Der Stoff zum Abheben: Die Suche nach dem Flugzeug-Antrieb der Zukunft

Auch Linienpiloten fangen klein an und fliegen zunächst auf kleinen Flugzeugen. Die allerdings werden über kurz oder lang auf dem Boden bleiben müssen, wenn nicht endlich ein umweltfreundlicher Ersatztreibstoff entwickelt und zugelassen ist. Langsam wacht die Industrie auf und beginnt, sich um zukünftige Antriebskonzepte zu kümmern…

ankunftGlücklich und vor allem erleichtert strahlen die beiden Piloten nach der Landung des viersitzigen Passagierflugzeuges mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb HY4 in die zahlreichen Kameras der Fotografen. Das Medienecho weltweit war groß, die Berichterstattung über den Erstflug reichte von den USA bis nach China.

Von der ungewöhnlichen Ruhe im Cockpit während des Fluges erzählen die Piloten. Stille, also der Ausfall vom Motorenlärm während des Fluges, läßt beim Verbrennungsmotor eher das Herz eines Piloten bis zum Anschlag rasen.

Extrem hohe Sicherheitsvorkehrungen am Boden waren dem Rekordflug vorausgegangen: Aus Slowenien kam der Flieger per Straßentransport zum Stuttgarter Flughafen. Noch am Abend vorher beim Zusammenbau des Flugzeugs war sich keiner sicher, dass alles so erfolgreich über die Bühne gehen würde. Der Standort der Feuerwehr-Einsatzfahrzeuge wurde mehrfach geändert. Damit sie nah genug an der Landebahn und den zahlreichen geladenen Gästen und Journalisten positioniert waren, versperrten sie letztendlich die Sicht auf den Start der HY4.

Kleisny1-FY4Das auffallende Doppelrumpf-Design des zukunftsweisenden Flugzeugs erinnert an Konstruktionen von Burt Rutan: White Knight (Trägerflugzeug des Raumschiffs SpaceShipOne) scheint Blaupause gestanden zu haben. “Ja”, meint Josef Kallo, der smarte und sonst stets lächelnde Professor der Universität Ulm und Leiter des Projektes HY4 im DLR etwas uneasy, “wir haben uns davon inspirieren lassen. Rutan hat keinen Markenschutz darauf.”

Warum aber sucht man die Zukunft eines emissionslosen Antriebes für Motorflugzeuge gerade in der parallelen Zusammensetzung von zwei Segelflugzeugen?

Jahrelang gab es keine nennenswerte Bewegung in der Entwicklung von neuen Flugzeug-Verbrennungsmotoren. Der technische Stand der Motoren der beiden Marktführer Lycoming und Continental ist im wesentlichen seit den 1960er Jahren unverändert. Der Verbrennungsmotor läuft und läuft.

Aber Umweltverbände rücken auch im gelobten Fliegerland USA den Herstellern auf die Pelle. Erfolgreich konnte die amerikanische Pilotenvereinigung AOPA eine harte Frist abwenden, ab der der übliche Treibstoff für die Allgemeine Luftfahrt, AvGas 100LL, in den USA nicht mehr zugelassen sein soll. Zurzeit hat die amerikanische Behörde FAA kein Ablaufdatum vorgegeben bis die technische Entwicklung einen brauchbaren bleifreien Ersatztreibstoff oder einen neuen Antrieb findet. Aber staatliche Förderprogramme sollen die schnelle Lösungsfindung forcieren.

In Europa guckt man behördlicherweise (EASA) wie üblich über den Teich und wartet ab. Die Industrie sucht aber auch hierzulande bereits nach Lösungen. Die Zukunft der Allgemeinen Luftfahrt-Antriebe scheint hier in zwei unterschiedlichen Ansätzen von umweltfreundlichen Antrieben zu liegen.

Das E-Plane

Alternativen für AvGas 100LL
Dass in den USA als Lösung vorrangig nach einem umweltfreundlicheren Sprit gesucht wird, liegt an der staatlich geförderten Forschung namens Piston Aviation Fuels Initiative (PAFI), gestartet im June 2013 als Kooperation zwischen Regierung und Industrie. 7 Millionen Steuerzahler-Dollar flossen 2016 in dieses Projekt. Ende März wurden von der Luftfahrtbehörde FAA zwei Brennstoffe von Shell und Swift Fuel zur nächsten Testphase zugelassen.

