High-Tech-Firmen gehen in die Luft

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Der Flug mit der Kennung HBAL418 schlägt Haken: ein Kringel über dem US-Bundesstaat Nevada, dann wildes Zickzack an der Grenze zu Idaho, schließlich abruptes Absacken über den Rocky Mountains. Aber kaum einer nimmt davon Notiz. Die bizarren Flugmanöver spielen sich zwischen 65000 und 51000 Fuß Höhe ab. Das sind umgerechnet 19,8 bis 15,5 Kilometer, weit höher als alle Passagierjets und außer Sichtweite für das menschliche Auge.

Aus den Augen, aus dem Sinn? Keine Reaktion könnte bei diesen Flugmanövern unpassender sein. HBAL418 transportiert keine Passagiere. Das ungewöhnliche Flugobjekt ist vielmehr ein Ballon, auf den Weg geschickt vom Internetkonzern Google. Tage-, wochen-, vielleicht sogar monatelang soll er in der Stratosphäre unterwegs sein, hoch über den Wolken, dem Wetter, dem störenden Flugverkehr. Und er ist dabei nicht allein.

Auch Facebook, Airbus und Boeing haben die bislang ungenutzten Luftschichten als Ziel entdeckt. Mit Ballons und solarbetriebenen Drohnen wollen sie aus 20 Kilometern Höhe die Menschheit mit Internet versorgen. Sie wollen Luftbilder machen, Grenzen kontrollieren, Pipelines und Getreidefelder überwachen, Katastrophenhilfe koordinieren, dem Militär einen strategischen Vorteil verschaffen. Der Kampf um die Stratosphäre und das damit verbundene Geschäft ist in vollem Gange.

Die Erwartungen sind groß. Die Ballons und Drohnen sollen eine neue Ära begründen – die Ära der Stratosphäre. Vorbild ist der Satellit Sputnik, der einst das Weltraumzeitalter eingeläutet hat: Vor fast 60 Jahren, als der sowjetische Piepmatz startete, war er ein Sonderling. Heute umkreisen 1300 aktive Satelliten die Erde. Sie haben die globale Kommunikation, Navigation und Überwachung revolutioniert.

Ihr Einsatz ist allerdings noch immer teuer und unflexibel. Um eine Tonne Nutzlast in einen niedrigen Erdorbit zu wuchten, verlangen Raketenbetreiber mindestens 2,5 Millionen Euro. Soll ein Satellit 35800 Kilometer Höhe erreichen, damit er über demselben Punkt am Äquator verharren kann, steigt der Preis auf 6,5 Millionen Euro pro Tonne. Ein typischer TV-Satellit kommt schon mal auf fünf Tonnen Gewicht. Hinzu kommen die Baukosten: Ein einfacher TV-Satellit schlägt mit mehr als 300 Millionen Euro zu Buche. Einmal gestartet, sind Kameras, Sendeanlagen und Antennen zudem außer Reichweite. Sie können weder repariert noch aufgerüstet werden.

Drohnen und Ballons lassen sich hingegen günstig produzieren. Sie brauchen zum Start keine teuren und energiefressenden Raketen. Ein paar Menschen oder eine kurze Startbahn reichen. Im Falle eines Defekts oder einer verbesserten Version der Nutzlast können sie einfach ein Zielgebiet oder den nächsten Flugplatz ansteuern. Reparieren, aufrüsten – und weiter geht's.

Wenn nicht nachgebessert werden muss, sollen die Drohnen monatelang in der Luft bleiben und die Welt von oben beobachten. Verglichen mit Satelliten, die in einer Höhe zwischen 500 und 36000 Kilometern über dem Erdboden ihre Runden drehen, sind die Stratosphärenspäher viel näher dran am Geschehen. Das erlaubt höhere Datenübertragungsraten und schärfere, günstigere Bilder. Während Satellitenaufnahmen etwa 35 Dollar pro Quadratmeter kosten, rechnen Experten beim Unternehmen Titan Aerospace bei Bildern aus der Stratosphäre mit fünf Dollar für dieselbe Fläche. Um das Wetter oder um den Flugverkehr müssen sich die atmosphärischen Satelliten, wie die hochfliegenden Drohnen und Ballons auch genannt werden, trotzdem nicht kümmern. Sie stehen – oder fliegen – buchstäblich über solchen Dingen.

