Luftfahrt: Forschen für die Zukunft der Antriebstechnik

Forschung und Entwicklung in der Luftfahrt konzentriert sich zunehmend auf neue Antriebstechniken. Solarenergie, Wasserstoff, Biokraftstoff, E-Motoren oder Hybrid-Antriebe – ein Blick in die nachhaltige Luftfahrt von Morgen.

E-Thrust  Kopie

Unsere Welt am Ende der nutzbaren fossilen Brennstoffe und einer wachsenden Mobilitätszivilisation steht vor einem großen Umbruch. Die Suche nach alternativen Antriebstechnologien läuft auf Hochtouren. 2015 hat sich ein Team um den Schweizer Bertrand Piccard mit dem innovativen Motorsegler „Solar Impuls 2“ aufgemacht, um die Welt einzig mit Solarbetrieb zu umrunden. Eine Batterieüberhitzung beendete den Flug, der im April 2016 fortgesetzt werden soll, allerdings vorzeitig. Im selben Jahr erregte eine Studie aus Barcelona über einen spektakulären Riesengleiter für bis zu 800 Passagiere Aufsehen. Solarzellen auf den faltbaren Tragflächen, sechs Wasserstoff-Motoren und eine zentrale Heckturbine, die während des Fluges abgeschaltet auch als Windkraftanlage genutzt werden kann. Der Dreamliner „Progress Eagle“, eine 3-Deck-Vision aus Kohlefaser, Aluminium, Titan und Keramik, übertrumpft den A380 in Spannweite mit 96 Metern und mit 80 Metern in der Länge deutlich. Die Technologie ist im Grunde bereits entwickelt, nur für die kommenden 15 Jahre noch nicht serienreif, da an zahlreichen Herausforderungen noch geforscht wird.

Die Solarenergie mag eine ergänzende Rolle in der Mobilität von Morgen spielen. Einige Forscher wie Nicolaus Dahmen von der Karlsruher Forschungsschmiede KIT vertreten allerdings die Ansicht, dass Flüssigkraftstoffe noch für viele Jahrzehnte unverzichtbar sein werden. Soviel Realismus muss sein: Die Akzeptanz neuer Technologien hängt letztlich auch vom Markt ab. Die kommerzielle Großraum-Luftfahrt benötigt Flieger die die Faktoren Schnelligkeit, Sparsamkeit und Umweltverträglichkeit erfüllen. Die Hebung eines Faktors bedeutet in der Regel die Senkung eines anderen Faktors, womit es auf die richtige Mischung ankommt.

Wasserstoff muss als Treibstoff auf minus 250 Grad gekühlt werden

Der Wasserstoff-Antrieb ist ein solch alternativer Kraftstoff. Und auch hier gibt es bereits visionäre Giganten, wie das dreirümpfige Tri-body-Airplane aus der Zukunftswerkstatt von Boeing auf dem Papier und seit 2014 auch amtlich beim US-Patentamt. Der Dreirümpfer soll für rund 170 Passagiere ausgelegt sein und mit Biokraftstoff oder Flüssigwasserstoff betrieben werden.

Die Herausforderungen in der Wasserstofftechnologie liegen neben dem Sicherheitsaspekt in der benötigten Größe der Treibstofftanks und der Cryotechnologie – flüssiger Wasserstoff benötigt im Verhältnis zum Kerosin für die gleiche Energie ein 4-faches Volumen und muss zudem auf minus 250 Grad gekühlt werden. Auch Airbus hatte bereits ein Cryoplane, vergleichbar mit dem A380 für rund 550 Passagiere, auf dem Reißbrett, hatte aber wegen des größeren Rumpfes auch mit 14 % mehr Luftwiderstand zu rechnen. und schon 1988 flog eine russische Tupolew mit Hybridantrieb, der teilweise mit Wasserstoff gespeist wurde.

Ein weiterer alternativer Brennstoff ist Biokerosin. Lufthansa etwa testet derzeit eine 5 %-Beimischung von Biokraftstoff. 2011 hatte man sogar schon eine 50 %-Beimischung getestet. Nicht alles, was technisch machbar ist, kann in der Realität aber auch umgesetzt werden. Unsere Flugzeuge verbrennen jeden Tag rund 1 Milliarde Liter Kerosin. In diesem Fall ist schlichtweg die benötigte Menge an Biokerosin nicht verfügbar, um auch nur ansatzweise an eine geringe Beimischung zu denken. Aber auch Umweltorganisationen wie Greenpeace stören sich an der Emission von Stickoxid und Kohlenmonoxid. Wasserstoff ist umweltverträglich und insoweit politisch gefälliger.

eMobility: Elektroantrieb wird Luftfahrt entscheidenden Schub versetzen

Angesicht solcher Herausforderungen rückt der Elektroantrieb ins Blickfeld. eMobility ist auf der Straße bereits im Kurzstreckenbereich marktreif. Gleichwohl wird das Elektroautomobil erst dann den Benziner im großen Stil ersetzen, wenn die Akkutechnologie inklusive Ladedauer auch für die Langstrecke ausgereift ist. Die Innovationen für den Straßenverkehr werden zweifellos auch der Luftfahrt zugute kommen.

Das e-Airplane hat mit dem Zweisitzer „E-Fan 1.0“, der von zwei 130 kg schweren Batterien an den Tragflächenwurzeln angetrieben wird, bereits einen Prototypen, der auch den Ärmelkanal schon mit Erfolg überquert hat. Nun ist der Ärmelkanal keine ernstzunehmende Distanz und die bisherige Leistungsdauer von 30 Minuten nicht ausreichend, weshalb der Batteriebetrieb zumindest auf bis zu 90 Minuten Flugdauer ausgereift und dann eine kommerzielle Kleinmaschine für Flugschulen produziert werden soll.

Im nächsten Schritt wird die Entwicklung leistungsfähiger und zugleich platzsparender und gewichtsarmer Akkus in der Tat einen entscheidenden Schub liefern, um den Bedürfnissen der kommerziellen Luftfahrt gerecht zu werden. Dem Hybridantrieb gehört die Zukunft. Das Projekt „E-Thrust“ von Airbus, Rolls Royce und Siemens etwa setzt auf ein Großflugzeug mit sechs Elektromotoren für den Schub und einer zentralen Gasturbine, die je nach Bedarf Strom liefert oder als Windenergieanlage selbst Strom erzeugt. Eine Vision, die noch einige Hürden zu nehmen hat, denn auch hier ist die derzeit noch geringe Energiedichte der Batterien ein Hauptproblem. Ein weiteres Problem für jede Variante der eAviation ist infrastruktureller Natur, da die Flughäfen sich wohl auch auf längere Startbahnen einrichten müssen.

Die Entwickler in den USA gehen von einer optimistischen Entwicklungsphase von rund 15 Jahren bis zur Serienreife der Hybridantriebs-Maschinen aus, während deutsche Entwickler eher einen Zeitraum von 20 bis 30 Jahren ausgehen. So oder so – das Fliegen wird umweltverträglicher und mit dem E-Antrieb auch leiser werden, denn eine wachsende Weltbevölkerung mit einer globalisierten Wirtschaft hat auch gewaltige Mobilitätsbedarfe, die es zu decken gilt.

 

Bernhard Knapstein

Bernhard Knapstein

Der 1967 geborene Autor hat in Köln Jura, Sport und Geschichte studiert. Zwischen 2000 und 2007 hat er in Hamburg als Verbandspressesprecher gearbeitet und bei einer Wochenzeitung volontiert. Bernhard Knapstein ist seit 2007 Chefredakteur des Europäischen Wirtschafts Verlages.