Elektroflugzeuge und Solarflugzeuge 1997 – 2006
Am 20. August 1997 gibt es auf dem Flugplatz Aachen-Merzbrück eine Weltpremiere: Stefan Gehrmann startet mit seinem Elektro-Klapptriebwerks-Motorsegler ‚Air Energy AE-1 Silent’ zum Erstflug, nachdem der Segler bereits im Frühjahr auf der Aero in Friedrichshafen vorgestellt worden war. Die ‚Silent’ ist ein italienisches Leicht-Segelflugzeug mit 12 m Spannweite in GFK/CFK Vollkunststoffkonstruktion, von dem bisher etwa zehn Exemplare hergestellt wurden.
Das ab 1998 als UL-Flugzeug musterzugelassene weltweit erste serienfertige Segelflugzeug mit Elektroantrieb ‚Silent AE-1’ ist von der 1992 gegründeten AIR ENERGY in Aachen umgerüstet worden, die unter anderem auch Heliumventile, Luftventile, Ballonet-Gebläse und Überstromventilatoren für Luftschiffe anbietet. Außerdem verkauft das entwicklungsorientierte Unternehmen auch exklusiv den ‚Scoot’elec’ Elektroroller von Peugeot.
Die ‚Silent AE-1’ besitzt ein neu entwickeltes Klapptriebwerk mit einem wartungsfreien 13 kW Motor und einem Faltpropeller mit 1,92 m Durchmesser, der nach dem Start vollständig im Rumpf verschwindet. Eine Ladung des 35 kg wiegenden Lithium-Akkus reicht für 3 Starts auf ca. 600 m Höhe. Mit einem Schnelladegerät dauert eine vollständige Ladung nur 90 min. Selbst auf Graspisten reicht der AE-1 eine Startstrecke unter 200 Metern. Der lautlose Steigflug bringt den Segler in knapp 5 min. auf eine Höhe von 600 Metern, das entspricht einer Steigleistung von 2,2 m/s und verbraucht dabei nur knapp ein Drittel der Batteriekapazität. Das Leergewicht der AE1 liegt bei 200, das maximale Startgewicht bei 300 Kilogramm, die Minimalgeschwindigkeit ist unter 65 km/h. Als Preis werden rund 50.000 € angegeben.
Im Februar 1999 wird die ‚Silent AE-1’ mit dem renommierten Berblinger Preis der Stadt Ulm für Innovation auf dem Gebiet der Allgemeinen Luftfahrt ausgezeichnet. Es ist geplant bis Ende 2000 vier weitere Elektrosegler zu bauen. Komplett ausgerüstet soll die ‚Nullserie’ zum Sonderpreis von jeweils 79.000 DM plus Steuern angeboten werden, doch außer einigen Pressemeldungen hört man dann nichts mehr darüber.
Am Belgischen Institute for Technological Research (Vito) beginnt 2000 das Pegasus-Projekt (Policy support for European Governments by Acquisition of information from Satellite and UAV-borne Sensors), bei dem ebenfalls ein solarbetriebenes Flugzeug für langandauernden Betrieb in großen Höhen entwickelt wird, in denen die Temperatur bis 50°C unter Null sinken kann. Für den ‚QinetiQ Mercator’ mit seinen 16 m Spannweite und 27 kg Gewicht will man papierdünne Solarzellen und Lithium-Akkumulatoren einsetzen, damit das Flugzeug auch eine Nutzlast von 2 kg aufnehmen kann. Versuche mit einem 40 % großen Modell verlaufen erfolgreich.
Der ‚Centurion/Helios’-Prototyp von AeroVironment erreicht im Laufe eines 17-stündigen Fluges am 31.08.2001 eine Höhe von immerhin 96.863 Fuß (29.413 km), bricht damit den bisherigen Rekord der ‚Pathfinder-Plus’, und kommt auch 2 Meilen höher als bislang jedes andere nicht-raketengetriebene Flugzeug.
