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Die elektrische Fortbewegung hat den Himmel erreicht. Erste batteriebetriebene Flugzeuge haben bereits abgehoben, weitere stehen am Start - trotz schwerer Akkus und geringer Reichweite.

Die elektrische Fortbewegung hat den Himmel erreicht. Erste batteriebetriebene Flugzeuge haben bereits abgehoben, weitere stehen am Start – trotz schwerer Akkus und geringer Reichweite.

Ein Liter Benzin für hundert Kilometer – bei Autos ist das eine magische Marke, die nur mit großem technischen Aufwand zu erreichen ist. Doch demnächst sollen sogar Flugzeuge diese Spritspar-Schallmauer durchbrechen: Die amerikanische Weltraumbehörde Nasa und die Cafe-Stiftung (Comparative Aircraft Flight Efficiency) haben mit der "Green Flight Challenge" einen Wettbewerb um das sparsamste Fluggerät ausgerufen. Im Juli 2011 kämpfen Öko-Flieger aus aller Welt im kalifornischen Santa Rosa um 1,5 Millionen Dollar Preisgeld. Die Teilnehmer müssen mindestens 320 Kilometer weit mit einer Mindestgeschwindigkeit von 160 km/h fliegen und dürfen dabei maximal einen Liter Kraftstoff (beziehungsweise 33,7 Kilowattstunden Strom) auf hundert Kilometern verbrauchen.

Der im Allgäu lebende Ingenieur Calin Gologan hat die erste Hürde zum Preisgeld schon genommen. Sein einsitziges Propellerflugzeug "Elektra One" wurde als eine von bisher acht Maschinen zur Green Flight Challenge zugelassen. Gologan und drei weitere Wettbewerber setzen dabei auf einen elektrischen Antrieb. Das ist gleichermaßen naheliegend wie erstaunlich. Naheliegend, weil Elektromotoren weitaus effizienter arbeiten als Verbrennungsmaschinen. Erstaunlich, weil das hohe Gewicht der Akkus, das schon Elektroautos zu schaffen macht, in der Fliegerei noch viel stärker zu Buche schlägt.

Doch mit seiner Strom-Vision ist Gologan nicht allein. Keine große Flugschau kommt mehr am Thema Elektrofliegerei vorbei. Bei der AirVenture im amerikanischen Oshkosh, der größten Luftfahrtveranstaltung der Welt, waren die Stromer der Lüfte in diesem Jahr gar das Generalthema. Getragen wird die E-Szene nicht nur von Kleinunternehmern wie Gologan, auch Luftfahrtkonzerne wie EADS arbeiten an ihren eigenen Elektro-Konzepten. Entsprechend vielfältig sind auch die technischen Ansätze – vor allem bei der Frage, woher der Strom für den E-Motor kommen soll. Neben Batterien wie bei Gologans Elektra One kommen auch Solarzellen, Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren infrage. Prominentester Elektroflieger ist der Schweizer Abenteurer und Psychiater Bertrand Piccard, Mitinitiator des "Solar-Impulse"-Projekts. Sein Solarflugzeug "HB-SIA" soll 2012 allein mit Sonnenkraft die Welt umrunden.

Dazu wurden die gesamten 64 Meter langen Tragflächen mit den besten Solarzellen ausgelegt, die der Markt hergibt. Tags-über sollen sie so viel Strom produzieren, dass der Überschuss in Akkus gespeist werden und das Flugzeug durch die Nacht bringen kann. Im Juli gelang es Pilot André Borschberg mit einem Prototyp der HB-SIA zu zeigen, dass der Plan grundsätzlich funktioniert: Er hielt die Maschine 26 Stunden in der Luft. Doch trotz solcher Erfolge dürfte photovoltaisches Fliegen vorläufig in der Exoten-Nische bleiben. "Solarantriebe werden für die Personenbeförderung absolut unbedeutend sein, sondern eher für Beobachtungsaufgaben in großen Höhen eine Rolle spielen", meint Rudolf Voit-Nitschmann, Direktor des Instituts für Flugzeugbau der Uni Stuttgart sowie Geschäftsführer der Steinbeis Flugzeug- und Leichtbau GmbH. Eine Einschätzung, die umso beachtlicher ist, da unter Voit-Nitschmanns Ägide bereits 1996 das Solarflugzeug Icaré gebaut worden ist, das heute noch fliegt.