An sich ist die Idee nicht neu. Bereits in den 1990er-Jahren experimentierte die US-Raumfahrtbehörde Nasa mit Drohnen für die Stratosphäre. "Helios", im Prinzip eine große, mit 62000 Solarzellen gepflasterte Tragfläche, erreichte 2001 eine Weltrekordhöhe von 96863 Fuß (gut 29,5 Kilometer). Angetrieben von 14 elektrischen Propellern, konnte der 75 Meter große Flügel einen Tag lang in der Luft verharren. Das Gefährt aus Kohlefaser, Kevlar und Styropor war aber weder effizient noch stabil. Turbulenzen brachten es 2003 vor Hawaii aus dem Gleichgewicht. Solarzellen lösten sich, die Flügelkante kollabierte, Helios stürzte in den Pazifik. Der Traum vom schier endlosen Höhenflug war erst einmal vorbei – und mit ihm der Kampf um die Stratosphäre.

Nun aber beginnt er mit neuen Ideen und Technologien von Neuem. HBAL418 beispielsweise kennt die Helios-Probleme nicht. Googles Testballon ist bereits eine knappe Woche unterwegs. Seine Flugbahn kann jeder auf der Website Flightradar24 nachverfolgen. Wie dort zu sehen ist, hat HBAL418 inzwischen Fahrt aufgenommen und steuert mit 16 Knoten (knapp 30 Kilometer pro Stunde) auf den Yellowstone-Nationalpark zu. 56000 Fuß zeigt der Höhenmesser.

Seit fünf Jahren forscht der Internetkonzern an Stratosphärenballons. Das Projekt heißt "Loon", wie die Kurzform des englischen Worts "Balloon", aber auch wie der angelsächsische Begriff für Bekloppte. Am Erdboden, wenn Helium langsam in den Plastiksack strömt, wirken die Ballons wie große wabernde Quallen. Erst in 20 Kilometern Höhe, wo der Luftdruck nicht einmal ein Zehntel des Wertes am Erdboden erreicht, wachsen sie auf ihre kürbisrunde, zwölf Meter hohe Form heran.

Mithilfe automatischer "Startmaschinen" kann Google die Ballons mit nur vier Leuten innerhalb von 20 Minuten in die Luft bringen. Die fahrbaren Spezialkräne, die an drei Seiten verkleidet sind, heben den Ballon aus der Verpackung und lassen automatisch Gas ein. Dabei muss der Kran so gedreht werden, dass keine plötzliche Windböe etwa die Nutzlast gegen das Gerüst schlägt oder die Hülle einreist. Außerdem darf nur so viel Helium eingefüllt werden, dass der Ballon zwar abhebt, aber in 20000 Metern Höhe nicht platzt.

Erstmals erfolgreich getestet wurde das Projekt im Juni 2013. Inzwischen sind Ballons regelmäßig zu Testzwecken unterwegs, vor allem auf der Südhalbkugel, immer öfter aber auch – wie HBAL418 – über den USA. Mehr als 17 Millionen Kilometer sollen die Fluggeräte seit dem Start des Loon-Projekts bereits zurückgelegt haben; der Rekordhalter schaffte es dabei laut Google neunmal um die Erde. Noch in diesem Jahr soll in Indonesien ein Versuchsprojekt zum Internet aus der Stratosphäre starten.

