Elektromobilität in der Verkehrsluftfahrt: Wie weit sind Forscher beim E-Flieger?
Seit Jahrzehnten arbeiten Ingenieure an „elektromobilen“ Flugzeugen – vor allem die Akkus sind bislang ein Problem.
Seit mehr als 30 Jahren gibt es „elektrische“ E-Flugzeuge, die ihre Piloten mehr oder weniger lange in der Luft halten. Aber ist das auch für Passagiermaschinen denkbar? „Ich bin ich überzeugt, dass emissionsfreies elektrisches Fliegen auch im größeren Maßstab machbar ist“, sagt Josef Kallo vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart.
Forschungseinrichtungen wie Bauhaus Luftfahrt oder die Nasa und auch die großen Flugzeughersteller haben längst entsprechende Studien vorgelegt. Doch bis die Elektromobilität in der Verkehrsluftfahrt Einzug hält, ist noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit erforderlich. Das gilt besonders für Batterien. Damit ein E-Flieger abheben und lange fliegen kann, müssen die Akkus, bezogen auf ihr Gewicht, leistungsstärker werden.
Es gibt eine Reihe von Ansätzen, wobei die Innovationen bislang vor allem bei kleineren Batterien zu finden sind, die etwa für Smartphones und mobile Computer genutzt werden. Dass der Weg hin zu großen Akkus nicht immer reibungslos ist, zeigt das Beispiel des Dreamliners von Boeing. Dort wurden für die Bordstromversorgung Lithium-Ionen-Akkus ausgewählt. Anfangs kam es mehrfach zu Bränden. Mittlerweile ist das Problem anscheinend behoben.
Solarzellen behindern die "Schnittigkeit" des Flugzeugs
Dennoch werden angesichts des hohen Gewichts von Passagiermaschinen (eine Boeing 737-800 bringt es auf eine Startmasse von 79 Tonnen, der Airbus A380 gar auf 560 Tonnen) Elektromotoren in absehbarer Zeit nicht genügend Schub für den Start liefern können. Es wird eher auf Hybridantriebe für kleine Regionalverkehrsflugzeuge hinauslaufen, also eine Kombination aus Elektro- und Kerosinmotoren. Ihre Akkus könnten entweder durch das zeitweilig zugeschaltete Verbrennungstriebwerk oder nach der Landung aufgeladen werden. Auf die Tragflächen geklebte Solarzellen, wie bei „Solar Impulse 2“, wird es kaum geben. Sie würden bei größeren Maschinen die Aerodynamik zu stark beeinflussen.
„Vor ein paar Jahren wurde jeder, der im Zusammenhang mit den Verkehrsflugzeugen der Zukunft von Elektroantrieb sprach, noch ausgelacht“, sagt Marty Bradley. Er leitete ein Forschungsteam von Boeing, das bereits 2010 im Auftrag der Nasa fünf Konzepte für emissionsarme Verkehrsflugzeuge entworfen hat, die zwischen 2030 und 2050 einsatzreif werden könnten. Die Boeing-Ingenieure selbst favorisierten dabei den Entwurf namens Sugar Volt, einen Hochdecker mit schmaler und langer Tragfläche sowie zwei Hybridmotoren, die im Reiseflug mit Strom betrieben werden.
Hybridantriebe sind auch bei Flugzeugen denkbar
2011 stellten Siemens, der österreichische Hersteller Diamond Aircraft und EADS (heute Airbus Group) das erste Flugzeug mit einem hybriden Antrieb vor, wie er zuvor nur in Kraftfahrzeugen eingesetzt wurde. Jean Botti, Forschungsvorstand der Airbus-Gruppe, bezeichnete den zweisitzigen Motorsegler DA36 E-Star als einen „historischen Meilenstein“ auf dem Weg zum hybrid-elektrischen Luftverkehr.
Zwei Jahre später präsentierte die Airbus-Gruppe mit dem „E-Fan“ ein Flugzeug mit reinem Elektroantrieb. Hier liefern Lithium-Polymer-Akkus in den Tragflächen den Strom für zwei E-Motoren, die mit einer Gesamtleistung von 60 kW (82 PS) zwei ummantelte Propeller beiderseits des Rumpfes antreiben. Die Ladung reicht für eine Flugstunde und könnte mit stärkeren Batterien auf 90 Minuten gesteigert werden. Der E-Fan soll laut Botti als zweisitziges Schulflugzeug 2017 in die Serienfertigung gehen. Geplant ist zudem eine viersitzige Reiseflugzeug-Version mit einer auf mehr als drei Stunden gesteigerten Reichweite.
Den nächsten Schritt könnte die Konzeptstudie „E-Thrust“ für ein Verkehrsflugzeug mit hybridelektrischem Antrieb sein, an dem Airbus mit dem Triebwerkshersteller Rolls-Royce und der britischen Cranfield-Universität forscht. Dabei werden auf den Tragflächen montierte Triebwerke durch Elektromotoren angetrieben. Zusätzlich ist im Heck eine Gasturbine vorgesehen, die den Strom für Motoren liefert und die bordeigenen Energiespeicher auflädt. Dazu gibt es eine ausgefeilte Energieverwaltung, die den Strom je nach Flugphase, also Steigflug, Fliegen auf Reisehöhe oder Landeanflug, wahlweise zwischen den Komponenten verteilt. Auf Basis der bereits vorhandenen Technik ließe sich binnen zehn bis 15 Jahren der Prototyp eines Regionaljets für 70 bis 90 Passagiere entwickeln, glaubt Botti.
Elektromotoren mit Supraleitung - Traum der Ingenieure
Ein noch radikaleres Konzept hat das vom Bayerischen Wirtschaftsministerium gemeinsam mit der Industrie initiierte Institut „Bauhaus Luftfahrt“ präsentiert. Der „Ce-Liner“ könnte je nach Version 140 bis 233 Passagiere mit rund 800 km/h in bis zu zehn Kilometern Flughöhe emissionsfrei über eine Distanz von mehr als 1600 Kilometer transportieren. Zwei Höchsttemperatur-supraleitende Elektromotoren würden dabei zwei Triebwerke antreiben. Das hohe Batteriegewicht soll durch einen C-förmigen Tragflügel mit hoher aerodynamischer Effizienz ausgeglichen werden.
Um 2035 könnte die Maschine fliegen, behaupten die Entwickler. Das erscheint allerdings unrealistisch. Selbst wenn die dazu benötigen Akkus mit der acht- bis zehnfachen Leistung heutiger Batterietechnik bis dahin verfügbar wären, würden sie bis zu 16 Container im Frachtraum der Maschine füllen und keinen Platz mehr für das Gepäck der Reisenden lassen. „Auf Langstrecken werden Elektroflugzeuge auf absehbare Zeit nicht mit konventionellen Maschinen konkurrieren können“, sagt der DLR-Forscher Kallo. „Visionäre Gedankenspiele“ würden „weit über das hinausgehen, was wir derzeit technisch realisieren können“.
Auf kürzeren Distanzen könnte der Wechsel gelingen, glaubt Kallo und erinnert an die Zeitersparnis. „Vom Bodensee bis in die Landeshauptstadt Stuttgart braucht man mit dem Auto oder der Bahn gut zwei Stunden, während die Flugzeit nicht mal eine halbe Stunde beträgt.“ Gerade für diese kürzeren Strecken seien elektrische Antriebe gut geeignet, weil sie lärm- und emissionsarm sind und aufgrund ihres hohen Drehmoments die Flieger auch auf sehr kurzen Bahnen starten und landen können. Laut Kallo gibt es in Deutschland viele Flughäfen, die dafür infrage kommen.