Das größte Problem bei der Solarfliegerei: Die Zellen erreichen nicht die Oberflächengüte einer Tragfläche, worunter die Aerodynamik leidet. Optimierte Lösungen sind extrem teuer. Calin Gologan setzt bei seiner Elektra One deshalb zunächst ausschließlich auf Strom aus der Batterie. Später, wenn das Gerät in Serie geht, will er auch eine Version mit auflaminierten Solarzellen anbieten, deren Strom die Akkus unterstützen soll.

Die Eckdaten für die Elektra One klingen beeindruckend: 400 Kilometer Reichweite bei einer Reisegeschwindigkeit von 160 km/h – Werte, von denen E-Autobauer nur träumen können. Wie ist das möglich? "Mit findigem Leichtbau und geschliffener Aerodynamik", antwortet Gologan. Der 16-kW-Elektromotor wiegt keine fünf Kilogramm, das gesamte Flugzeug bringt mit seinen zwölf Metern Spannweite ohne Akkus gerade einmal 90 Kilo auf die Waage – Glas- und Kohlefaserkunststoff sei Dank. Den eleganten Rumpf hat Gologan mit mathematischen Formeln und einer CAD-Software so windschlüpfrig designt, dass die Maschine im langsamen Reiseflug nur fünf Kilowatt verbraucht.

Bei der Frage nach den Akkus wird der Entwickler allerdings wortkarg. Nur so viel lässt er sich entlocken: In der Wettbewerbsvariante sind 150 Kilogramm schwere Lithium-Polymer-Batterien des südkoreanischen Herstellers Kokam an Bord, mit einer Energiedichte von 200 Wattstunden pro Kilo. Mehr möchte er nicht verraten, "es geht schließlich um einen Wettbewerb". Doch der Ehrgeiz des gebürtigen Rumänen reicht weit über die Green Flight Challenge hinaus: Er will einen Flieger anbieten, der komplett emissionsfrei ist. Deshalb plant Gologan, die Elektra One künftig wahlweise im Paket mit einem Hangar zu verkaufen, auf dessen Dach Photovoltaik-Module mit einer Fläche von 20 Quadratmetern installiert sind. In Süddeutschland, hat Gologan errechnet, lässt sich damit Strom für rund 300 völlig emissionsfreie Flugstunden im Jahr in die Akkus speisen.

"An umweltfreundlichen Technologien führt auch in der Luftfahrt kein Weg mehr vorbei", ist Gologan überzeugt. "Das Thema bekommt zwar Schwung, doch es mangelt an der Industrialisierung der Ideen." Was der Entwickler, der sich selbst als "leidenschaftlichen Mathematiker" beschreibt, seit geraumer Zeit zu ändern versucht. Vor lauter Tüftelarbeit kam er zwar bisher noch nicht einmal dazu, selbst einen Pilotenschein zu machen, doch Flugzeuge begleiten ihn durch sein ganzes Berufsleben. Bei der Firma Grob Aerospace in Mindelheim war der 56-Jährige unter anderem für die Entwicklung und Zulassung von Flugzeugen zuständig, bis er sich vor zwei Jahren mit seiner eigenen Firma "PC Aero" selbstständig machte. Nun werkelt ein zehnköpfiges Entwicklungsteam für ihn an der Zukunft der Fliegerei.

Im kommenden Sommer soll zunächst eine Kleinserie mit einer Hand voll Exemplaren der Elektra One für rund 80000 Euro auf den Markt kommen, samt Solar-Hangar für 100000 Euro. Später sollen zwei- und viersitzige Modelle folgen, von denen jeweils 80 Stück pro Jahr in Ostdeutschland gefertigt werden. So zumindest der Plan. Der Jungfernflug steht noch aus – er soll in diesem Herbst stattfinden. Die Zulassung der Maschine beim Luftfahrtbundesamt, die Gologan für das kommende Frühjahr anvisiert hat, macht ihm keine großen Sorgen. Die Anforderungen an E-Flugzeuge in der Ultraleichtklasse, in der Einsitzer maximal 300 Kilogramm und Zweisitzer 450 Kilogramm wiegen dürfen, seien kaum anders als die für konventionelle Ultralights.