00SF Swift Fuel
Nach Angaben der FAA hat der aus 85% Mesitylene und 15% Isopentane bestehende Kraftstoff mit 104,4 sogar eine höhere Oktanzahl als die geforderte 100 und zeigt damit bessere Leistungswerte als das bisherige AvGas. Er wird aus Biomasse hergestellt. Der Preis soll mit 100LL vergleichbar sein.

Shell Unleaded 100-Octane Fuel
ist der zweite Zukunftssprit, der es im Frühjahr 2016 in die nächste Entwicklungsphase geschafft hat. Der Treibstoff basiert auf Alkylaten und ist mit Additiven versetzt. Der Preis soll sich im Rahmen von 100LL bewegen oder höher.

Airbus untersucht zurzeit einen Versuchsträger mit elektrischem Antrieb. Der E-Fan soll elektrische Konzepte auch für spätere große Flugzeuge erforschen. Als einsitziges Flugzeug ist der E-Fan noch weit von seinem nächsten Ziel als viersitziges Schulflugzeug entfernt. Trotzdem: Konstrukteur und Testpilot Didier Esteyne ist von seiner Entwicklung überzeugt. Auch er schwärmt von der Ruhe im Cockpit und damit einer neuen Erfahrung beim Fliegen.

Die Akkus können bei E-Plane von einem herkömmlichen Verbrennungsmotor (am “Rücksitz” statt dem zweiten Piloten) während des Fluges aufgeladen werden, um die Reichweite des Fliegers zu vergrößern. Analog zu elektrisch angetriebenen BMW-PKWs, die einen kleinen Verbrennungsmotor als “Range Extender” im Kofferraum mitführen.

Obwohl heute verfügbare Lithium-Ionen-Akkus noch zu schwer, zu gefährlich sind und viel zu wenig Kapazität für längere Flüge haben, will sich Airbus einen Erfahrungsvorsprung für elektrische Antriebstechnik sichern, egal woher der Strom zurzeit noch kommt. Die Techniker und Test-Piloten erforschen die Steuerung und die Leistungskurve des E-Fans, die unterschiedliche Leistungsentfaltung eines Elektromotors. Der sieht eher aus aus wie Jet-Triebwerk, ummantelte Propeller-Blätter in einer Röhre, die dem ganzen Versuchsträger den Namen (E-Fan) gaben.

Das Brennstoffzellen-Flugzeug

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Auf eine andere Technik setzt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart. Das DLR entwickelte gemeinsam mit dem Slowenischen Flugzeug-Hersteller Pipistrel und der Universität Ulm das Brennstoffzellen-Flugzeug HY4. Auch die HY4 hat eine kleine Batterie mit an Bord, die beim Start mitunterstützt und die Energie puffert. Sonst aber wird die elektrische Energie erst im Flug ganz umweltfreundlich und leise erzeugt von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Die wandelt den mitgeführten Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft in Wasser um. Die elektrische Energie, die dabei frei wird, treibt den E-Motor an. Und alles was beim Auspuff hinten rauskommt, sind Wassertröpfchen. Video

Die Chancen für die Zukunft

hkl-eplane1In beiden Fällen ist die Bezeichnung “umweltneutral” noch eine Täuschung. Beim E-Plane stört noch der Verbrennungsmotor als Hilfsmittel. Erst wenn der Akku ausschließlich mit Windenergie oder ähnlichem aufgeladen wird, sieht die Energiebilanz auch real wie in der Werbung und den zahlreichen Presseberichten geschildert besser aus.

Das Gleiche gilt für die Herstellung des Wasserstoffes beim HY4. Erst wenn die Energie dazu auch umweltneutral ist, kann man korrekterweise von null Emission beim Antrieb sprechen.
Allerdings lässt sich die Herstellung an andere Orte verlegen, als der Flieger abhebt. Und der könnte dann laut- und emissionslos auch in Naturschutzgebieten unterwegs sein.