Eine Fläche mit einem Durchmesser von etwa 80 Kilometern können die Ballons – genauso wie Drohnen – am Boden abdecken. Die Kommunikation übernimmt dabei eine zehn Kilogramm schwere Box, die unter dem Ballon baumelt. Das geschieht zum Beispiel mit Lasern. Die Übertragung ist wahrlich nicht einfach. "Es ist", schreibt Google im Firmenblog, "als müsse man eine Coladose treffen, die in 20 Kilometern Höhe hängt und im Wind schaukelt."

Um Sender und Empfänger exakt auszurichten, benutzt Google zwei Laser – einen zum Zielen und einen, um die Daten zu übertragen. Bei einem Test in Nevada gelang ihnen so eine Datenübertragung mit 155 Megabit pro Sekunde über rund 100 Kilometer – allerdings müssen die Aufhängungen für die Laser dabei beständig nachkorrigiert werden. Ein bisschen weniger aufwendig wäre die Datenübertragung mit Mikrowellen, an der Google ebenfalls forscht. Phasenverschiebungsantennen bündeln diese Wellen dabei auf ein Zehntel Grad.

Offiziell haben die Heliumblasen nur eine Aufgabe: Als fliegende Funkmasten sollen sie drahtloses Internet in Regionen bringen, die bislang nicht mit herkömmlicher Infrastruktur erschlossen werden konnten. Etwa 4,3 Milliarden Menschen haben die Google-Strategen als mögliche Kunden ausgemacht (TR 8/2014). Ein Blick auf das Portfolio des Internetkonzerns eröffnet jedoch weitere Einsatzgebiete. Aus 20 Kilometern Höhe lassen sich deutlich schärfere und aktuellere Luftaufnahmen machen. Aktuelle Wetterbilder sind genauso denkbar wie verbesserte Informationen zur Verkehrslage.

Firmen wie Orbital Insight haben sogar angefangen, Rückschlüsse auf wirtschaftliche Kennzahlen zu ziehen. Selbstlernende Algorithmen erkennen beispielsweise, wie viele Autos im Laufe eines Monats auf den Parkplätzen von Modehäusern stehen, und ermitteln daraus mögliche Umsätze – lange bevor die Geschäftsergebnisse offiziell bekannt gegeben werden. Für Konkurrenten wären die frühen Informationen Gold wert. Andere Programme sollen die Länge der Schatten chinesischer Gebäude über einen größeren Zeitraum registrieren und daraus Rückschlüsse auf die Bautätigkeit ziehen. Noch greift Orbital Insight dafür auf Satellitenaufnahmen zurück. Aber schnell verfügbare, hoch aufgelöste Bilder aus der Stratosphäre würden noch zuverlässigere Analysen erlauben.

Die Hoffnungen auf einen neuen Datenmarkt jedenfalls sind groß genug, um neben Google weitere Interessenten anzulocken. Sowohl Facebook als auch Boeing und Airbus entwickeln eigene Augen für den Himmel. Auch das Team hinter der Solar Impulse 2 scheint in diese Richtung zu denken. Mit seinem bemannten Solarflugzeug vollendete es bei Druckschluss dieses Magazins die vorletzte Etappe seiner Weltumrundung. Für die Zeit danach hatte Pilot André Borschberg bereits vergangenen Dezember angekündigt: "Wir können ein unbemanntes Flugzeug mit der Sonne als einziger Energiequelle bauen, das sechs Monate ununterbrochen in der Luft bleibt."

Und auch ein Start-up will mitmischen. Das US-Unternehmen World View wollte ursprünglich Touristen zu einem Abstecher in die Stratosphäre verhelfen. Nun hat sich der Fokus geändert: World Views Stratollite-System (ein Kunstwort aus "Stratosphäre" und dem englischen "Satellite") soll Anwendungen wie Erdbeobachtung, Kommunikation oder Meteorologie aus 30 Kilometern Höhe erlauben. "Wie ein Eiswürfel auf dem Wasser werden wir auf der Atmosphäre schwimmen und Wochen, Monate, vielleicht sogar Jahre über einem Gebiet verharren", verspricht World-View-Chefin Jane Poynter bei der NewSpace-Konferenz Mitte Juni in Seattle. Ende des Jahres könnten die ersten Flüge starten.