Kniffliger ist die Zulassung von Elektrofliegern hingegen in den größeren Flugzeugklassen. Dort muss unter anderem durch etliche Betriebsstunden nachgewiesen werden, dass der elektrische Antrieb sicher und zuverlässig funktioniert. Diese hohen Zulassungshürden sind ein Grund dafür, dass sich die leise Revolution der Fliegerei zunächst bei kleinen Maschinen abspielen wird – mitunter bei sehr, sehr kleinen. Ausgerechnet die Airbus-Muttergesellschaft EADS, die mit dem Airbus A380 das größte Verkehrsflugzeug der Welt im Programm hat, ist auch am anderen Ende der Größenskala aktiv – mit dem Mini-Maschinchen Cri-Cri. Nach EADS-Angaben ist der knubbelige Kleinstflieger das "weltweit erste elektrisch angetriebene, kunstflugfähige Flugzeug" und soll als fliegendes Testlabor dienen.

Der Einsitzer basiert auf einer benzinbetriebenen Ultraleichtmaschine aus den siebziger Jahren, bringt es auf nicht einmal fünf Meter Spannweite und sieht aus wie eine geflügelte Seifenkiste. In die beiden Triebwerksgondeln haben die EADS-Ingenieure je zwei Elektromotoren eingebaut, die gewissermaßen Rücken an Rücken arbeiten und gegenläufige Propeller antreiben. Bei einer Geschwindigkeit von 110 km/h soll die Cri-Cri mit einer Batterieladung eine halbe Stunde in der Luft bleiben können. Forschungsbedarf sehen die EADS-Entwickler vor allem im Energiemanagement.

Alle elektrischen Komponenten, vom Motor bis zu jeder einzelnen Lithium-Polymer-Batteriezelle, müssen permanent überwacht und gegebenenfalls gekühlt werden. In der Cri-Cri soll nun ein eigens entwickeltes Kontrollsystem erprobt werden, das sämtliche Daten in Echtzeit auswertet und den Piloten vor einer Überhitzung warnt. Der offizielle Erstflug fand am 2. September in Le Bourget statt. "Das Flugzeug fliegt sehr ruhig, viel sanfter als eines mit herkömmlichem Antrieb", sagte Didier Esteyne, Pilot der ersten vollelektrischen Cri-Cri. "Aber wir stehen noch ganz am Anfang und müssen noch viel lernen."

Weiter ist da bereits die Firma Yuneec International aus Shanghai, die auf der diesjährigen Luftfahrtmesse Aero im April in Friedrichshafen einen bemannten Zweisitzer mit 40 kW Leistung in den Himmel steigen ließ; laut Hersteller reichen die 83,5 Kilogramm schweren Lithium-Polymer-Akkus für maximal 200 Kilometer. Ende nächsten Jahres sollen die ersten Exemplare für 89000 Dollar ausgeliefert werden.

Die Beispiele zeigen: Vor allem bei Leistung und Reichweite stellt der Batterieantrieb noch keine ernste Konkurrenz zu Verbrennungsmotoren dar. Seine Stärken liegen woanders: Der Antrieb ist leise, vibrationsarm und nahezu wartungsfrei. Calin Gologan hat berechnet, dass ein handelsüblicher Viertakt-Flugmotor Kosten von rund 30 Euro pro Stunde für Abschreibung, Kraftstoff und Wartung verursacht. Beim Elektroflugzeug sind es nur 23 Euro, mit Strom aus der Steckdose. Zudem sind E-Motoren sicherer, weil sie das gewünschte Drehmoment bei jeder Temperatur, Luftdichte und Drehzahl zur Verfügung stellen.