2001 wird auch die Kooperation von NASA, UQM, FASTec (Foundation for Advanced Science and Technology Education Curriculum) und dem PEMFC-Brennstoffzellen-Hersteller Lynntech bekannt gegeben, bei der es um die Entwicklung eines 2-sitzigen Elektroflugzeugs auf Basis der ‚DynAero Lafayette III’ geht. Das ‚E-Plane’ soll wahlweise mit Lithium-Ionen-Batterien (Reichweite 160 km) oder wasserstoffbetriebenen 10 – 15 kW Brennstoffzellen (Reichweite 400 km, später auf 800 km erweiterbar) bestückt werden, wobei die Lithium-Ionen-Batterien im letzteren Fall als Reserveenergie zum Einsatz kommen. Angetrieben wird die Maschine durch einen 53 kW Elektromotor der UQM Corp.
Am 07.07.2002 findet auf dem Solar-Flugplatz Farrenberg in Mössingen-Thalheim die Einweihung der vermutlich weltweit ersten Solar-Tankstelle für Elektroflugzeuge statt. Auf dem Dach der Halle befindet sich eine 1 kWp Photovoltaikanlage, und 2 Gabelstaplerakkus mit insgesamt 48 V und ca. 500 Ah (20 kWh) dienen als Speicher. Nach der Einweihung wird die ‚Silent AE-1’ an der Solartankstelle aufgeladen und startet. Das Flugzeug benötigt für seine 600 m Starthöhe ca. 2 kWh – also knapp so viel, wie der tägliche Ertrag der Solaranlage.
Quasi zufällig stellt Professor Rudolf Voit-Nitschmann vom Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart mit einer Flugstrecke von rund 350 km einen neuen Weltrekord für Solarflugzeuge auf. Er war am 17. Juni 2003 um 12 Uhr mit dem Solar-Segelflugzeug ‚Icaré II’ von Aalen-Elchingen in Baden-Württemberg zu einem Werkstattflug (Überprüfung der Elektronik) gestartet. Bei sehr gutem Wetter kann er über den Wolken in einen Geradeausflug übergehen und erreicht mit ununterbrochen laufenden Elektro-Motor um 17 Uhr den Flugplatz Jena. Er startete allerdings per Flugzeug-Schlepp, ließ sich also von einem Motorsegler auf Flughöhe ziehen. Dadurch wurden die Akkumulatoren geschont, die als Energiepuffer dienen.
Am 26.06.2003 erleidet das ‚Helios’ Programm einen herben Rückschlag, als der Solarflieger während eines Testfluges Schwierigkeiten mit der Steuerung zeigt und etwa 10 Meilen westlich von Kauai in den Pazifischen Ozean stürzt. Dabei geht auch die an Bord befindliche experimentelle Brennstoffstelle verloren.
Die Lange Flugzeugbau GmbH, 1996 von Axel Lange gegründet und in Zweibrücken ansässig, entwickelt den eigenstartfähigen und praktisch lautlosen Hochleistungs-Motorsegler ‚Antares 20E’. Die Spannweite beträgt 20 m, die Rumpflänge 7,40 m und die Leermasse 460 kg. Die maximale Abflugmasse beträgt 660 kg, in denen auch 100 l Wasserballast eingerechnet sind.
Erstmals wird eine komplette Antriebskonzeption speziell für ein bestimmtes Segelflugzeug ausgelegt: Ein bürstenloser 42 kW Außenläufer-Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von 90 %, eine neuartige Leistungselektronik und ein großformatiger, sehr niedrig drehender Propeller. Der Elektromotor EM42 ist der erste und bislang einzige Elektromotor mit EASA-Zulassung als Flugmotor. Die beiden speziell entwickelten und optimierten Propellerblätter sind direkt am Außenrotor des Elektromotors befestigt und haben einen Propellerkreisdurchmesser von 2 m. Das Ergebnis sind hohe Steiggeschwindigkeiten (ca. 4,4 m/s beim Start), sehr große Steighöhen (bis zu 3.000 m bei ruhiger Luft) und praktische Lautlosigkeit.