Das Problem des zusätzlichen Gewichts ist beiden Techniken gemein. Erhöhte Gefahren ebenso. Zwar explodiert Wasserstoff alleine nicht. Lecks bilden allerdings ein Sicherheitsrisiko, sobald aus dem Gas in einem abgeschlossenen Bereich ein Wasserstoff-Luft-Gemisch entsteht.
Um andererseits das Gewicht beim Elektroantrieb des E-Planes wenigstens einigermassen verträglich zu halten, versucht man dort, energetisch bessere Speicher zu einzusetzen. Die wiederum (Lithium-Ionen-Akkus) sind eher mit negativen Schlagzeilen, auch aus der Luftfahrt, bekannt.

Zurzeit sind beide Technologien noch weit vom kommerziellen Einsatz entfernt. Aber ohne Forschung und tatkräftige Menschen, die sich für die Lösung auch hartnäckiger, technischer Probleme einsetzen, wird es keine neue anwendbare Technologien geben.

Die praktischen Flüge sind wichtig, auch wenn die Technologien im Einzelnen noch nicht so perfekt sind wie sie für den kommerziellen Einsatz sein müssen. Denn im Labor funktioniert vieles wunderbar; im Flugzeug, wo Akkus und Wasserstoffbehälter Vibrationen ausgesetzt sind, unterschiedlichen Temperaturen oder Schlägen vom Landen – da muss die Gesamtlösung der Technik hundertprozentig zuverlässig funktionieren. Zuverlässig Nicht Brennen, nicht explodieren und vor allem ausfallsicher sein.

Alle Fotos: (c) H. Kleisny

E-Plane: Die Zukunft des Flugzeugs

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Didier Esteyne, Foto (c) Kleisny

“Wissen Sie, dass wir 2015 als erste mit einem elektrisch angetriebenen Flugzeug den Ärmelkanal überflogen haben?” sagt Didier Esteyne stolz und blickt liebevoll auf das kleine, schnittige E-Plane hinter ihm. Das mit dem “ersten” ist so eine Sache, der Rekordflug war ein regelrechter Krimi, aber etwas Besonderes ist der einsitzige Versuchsträger durchaus. Und als Konstrukteur und einer den beiden Testpiloten, die den Flieger fliegen dürfen, sind Esteyne etliche der noch zu lösenden Probleme durchaus bewusst.

eplane3Das zunehmende Maunzen am Boden gegen Dieselmotoren und damit auch der Drang hin zur schnelleren Entwicklung von effektiver Elektromobilität zeigt auch Auswirkungen für die dritte Dimension. Je weniger herkömmliche Kraftstoffe am Boden nachgefragt werden, umso teuerer wird ihre Herstellung und Avgas, der Kraftstoff für die kleinen Ottomotoren der Lüfte, war schon immer ein Sonderfall.

eplane4Avgas (Aviation Gasoline) ist vom technischen her so etwas ähnliches wie Autobenzin. Allerdings muss der Kraftstoff dieser Ottomotore in luftiger Höhe funktionieren und braucht daher einen niedrigeren Dampfdruck. Das erreicht man mit einer hohen Oktanzahl und Additiven, aber anderen, als für den erdgebundenen PKW. Die im Mogas enthaltenen Zusatzstoffe beschädigen die Tankversiegelung von Flugzeugen.

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(c) hkl

Nun macht die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA endlich Druck bei der Suche nach einem Alternativtreibstoff für Flugbenzin: Bis spätestens 2018 soll ein Ersatztreibstoff für das verbleite Aviation Gasoline 100LL zugelassen sein. In Oshkosh gab es erste vielversprechende Angaben über die Forschung des Ersatzluftsprits.

Avgas (Flugbenzin) wird nur von (meist kleineren) Flugzeugen mit Ottomotor verwendet. Meist größere, turbinengetriebene Flugzeuge und Flugzeuge mit Dieselmotoren setzen als Kraftstoff Jet A-1 ein, das ist Kerosin (Dieselkraftstoff).

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(c) hkl

Die Suche nach einem neuen Kraftstoff ist das eine. Die andere Lösung wäre natürlich die Investition in eine neue, andere Art des Antriebes. Am Boden scheint da momentan der Elektroantrieb die besten Zukunftsaussichten zu haben – warum also nicht auch in der Luft?