Bei Motorseglern, deren Elektromotor nur für den Start und als Flautenschieber benutzt wird, werden bereits seit Jahren gute Erfahrungen mit dem E-Antrieb gemacht. Stefan Gehrmann, Chef der kleinen Aachener Technologieschmiede Air Energy, geht schon seit 1997 elektrisch in die Luft. Wenn der passionierte Flieger mit seiner fünfköpfigen Familie zum Jahresurlaub aufbricht, ist sein E-Flieger AE-1 stets im Anhänger des VW Bullis dabei. Die AE-1 ist ein abgespecktes und umgerüstetes Segelflugzeug, das als Ultralight zugelassen ist. Der 13-kW-Motor wird, wenn er nicht mehr gebraucht wird, eingeklappt und verschwindet hinter dem Cockpit. Um Gewicht zu sparen, schrumpfte Gehrmann die Spannweite von 15 auf 12 Meter. Für einen Start auf 600 Meter Höhe benötigt die nun noch 195 Kilo schwere Maschine nur 1,5 Kilowattstunden – "nicht mehr als ein Geschirrspüler für einen Durchlauf", wie der Entwickler bemerkt. Eine Ladung der Lithium-Akkus von Kokam reiche damit für drei Starts. Fünf Exemplare konnte Gehrmann bisher für je 55.000 Euro verkaufen.

Verglichen mit den zierlichen E-Flugzeugen wie AE-1 oder Cri-Cri ist die als Motorsegler zugelassene Antares 20E ein richtiger Brocken. Zwar zeigt auch sie die klassische schlanke Silhouette eines Segelflugzeugs mit hinter dem Cockpit angebrachtem Hilfsmotor, doch Dimensionen und Preis machen deutlich, dass sie in einer anderen Liga fliegt: 20 Meter Spannweite, 460 Kilo Leergewicht, 42-kW-Antrieb, 190000 Euro. Die Lithium-Ionen-Akkus des französischen Herstellers Saft geben genug Energie für 13 Minuten Volllast oder 190 Kilometer Streckenflug. In den letzten fünf Jahren hat sich die Antares 50-mal verkauft.

Nun steht ihr eine zweite Karriere neben der Sportfliegerei bevor: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat eine Antares zur fliegenden Testplattform für einen Brennstoffzellen-Antrieb umgebaut. Unter den Tragflächen sind dazu zwei torpedoförmige Gondeln angebracht. Die linke Gondel enthält die Brennstoffzellen, die rechte einen Wasserstofftank. Der Vorteil dieses Systems gegenüber Batterien: Mit einer Tankfüllung von fünf Kilo Wasserstoff fliegt die Antares rechnerisch 750 Kilometer weit; mit Akkus wären solche Reichweiten undenkbar.

Fünfmal hat das Forschungsflugzeug bereits abgehoben. Beim Erstflug über Hamburg vor einem Jahr saß Axel Lange, Chef von Lange Aviation, selbst am Steuerknüppel. Die befürchteten Schwierigkeiten mit dem Luftdruck auf 3000 Metern Höhe oder mangelnder Sauerstoffversorgung in feuchter Luft gab es dabei nicht. Inzwischen wurde das Antriebskonzept überarbeitet und zu einem sogenannten Direkthybrid weiterentwickelt. Dabei sind Brennstoffzellen und Batterien direkt miteinander verbunden und arbeiten auf einem gemeinsamen Spannungsniveau. Die Akkus unterstützen die Brennstoffzellen, wenn etwa beim Start die Maximalleistung gefragt ist. Auf diese Weise können die Brennstoffzellen kleiner ausgelegt werden, was Kosten und Gewicht spart.

Seit August ist das Nachfolgemodell Antares H3 in Arbeit, das eine Reichweite von 6000 Kilometern haben soll. Der Erstflug wurde für nächstes Jahr terminiert. Die H3 wird bei einer Spannweite von 23 Metern ein Abfluggewicht von 1,25 Tonnen haben. Die Gesamtbetriebskosten liegen laut DLR ein Drittel unter denen eines Flugzeugs mit Verbrennungsmotor. In gut zwei Jahren soll ein Vorserienmodell fertig sein, ab dann könnten rasch ein- und zweisitzige Maschinen für Sportflieger auf den Markt gebracht werden, sagt Josef Kallo, Antares-Projektleiter am Institut für Technische Thermodynamik des DLR in Stuttgart.