Das Batteriesystem basiert auf Lithium-Ionen Zellen des Typs SAFT VL41M, deren Verfügbarkeit bis mindestens 2031 gesichert ist, da sie auch in den Militärdrohnen ‚RQ-4B Global Hawk’ der US-Army sowie ab 2007 beim ‚F35 Joint Strike Fighter’ Einsatz finden. Voll aufgeladen ermöglichen die Batterien der ‚Antares 20E’ eine Gesamtsteighöhe von bis zu 3.000 m, und ein kompletter Ladevorgang benötigt 9 Stunden. Machbarkeit und Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems werden erstmals im Versuchsträger ‚LF20’ (eine umgebaute ‚DG-800’) unter Beweis gestellt werden, dessen Erstflug am 07.05.1999 in Zweibrücken stattfindet.
Der Erstflug der ‚Antares 20E’ erfolgt dann 2003, und am 14.07.2006 erhält der Elektromotorsegler seine Musterzulassung durch die europäische Zulassungsbehörde EASA – als weltweit erstes mit einem Elektromotor betriebenes Luftfahrzeug überhaupt. Mit der Werknummer 32 wird genau zwei Monate später die erste ‚Antares 20E’ an Bruce McNaughton übergeben, im Auftrag einer dreiköpfigen Haltergemeinschaft in Tucson, Arizona. Das Flugzeug wird auch als reiner Segler und als ‚Turbo-Version’ mit einem Brennstoff-betriebenem Motor als Rückkehrhilfe angeboten.
Das erste solar-elektrische UAV Modell von Alan Cocconi, dem Gründer der 1992 gestarteten AC Propulsion Inc. in San Dimas, Kalifornien, heißt ‚SoLong’ und fliegt im Juni 2005 erstmals ununterbrochen 48 Stunden lang. Damit beweist Cocconi, daß es prinzipiell möglich ist, während des Tages genügend Energie zu speichern, um damit die dunklen Nachtstunden zu überbrücken.
Der Flieger hat eine Spannweite von 4,75 m bei einer Flügelfläche von 1,5 m², und wiegt 12,5 kg. Er ist mit 120 der neuesten Lithium-Ionen-Zellen 18650 von Sanyo ausgerüstet (Gewicht 5,5 kg), die bis zu 1.200 Wh speichern können. Die 76 Stück A300-Solarzellen von Sunpower leisten bei einen Wirkungsgrad von 20 % rund 225 W. Der Antriebsmotor mit 800 W Spitze – wobei schon 95 W für das Fliegen ausreichen – erlaubt eine Höchstgeschwindigkeit von 96 km/h.
Bereits 1979 zeigt Larry Mauro seinen solarbetriebenen Ultraleicht-Gleiter ‚Solar Riser’ dem Entwickler, Piloten, Fluglehrer und Luftbildfotograf Eric Raymond, der 1986 auch Günter Rochelt besucht und dessen Flugzeug-Familie kennen lernt. Ein eigener Flug in der ‚Musculair II’ beeindruckt ihn so stark, daß er mit einer Eigenentwicklung beginnt. Er gründet die Solar Flight Corp. und durch die Unterstützung von Sanyo und anderer Unternehmen ab 1988 gelingt es ihm, mit seinem 89 kg wiegenden und mit polykristallinen Solarzellen bestückten ‚Sunseeker’ Ende 1989 den Erstflug zu absolvieren. Im August 1990 überfliegt er die USA von Kalifornien bis North Carolina in 21 Einzelflügen von bis zu 400 km, und einer Gesamtflugzeit von 121 Stunden, obwohl die technischen Spezifikationen der Antriebstechnik nicht sehr zufriedenstellend sind. 2005 und 2006 wird der ‚Sunseeker’ in Zusammenarbeit mit Alan Cocconi und der AC Propulsion in San Dimas, Kalifornien, weiter aufgerüstet, wobei ein stärkerer Motor, Lithium-Batterien, ein Planetengetriebe und ein Faltpropeller installiert werden.
Die Erfahrungen des ‚Sunseeker’ fließen außerdem in den Bau des nur 69 kg wiegenden Ultraleicht-Segelflugzeugs ‚Edelweiss’, das allerdings robuster, und durch eine geringere Spannweite von 14,6 m. auch manövrierfähiger und schneller ist. Es wird jedoch nicht solar angetrieben.
