Mit Volldampf in die Höhe

Mach mal Dampf! Dieser Aufforderung sind Wissenschaftler der Technischen Universität Berlin nicht nur im wahrsten Sinne des Wortes nachgekommen, sie sind damit auch in die Luft gegangen. Heute hob in Berlin der laut seinen Erbauern erste frei fliegende Dampfballon der Welt ab. Es ist zwar zunächst nur ein unbemannter Prototyp mit einem Durchmesser von 2,35 Metern, der von sieben Kubikmetern Dampf getragen wird. Doch er vereint innovative Werkstoffe, ein neuartiges Brennersystem sowie intelligente Sicherheits- und Regelungsysteme. Er könnte der Auftakt zu größeren, Lasten oder Passagiere tragenden Wasserdampfballons sein.

Entworfen und gebaut wurde der Dampfballon mit dem sperrigen Namen HeiDAS UH von Ingenieuren des Berliner Instituts für Luft- und Raumfahrt unter der Leitung von Professor Jürgen Thorbeck. Die Abkürzung HeiDAS steht für „HeißDampfAeroStat“, UH bedeutet „ultraheiß“. Die Ingenieure entwickelten den Prototyp für die Leichter-als-Luft-Fahrt mit Hilfe von Projektmitteln der Festo AG aus Stuttgart.

Wasserdampf als Auftriebsgas ist keineswegs eine neue Idee. Bereits im Jahr 1816 schlug Sir George Cayley die Verwendung von Wasserdampf als Traggas und für den Antrieb von Luftschiffen vor. Doch die Umsetzung scheiterte lange Zeit daran, dass kein Material dem Dampf standhalten konnte, der eines der korrosivsten Gase ist. Zudem stellt das Kondenswasser ein Problem dar, denn wenn der Dampf nicht ständig heiß gehalten wird, schlägt er sich beim Abkühlen an der Ballonhülle nieder.

Gasförmiges Wasser hat aber drei Vorteile: Es ist leichter als Luft, nicht brennbar und vergleichsweise günstig. „Wenn Sie uns das Helium umsonst geben, füllen wir den Ballon mit Helium“, scherzt Alexander Bormann, der als Ingenieur am Institut für Luft- und Raumfahrt den Ballon mitentwickelt hat. Helium hat den Vorteil, dass es einen viermal so hohen Auftrieb wie Heißluft erzeugt. Doch das Edelgas ist ein begrenzter Rohstoff und deshalb teuer. Heißluft als Traggas wäre zwar billig, hätte aber bei gleichem Volumen eine viel niedrigere Tragkraft als Helium.

Daher entschieden sich die Wissenschaftler der TU Berlin für Dampf. Bei 150 Grad Celsius erzielt dieser immerhin 75 Prozent des Auftriebs von Helium und überflügelt dabei den Auftrieb von Heißluft um fast das Doppelte. Die Forscher hatten das Konzept bereits vor drei Jahren ausgearbeitet, fanden aber zunächst auch kein geeignetes Hüll- und Isoliermaterial, das dem Dampf standhält.

Fündig wurden sie schließlich in der Raumfahrtforschung bei den Polyimid-Werkstoffen. Polyimid, ein halbtransparentes Thermoplast, ist einer der wenigen Hochleistungskunststoffe, der nicht brennt und bis zu 500 Grad Celsius aushält. Doch neben dem Hüllmaterial mußte auch noch ein Klebstoff gefunden werden, der es ebenfalls heiß mag.

Als das geschafft war, kam die Isolierung der Hülle an die Reihe. Sie umgibt den Ballon wie eine Jacke und soll verhindern, dass er zu viel Wärme abstrahlt. Als geeignet erwies sich ein von der TU Dresden entwickelter dreilagiger, extrem leichter Super-Isolations-Flock-Dämmstoff (SIFD). Die Schichten werden von Faserbüscheln auf Abstand gehalten, die Luft dazwischen fungiert als Isolator. Die äußerste Schicht muss reflektierend sein, also einen niedrigen Emissionsgrad haben, damit so wenig Wärme wie möglich abgestrahlt wird. Daran tüfteln die Entwickler noch und wollen demnächst reflektierende Gewebe testen, wie sie teilweise schon bei modernen Segeln schon eingesetzt werden.

Die Isolierung umgibt den dampfgefüllten Ballon aber nicht vollständig. Sie umkleidet unterhalb der Hülle noch einen mit Heißluft gefüllten, kegelförmigen Raum. Dieser wird vom Brenner beheizt und hält seinerseits den Dampft im Ballon auf einer Temperatur von etwa 150°C. An der Flamme des Brenners kann es schon mal 260 bis 300°C heiß werden, aber auch das halten die neuen Materialien aus.

Für den Dampfballon wurde auch ein neues Brennersystem entwickelt. Während bei Heißluftballons eine so genannte Kerzenflamme möglichst weit in den Ballon hineinfeuert, ist beim Dampfballon nur eine kleine Flamme erwünscht. Deshalb kommt beim HeiDAS-System eine so genannte drallstabilisierte Flamme zum Einsatz. Sie entsteht, wenn das als Brennmaterial verwandte flüssige Propan beim Austritt aus der Brennerdüse vergast und dabei in Rotation versetzt wird.

Über die Temperatur im Heißluftkegel läßt sich beim Flug die Höhe einstellen. Je mehr gefeuert wird, desto höher steigt der Ballon wegen des heißer werdenden Wasserdampfes. „Das ist mit einem Tempomat beim Auto vergleichbar“, schmunzelt Bormann, „man könnte es analog dazu Altomat nennen.“ Da der Dampfballon unbemannt ist, wurde der HeiDAS-Prototyp bei seinem Jungfernflug durch einen Autopiloten gesteuert. Gefüttert wird er dazu mit Daten der Flughöhe, der vertikalen Bewegungsrichtung und der vertikalen Beschleunigung.

Je höher das Flugobjekt allerdings steigt, desto stärker nimmt die Dichte der umgebenden Luft ab. Ohne Gegenregulation würde sich der Ballon dadurch aufblähen und schließlich platzen. Damit das nicht geschieht, haben die Konstrukteure ein sich automatisch öffnendes Überdruckventil vorgesehen. Dieses Sicherheitssystem kann aber auch das Feuern des Brenners abschalten, wenn der Dampf im Ballon zu heiß zu werden droht.

Das Ballonmodell dient einstweilen der Bestätigung des vor drei Jahren ausgearbeiteten Systems. Bewährt es sich, wäre der Weg für die Entwicklung größerer Exemplare frei. (nbo)