Luftfahrt: Leichter E-Motor mit Rekord-Leistung vorgestellt
MIT-Forscher stellen einen elektrischen Flugmotor vor, der ein Megawatt leistet, aber nur 57 Kilogramm wiegt. So kommen neue Flugzeugkonzepte in Reichweite.
Flugzeuge mit hybriden Antriebssystemen, wie etwa von Airbus ZEROe, sind auf leistungsstarke E-Motoren angewiesen.
(Bild: @Airbus SAS 2023)
Zu schwere Batterien gelten als größtes Hindernis für die elektrische Luftfahrt. Zu schwere E-Motoren sind allerdings ebenfalls ein Problem. Forscher des MIT haben nun einen vergleichsweise leichten und leistungsstarken Megawatt-Flugmotor entwickelt. Für große Passagierflugzeuge sind laut NASA-Studie Antriebe mit einer Leistungsdichte von mindestens 12 Kilowatt pro Kilogramm nötig, ähnlich wie aktuelle Gasturbinen. Ihr Aggregat bringe es auf 17 kW/kg, schreiben die Forscher in ihrem Paper.
Neuerungen beim Motorendesign
Für ihr neues Motorenkonzept haben die MIT-Forscher um Professor Zoltán Spakovszky mit einer ganzen Reihe von Konventionen aufgeräumt. Das beginnt schon mit dem grundlegenden Design: Der Rotor sitzt außen statt innen. Weiter geht es mit dem Material: Der Rotor besteht aus einem Titanzylinder, der innen mit einem sogenannten "Halbach-Array" aus Permanentmagneten bestückt ist. Normalerweise kommt in einem Rotor Stahl zum Einsatz, um das Magnetfeld zu formen. Den gleichen Effekt erreichte das Forschungsteam nun durch das "sorgfältige Arrangement der Magnete in verschiedenen Ausrichtungen", schreibt IEEE Spectrum. Das erlaube es ihnen, Stahl durch das viel leichtere Titan zu ersetzen.
Der Stator ist eine Stahltrommel, aus der T-förmige Zähne herausragen, die dicht mit Kupferdrähten umwickelt sind. Die entscheidende Neuerung betrifft hier die Kühlung. Bei voller Leistung handelt es sich immerhin um eine Abwärme von 50 kW, die abgeführt werden müsse, sagte Spakovszky gegenüber IEEE Spectrum. Das entspricht mehr als 30 großen Raclette-Grills.
Die Kühlkörper befinden sich im Inneren des Stators. Sie bestehen aus 3D-gedruckten Aluminium-Waben mit vielen kleinen Luftkanälen. Durch ihre komplexe Geometrie und ihre große Oberfläche erreiche dieses passive luftgekühlte System eine fast so große Kühlleistung wie ein flüssigkeitsgekühltes – bei deutlich niedrigerem Gewicht.
Zuletzt kommt noch eine ebenfalls in den Stator integrierte Leistungselektronik hinzu, die eine extrem hohe Wechselstrom-Frequenz erzeugt und damit Drehzahlen von bis zu 12.500 Umdrehungen pro Minute ermöglicht.
Arbeiten an Megawatt-Motoren
Die wichtigsten elektrischen Komponenten haben die MIT-Forscher nach eigenen Angaben bereits hergestellt. Zusammengebaut soll der Motor gut 57 Kilogramm wiegen. Sind die ersten beiden Prototypen fertig, sollen sie auf einer gemeinsamen Welle gegeneinander arbeiten – einer als Motor, der andere als Generator.
Auch andere Forschungsgruppen arbeiten an Megawatt-Motoren. Kiruba Haran, Professor für Elektrotechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign, sagte gegenüber IEEE Spectrum, dass solche Antriebe schon relativ bald einen Einfluss auf die Luftfahrt haben werden, auch wenn die Batterietechnik noch nicht so weit sei. Schließlich gebe es noch andere Stromquellen: Wasserstoff- oder Ammoniakbrennstoffzellen etwa oder Hybrid-Systeme mit konventionellen Gasturbinen als Generatoren. Für all diese Konzepte braucht es ebenfalls kompakte und leistungsstarke E-Motoren. Zudem lassen sich diese nicht nur in den klassischen Triebwerksgondeln unter den Tragflächen anbringen, sondern über die ganzen Flächen und den ganzen Rumpf verteilt, ergänzt Spakovszky. Das eröffnet neue Möglichkeiten im Flugzeugdesign.
(grh)