Im Rahmen des Vehicle Systems Program der NASA wird inzwischen weiter an der Entwicklung solarbetriebener ‚Atmosphären-Satelliten’ gearbeitet. Die ‚HALE UAV’ (High Altitude Long Endurance Unmanned Air Vehicles), sind automatisierte, selbständige Flieger, die zwischen 2010 und 2015 bereit stehen sollen.
Am 23. März 2006 informiert die Presse über den ersten Versuchsflug des ‚Zephyr’, ein weiteres solarbetriebenes UAV für Langzeiteinsätze in größten Höhen, das eine Spannweite von 12 m und ein Gewicht von 27 kg hat und eine Folgemodell des ‚Mercator’ ist. Der Flieger wurde von QinetiQ entwickelt, einem großen europäischen Technologieunternehmen, das sich primär mit Militärtechnik befasst. Auf dem Versuchsfeld der White Sands Missile Range, New Mexico, gehen zwei der Solarflugzeuge in die Luft – für 4,5 bzw. 6 Stunden – wobei eine Flughöhe von 27.000 Fuß (8,2 km) erreicht wird. Ausgelegt ist die ‚Zephyr’ sogar für eine Flughöhe von 132.000 Fuß (etwa 40 km).
Die Energie von 1 kW kommt von leichtgewichtigen Dünnschicht-Solarzellen der Firma United Solar Ovonic. Auch QinetiQ geht davon aus, daß solarbetriebene ‚Stratosphären-Plattformen’ sehr schnell in die kommerzielle Nutzung übergehen werden, insbesondere wegen ihrer exzellenten Möglichkeiten im Bereich der Observation von Katastrophen- oder Krisengebieten.
Im Juli 2006 startet erstmals ein Fluggerät, das gemeinsam vom Tokyo Institute of Technology und dem japanischen Elektronik-Unternehmens Matsushita Electric Industrial entwickelt worden war. Bei dem Demonstrationsflug auf einem Privatflughafen der Firma Honda bleibt der etwa 55 kg schwere Gleiter mit seiner Spannweite von 31 m genau 59 Sekunden lang in der Luft. Das erste nur von herkömmlichen Batterien betriebene, bemannte Flugzeug, das dabei in einer Höhe von gut 5 m fliegt, kommt genau 391,4 m weit. Die von Matsushita für das Flugexperiment gebaute Nickel-Oxyhydroxid-Batterie (Oxyride) hat allerdings eine anderthalb Mal längere Lebensdauer als herkömmliche Alkaline-Batterien.
Am 31. August 2005 gelingt es den Wissenschaftlern des Oberpfaffenhofener DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation, auf einem Testgelände in Nordschweden enorme Datenmengen bis zu 1,25 Gigabit pro Sekunde nahezu fehlerfrei mit einem unsichtbaren Laserstrahl zu übertragen. Das vom DLR entwickelte Terminal, das den Laserstrahl abgibt, hängt an einem Stratosphärenballon in einer Höhe von 22 km und ist zeitweise mehr als 60 km von der Empfangsstation entfernt.
Das EU-geförderte Projekt CAPANINA, an dem Universitäten, Forschungseinrichtungen, Institute und Firmen aus England, Slowenien, Italien, Spanien, Ungarn, der Schweiz, Deutschland und Japan beteiligt sind, soll langfristig eine neue Ära in der mobilen Breitbandkommunikation einleiten. Dabei werden unbemannte Flugträger, fest positioniert in einer Höhe von 22 km, mithilfe der optischen Freiraumkommunikation Daten mit Übertragungsraten von mehreren Gigabit pro Sekunde austauschen, und zwar untereinander, mit Satelliten, mit Flugzeugen und mit terrestrischen Kommunikationspartnern. Die Projektleitung hat die Universität von York. Das Projekt CAPANINA ist auf insgesamt drei Jahre angesetzt und wird von der Europäischen Union mit 3 Mio. € gefördert.
Im August 2006 soll das zigarrenförmige Terminal auf dem amerikanischen Stratosphärenflugzeug ‚Pathfinder-Plus’ zum Einsatz kommen. Das unbemannte, solarbetriebene Flugzeug wird das Terminal in eine Höhe von 19 bis 21 km befördern. Ihre optische Bodenstation werden die DLR-Wissenschaftler dann auf Hawaii aufstellen.