Der Klotz der Batterie an Volumen und Gewicht ist auch bei PKWs noch immer ungeliebtes Beiwerk und verhindert längere Fahrten ohne Aufladen. In der Luft, wo man auch so schon auf jedes Gramm achtet, sind zusätzlicher Platzbedarf und schrankgroße Batterien ein absolutes Unding.

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(c) hkl

Trotzdem will Airbus ein viersitziges Flugzeug mit Hybridantrieb in Serie entwickeln. Die Airbustochter Voltair mit Sitz in der Nähe von Toulouse kann mittlerweile einen einsitzigen Versuchsträger vorweisen. Der derzeitige E-Fan 1.2 mit Hybrid elektrischem und Gasantrieb ist der Nachfolger des E-Fans 1.1, der mit Elektroantrieb den Ärmelkanal überquerte. Sehr leise soll er sein. Laut Esteyne hatten sie Probleme, bei herkömmlichen Lärmmessungen mit vergleichbaren Flugzeugen die Geräusche des E-Fans aufzuzeichnen.

eplane2Noch hat der Prototyp 1.2  ein provisorisches Stützradfahrwerk, vieles ist noch nicht so wie es einmal sein soll. “Wozu sollen wir zurzeit auch noch einen Antrieb für ein zweites Rad mitschleppen, der nur am Boden gebraucht wird”, meint Didier Esteyne dazu. Offiziell spielt Airbus den Studienzweck des E-Fans für elektrisch oder hybrid angetriebene Verkehrsflugzeuge herunter und betont, dass man vor allem an der Entwicklung des Viersitzers interessiert sei.

Die Probleme der Lithium-Ionen-Batterien wurden hier im FlugundZeit-Blog ausführlich unter anderem in den Kommentaren zum Brand im Dreamliner 2013 diskutiert. Daran hat sich, wie man kürzlich beim Teslaauto gesehen hat, wenig geändert. Der Kurzschluss, der sich in der Luft auch durch gewitterträchtige Wolken oder andere Aufladungen ergeben könnte, hätte in der Luft noch wesentlich fatalere Folgen. Es gibt in der Forschung erste Versuche mit Lithium-Luft-Batterien. Allerdings reicht deren Kapazität zurzeit noch nicht einmal für eine Platzrunde.

Das vernetzte Cockpit (Connected Cockpit)

Pilotentraum: Der Pilot bereitet seinen Flug entspannt zuhause vor. Nimmt das Notepad, klickt es im Flugzeug ins Cockpit-Panel ein und nach einer kurzen Hardware- (Flugzeugrundgang) und SW-Überprüfung macht er seinen Flug, bei dem alles am Pad aufgezeichnet wird: exakter Flugweg, technische Daten, Zeiten und Orte. Lästige Nachbereitung wie Flugbuch und Bordbuch führen entfällt, alle Daten sind im Pad gespeichert. Sein Notepad klinkt der Pilot nach dem Flug wieder aus und nimmt es mit.

Das Connected Cockpit ist eine weitere Entwicklung, an der Airbus arbeitet. Es soll gleich bei der Schulung zum Piloten eine neue Ära des Fliegens einleiten.

(Pilotenanmerkung: In diesem futuristischen Konzept fehlt leider noch das lästige Putzen des Fliegers der angesammelten Mücken.)

Und was macht die Konkurrenz? Boeing zeigt bisher offiziell nur Studien für Flugzeuge mit Elektroantrieb. Aber Konkurrenz treibt gerade in der Technik gerne den Fortschritt an.

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Das anvisierte Datenblatt für den E-Fan 2.0

Max. Abfluggewicht: unter 600 kg (LSA)  
Max. Flugdauer pro Flug: 1 Stunde + 30 Minuten Reserve  
Verfügbarkeit (durch Nachladen):
5 Flugstunden pro Tag
 
Spannweite: 10,98 m  
Länge: 5,67 m  
Höhe: 1,68 m

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alle Fotos, wenn nicht anders gekennzeichnet (c) Airbus