Ob Ballons jedoch wirklich die beste Methode dafür sind, muss sich erst noch zeigen. Sie lassen sich durch Variationen der Flughöhe zwar prinzipiell steuern. Aber die Reaktion ist sehr träge. Drohnen mit eigenem Antrieb hingegen sind deutlich agiler. Die unbemannten Flugobjekte können in der Stratosphäre etwa 250 Kilometer pro Stunde erreichen und auf Knopfdruck sowie auf direktem Weg neue Ziele ansteuern. Über seine Tochter Titan Aerospace entwickelt Google daher auch eine Solardrohne. "Solara 50" ist ein äußerst filigraner Motorsegler mit einem riesigen Propeller. Unglaublich scheinende fünf Jahre soll er in der Luft bleiben.

Konkurrent Facebook will seinem Gegenspieler das Feld allerdings nicht allein überlassen. Der Wettstreit der beiden hat bereits zur ersten Übernahmeschlacht geführt: Beide Internetgrößen lieferten sich 2014 einen Bieterkampf um die US-Drohnenfirma Titan Aerospace. Angeblich ging es um 60 Millionen Dollar. Google gewann. Facebook kaufte stattdessen für 20 Millionen Dollar die britische Firma Ascenta. Nun arbeitet der Internetgigant an einer Drohne namens Aquila. Erste Bilder zeigen einen dünnen, schlanken Bumerang mit vier Elektropropellern und einer Spannweite, die einen Airbus A320 in den Schatten stellt. "Solche Fluggeräte erlauben uns nicht nur, keine Gräben für Internetkabel ausheben zu müssen, wir können die Technik auch jederzeit und je nach Bedarf aktualisieren", schreibt Aquila-Chefentwickler Yael Maguire im Firmenblog.

Bereits für Oktober vergangenen Jahres war ein erster Testflug geplant. Zuletzt musste er immer wieder verschoben werden. Googles Solara hat zwar bereits erste Testflüge hinter sich, aber glatt liefen sie bei Weitem nicht immer: In New Mexico erwischte Solara im Mai 2015 einen starken Aufwind, beschleunigte ungeplant und brach über einem privaten Flugfeld auseinander. "Wir gehen ein hohes technisches Risiko ein und müssen Batterie-, Solarzellen-, Kohlefasertechnologie an ihre Grenzen bringen", gibt daher Facebook-Manager Maguire zu.

Dennoch ist es wahrscheinlich, dass die Idee irgendwann abhebt. Die besten Hinweise darauf liefern allerdings weder Google noch Facebook – sondern die alten Größen der Luftfahrtbranche: Airbus und Boeing. Die Drohne Zephyr von Airbus Defence and Space absolvierte bereits 2008 ihren Jungfernflug. Inzwischen gehört sie, gemeinsam mit Googles Ballonprojekt, zu den am weitesten fortgeschrittenen Stratosphärenspähern – auch wenn Airbus den Begriff "hochfliegender Pseudo-Satellit" bevorzugt. Zephyr ist zudem Rekordhalter unter den solarbetriebenen Drohnen: 2010 war das unbemannte Fluggerät 14 Tage, 22 Minuten und acht Sekunden ununterbrochen unterwegs. Es erreichte dabei eine Höhe von 70740 Fuß (21562 Meter).