Langfristiges Ziel der Forschungsarbeiten sind fliegende Sendemasten auf Stratosphärenplattformen, die dem mobilen Benutzer am Boden Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen ermöglichen. Das hierzu eingesetzte Lasersystem benötigt deutlich weniger Energie als der herkömmliche Richtfunk und ist zudem leichter. Die Energie hierfür erhalten die Luftschiffe über Solar- und Brennstoffzellen.
Gegenüber Satelliten bieten die Stratosphärenplattformen entscheidende Vorteile: Sie können zur Wartung, Modifizierung oder zum Austausch von Systemen auf den Boden zurückgeholt werden, und zudem können sie schnell an ihren Einsatzort gebracht werden, wenn z.B. in Katastrophengebieten die Mobilfunk- und Kommunikationsnetze zusammengebrochen sind.
Im Rahmen einer Ausstellung im Berliner Kaufhaus KaDeWe Anfang August 2006 präsentiert der 48-jährige Schweizer Psychiater Bertrand Piccard gemeinsam mit dem Sponsor Omega in Person von Nicolas Hayek jr. sein Vorhaben, im Mai 2011 mit einem Solarflugzeug in rund 20 Tagen die Welt zu umrunden. Bereits 1999 hat Piccard als erster Mensch die Welt nonstop mit einem Heißluftballon umflogen. Sein Großvater war Ballonfahrer, und sein Vater erkundete in Spezialtauchbooten die Tiefsee. Der Vater von Hayek jr. wiederum ist der berühmte Initiator des ‚Swatch‘ (aus dem später der ‚Smart’ wurde), der ja ursprünglich mit einem Hybridantrieb ausgestattet werden sollte.
Die ‚Solarimpulse’ wiegt zwei Tonnen, hat eine Spannweite von 80 m, und eine Flügelfläche von 220 m², die mit Solarzellen bestückt werden kann. Mit den dort erzielten 40 kW Leistungsspitze erreicht es eine relativ niedrige Durchschnittsgeschwindigkeit von 70 km/h, kann dabei jedoch gleichzeitig auch die Akkus aufladen, um auch nachts fliegen zu können.
Der Uhrenkonzern Omega, der zur Swatch-Group von Nicolas Hayek gehört, fördert mit das Projekt, das einen geplanten Etat in Höhe von etwa 52 Mio. € hat, mit 15 Mio. € und technologischem Know-how. Weitere Partner sind die Sputnik Engineering AG (SolarMax), der internationale Chemie- und Pharmagruppe SOLVAY, das Finanzierungsunternehmen ALTRAN-Gruppe und die Beratungsfirma Semper. Die erste Machbarkeitsstudie war schon 2003 an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) erstellt worden.
Bis 2008 plant Piccard die Konstruktion und den Bau eines Prototyps mit 60 m Spannweite, und 2009/2010 wird dann das Flugzeug gebaut, mit dem er 2011 dann gemeinsam mit dem zweiten Piloten, dem 53-jährigen Ingenieur André Borschberg, zur Weltumrundung starten will. Die Route führt von den Arabischen Emiraten über Indien, China, den Pazifischen Ozean und Hawaii in die USA, und von dort quer über den Atlantik nach Europa und zum Ausgangsort zurück. Da aus Gewichtsgründen nur jeweils ein Pilot an Bord sein kann, sind vier Zwischenlandungen vorgesehen, bei denen Pilotenwechsel stattfinden. Die einzelnen Flugabschnitte werden drei bis vier Tage dauern.
Sollte die zwischenzeitliche technische Entwicklung die Effizient der Akkumulatoren signifikant steigern oder ihr Gewicht entsprechend senken können, dann könnte das Flugzeug auch zwei Piloten aufnehmen, womit eine Nonstop-Weltumrundung in den Bereich des Möglichen rückt.
Abschließend sollen die Elektro-Modellhubschrauber in ihren verschiedensten Größen und Formen nicht vergessen werden – deren Akkus ja auch mittels Solarzellen aufgeladen werden können. Womit sie zumindest indirekt zu ‚Solarhubschraubern’ werden. Von einem mit Solarenergie direkt betriebenen Hubschrauben haben wir bislang allerdings noch nicht gehört.
