorgestellt, das in das DLR-Forschungsflugzeug A320 Atra eingebaut wurde. Die HY4, ein Viersitzer des Instituts, ist ein gewagtes Experiment. Die Technik der HY4 basiert auf einem Hybridsystem. Als Hauptenergiequelle wird eine Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle eingesetzt. Da diese Energie beim Start nicht ausreicht, ist das Flugzeug zusätzlich auf eine Lithium-Batterie angewiesen. Diese beiden Energieerzeuger versorgen ein 80KW starkes Triebwerk mit genügend Energie, um sicher zu starten, bis zu 200 km/h zu fliegen und mehr als 1.000 km lange Strecken zurückzulegen. Die Fluggeschwindigkeit ist sicherlich noch ausbaufähig, aber die HY4 kann bereits vier Personen transportieren und eine Weiterentwicklung ist durchaus denkbar.
Zukunft "made in Germany"
Im Jahr 2050 werden die Verkehrsachsen vieler Metropolen voraussichtlich ihre Kapazitätsgrenzen erreicht haben. Pendler und Geschäftsreisende werden im Stau feststecken und Arbeits- und Lebenszeit verlieren. Dieses Problem ruft Start-ups und etablierte Luftfahrtunternehmen aus der ganzen Welt gleichermaßen auf den Plan. Mit innovativen Flugzeugen – meist elektrisch angetrieben – wollen die Ingenieure die Verkehrsprobleme auf dem Luftweg lösen. Das gemeinsame Ziel ist es, schnell, staufrei und kostengünstig von A nach B zu kommen.
Herausforderungen für die Elektromobilität
Konventionelle Passagierflugzeuge verwenden heute hoch entwickelte Turbinen. Sie verbrauchen zum Teil mehrere Liter Kerosin pro Sekunde, sind aber in der Lage, mehr als 200 Passagiere schnell (z.B. mit 1.000 km/h) und sicher an ihr Ziel zu befördern. Wenn diese Turbinenkräfte für einen Elektromotor umgewandelt werden, stehen die Entwickler und Ingenieure vor einer Herausforderung im Megawattbereich.
Was die Innovationen angeht, sollte man auch die Fortschritte in der klassischen Luftfahrt berücksichtigen. Turbinen werden ständig weiterentwickelt, Getriebeturbos werden immer leiser und effizienter. Auch Elektroflugzeuge müssen mit diesen Fortschritten Schritt halten. Darüber hinaus sind die Flughafen- und Logistikinfrastrukturen für konventionelle Flugzeuge ausgelegt. An den Flughäfen müsste eine zusätzliche Infrastruktur für Elektroflugzeuge entwickelt werden.
The next 10 years will show whether and how electromobility will become established in civil aviation. Today it can already be said with assurance that electric aircraft will be an enrichment for aviation. In any case, the European Aviation Safety Agency (EASA) has long been dealing with the topics of electric flight and air traffic of the future. A project, which affects general aviation as well as large aircraft, was initiated within the authority. It deals with type certifications, construction rules and regulations for the operation of aircraft. „We have decided to avoid the process of drawing up new regulations, but to take better account of the concerns of operators and companies by adapting the existing regulations together with the national authorities,“ says EASA spokesman Dominique Fouda in a statement. Applications for certificates had been received and initial coordination talks had also taken place. „The EASA management has confirmed that these innovative projects should receive full support“.
Europas Luftfahrtgigant zeigt seine Kreativität
CityAirbus ist der Name einer Studie für den urbanen Einsatz eines Elktrofluggerätes. „Das Elektrofahrzeug für etwa vier Passagiere ähnelt einer Drohne mit mehreren Hubrotoren. In der Anfangsphase würde ein menschlicher Pilot an Bord die Steuerung übernehmen, auch wegen der geltenden Vorschriften für den Personentransport, später wäre aber auch ein rein automatischer Betrieb möglich“, berichtete die FLUG REVUE im Sommer 2016.
A3 (ausgesprochen „A-cubed“) ist der Name einer Airbus-Tochtergesellschaft mit Sitz im Silicon Valley. Die Ingenieure entwickeln einen autonomen Einsitzer namens Vahana mit acht Rotoren, die an Schwenkflügeln montiert sind. Die endgültige Version soll im Jahr 2020 abheben.
In der Slowakei forschen Experten am AeroMobil – einem fliegenden Auto. Einen ähnlichen Ansatz verfolgen die Macher von Pop.Up. Die Symbiose aus Auto und Multicopter besteht aus einem Fahrgestell für die Straße, einer Kabine für zwei Passagiere und einem Flugmodul mit acht gegenläufigen Rotoren. Die Machbarkeitsstudie wurde in Zusammenarbeit mit Italdesign erstellt. Darüber hinaus arbeitet die Gruppe an einem Regionalflugzeug mit Hybridantrieb; das Elektroflugzeug E-Fan wird jedoch nicht weiter entwickelt.
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