Möglich macht das eine unkonventionelle Flügelform. Während bei Passagierjets die Flügelspitzen oft steil nach oben ragen, fallen sie beim Zephyr leicht ab – wie bei einem Adler, der seine Schwingen ausbreitet. Angesichts der niedrigen Geschwindigkeiten, mit denen die Drohne unterwegs ist, soll das den Auftrieb um 15 Prozent vergrößern. Die Oberseiten der Flügel und des Leitwerks sind zudem mit leichten, flexiblen Solarzellen überzogen. Jeder Quadratmeter erzeugt eine Leistung von 250 Watt und wiegt weniger als 250 Gramm. Am Tag speist der Solarstrom die beiden Propeller sowie einen Lithium-Schwefel-Akku. In der Nacht übernimmt die Batterie.

Hilfreich ist auch das Gewicht: Die filigrane Carbonstruktur des aktuellen Modells, "Zephyr S" genannt, wiegt lediglich 60 Kilogramm bei einer Spannweite von 25 Metern. Nach Testflügen in Europa, Australien und den USA steht inzwischen der erste Kunde fest. Das britische Verteidigungsministerium hat Anfang des Jahres für geschätzte zehn Millionen Pfund zwei Zephyr-S-Modelle geordert – vermutlich zur Aufklärung. Airbus betont jedoch, dass die Drohne auch zivil eingesetzt werden könnte. An Bord sei unter anderem Platz für eine optische Kamera mit einer Auflösung von 15 Zentimetern am Erdboden, eine Infrarotvideokamera, Radaranlagen oder Internetsender. Insgesamt kann Zephyr S etwa fünf Kilogramm Nutzlast mitschleppen.

Das Nachfolgemodell "Zephyr T" mit 33 Metern Spannweite soll sogar 20 Kilogramm einpacken können und hätte zudem Platz für weitere Batterien. Auch ohne zusätzlichen Strom haben es die Airbus-Ingenieure zuletzt geschafft, sogar im Winter elf Tage lang ununterbrochen unterwegs zu sein. Besonders in höheren Breiten sind die Tage dann sehr kurz, und die Sonne trifft in einem flachen, ungünstigen Winkel auf die Solarzellen. Es war ein wichtiger Test, denn die Versorgung mit Energie ist nach wie vor einer der heikelsten Punkte des Drohnenkonzepts.

Bemannte Solarflieger wie Solar Impulse greifen zu einem Trick, um Energie zu sparen: Nachts gehen sie in einen langsamen Sinkflug über. Bei Drohnen ist dieser Sinkflug aber nur begrenzt möglich: In vielen Ländern reicht der kontrollierte Luftraum bis in 60000 Fuß Höhe, in Deutschland sogar bis 66000 Fuß. Sinken unbemannte Fluggeräte unter diese Höhe ab, unterliegen sie der Kontrolle der Flugaufsicht und einer rechtlichen Regulierung. Sie aber existiert für Drohnen vielerorts noch nicht. Facebook will das Problem lösen, indem sein Solarflieger sich in entsprechend großer Höhe aufhält. Aquila soll tagsüber in 90000 Fuß fliegen, um nachts auf bis zu 60000 Fuß absinken zu können.

Noch besser wäre jedoch, die Fluggeräte mit genügend viel Energie zu versorgen. Von Boeing kommt daher eine andere Idee. Der US-Flugzeugbauer hat Anfang des Jahres einen Patentantrag veröffentlicht, der eine große Tragfläche mit zehn Propellern und steil aufragenden Flügelspitzen zeigt. Ihre Länge kann, so heißt es in der Patentschrift, ein Drittel der Spannweite erreichen. Vor allem aber sind die senkrechten Spitzen an der Seite mit Solarzellen beschichtet. Sie sollen auch die Energie einer tief stehenden Sonne optimal einfangen.

Googles Testballon HBAL418 hat derweil den Rückwärtsgang eingelegt. Er schlägt wieder Haken. Schließlich verharrt er tagelang über einem verlassenen Örtchen namens Golden – ein Überbleibsel des Goldrausches aus dem 19. Jahrhundert. Wird er erneut auf eine Goldader stoßen – nur diesmal nicht unter der Erde, sondern 60000 Fuß darüber? (bsc)