Zwei grundsätzliche Probleme bleiben allerdings bestehen, selbst wenn sich die Brennstoffzellen als praxistauglich erweisen sollten. Erstens: Da Wasserstoff in einem energieaufwendigen Prozess hergestellt werden muss, ist die Umweltbilanz solcher Systeme fragwürdig (siehe TR 4/2006). Und zweitens müsste erst eine Wasserstoff-Infrastruktur auf den Flugplätzen geschaffen werden, um die Elektroflieger wieder auftanken zu können. Kallo hält das für eine leicht angegraute Argumentation: Wasserstoff könne sehr umweltfreundlich direkt mit Sonnenenergie hergestellt werden, etwa wie beim EU-Projekt "Hydrosol" (siehe TR 11/2009). Die Infrastruktur stelle ebenfalls keine hohe Hürde dar, zumal viele große deutsche Flughäfen wie München, Hamburg, Stuttgart oder Frankfurt bereits Wasserstofftankstellen auf dem Gelände hätten.

Auch das Institut von Rudolf Voit-Nitschmann in Stuttgart arbeitet an einem Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeug namens Hydrogenius. Allerdings soll der Zweisitzer, als "eGenius" umdeklariert, zunächst mit Batterien abheben – und eventuell ebenfalls an der Green Flight Challenge teilnehmen. Das spiegelt den derzeitigen Entwicklungsstand im Rennen zwischen Akku und Brennstoffzelle wider: Der Brennstoffzelle mag die Zukunft gehören, doch die ist fern. Voit-Nitschmann rechnet damit, dass die Autoindustrie bei den Lithium-Polymer-Batterien in etwa fünf Jahren einen Durchbruch in Sachen Leistung, Gewicht und Zuverlässigkeit erreicht. "Dann können jetzige E-Flugzeugprototypen in Serie gehen", hofft der Forscher. Langfristig hält er auch viersitzige batteriebetriebene Flugzeuge für machbar.

Bei einem anderen Thema ist die Autoindustrie ebenfalls Schrittmacher für die Flugzeugbauer: dem Hybridantrieb. Auch die Luftfahrtbranche entdeckt die Vorzüge der Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor: "Der Hybridmotor erlaubt, wesentliche Erfahrungen zu sammeln, ohne zunächst einen weiteren signifikanten Entwicklungssprung in der Leistungsdichte der Batterien abwarten zu müssen", heißt es in einer Pressemitteilung der Firma Flight Design aus Echterdingen bei Stuttgart. Das Unternehmen kombiniert einen 84 kW starken Verbrennungsmotor mit einem 30-kW-Elektromotor. Der E-Motor sorgt dabei für Extraschub während Start- oder Steigflugphasen.

Alle nötigen Komponenten seien vorhanden, erprobt und bezahlbar, sagt Flight-Design-Technikchef Oliver Reinhardt. Mit dem Hybridantrieb sollen viersitzige Sportflieger ausgestattet werden – auch per Nachrüstung. Die Kosten des Umbaus: rund 27000 Euro. Erste Testflüge sind für das Jahresende geplant.

EADS entwickelt derweil einen dieselelektrischen Hybridantrieb für Hubschrauber. "Gestartet und gelandet wird rein elektrisch, womit dem städtischen Lärmproblem begegnet und die Flugsicher- heit erhöht wird", erklärt EADS-Sprecher Gregor von Kursell. Der Zwitterantrieb, der noch in der Forschungsphase steckt, soll zudem den Kraftstoffverbrauch halbieren.

Mit großen Verkehrsflugzeugen dürften Elektroantriebe auf absehbare Zeit jedoch überfordert sein. Brennstoffzellen werden zunächst wohl nur die lauten Hilfsturbinen ersetzen, die das Bordnetz von Jumbos am Boden mit Strom versorgen. Auch die Notsysteme für Hydraulik und Elektrik eines Airbus A320 wurden bereits zu Testzwecken mit Brennstoffzellen betrieben. Kühne Gedankenspiele, einen A380 allein mit Wasserstoff fliegen zu lassen, gibt es bisher lediglich als Computersimulation.

Weniger Fantasie braucht man für Gologans Vision, dass in zehn Jahren ein viersitziges E-Flugtaxi mit 300 km/h geräusch- und emissionslos zwischen München und Frankfurt pendelt. Eine kommerzielle Nische, gibt Gologan zu. Doch eine Nische, in der sich die Technik bewähren und ihre Stärken ausspielen könne: "Sport- und Freizeitflugzeuge werden die Brücke zum kommerziellen Einsatz des Elektroantriebs in der allgemeinen Luftfahrt bilden", lautet das Credo von Gologan. (bsc [1])

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