Elektro- und Solarschiffe 1960 bis 1996

Elektroschiffe und Solarschiffe von 1960 bis 1996

Unter dem Oberbegriff Elektroflugzeuge stelle ich sowohl elektrische Flugzeuge mit ausschließlichem Batterieantrieb, als auch Flugzeuge mit Solarzellen und mit oder ohne Akkumulatoren vor.

Bereits in den 1960er Jahren gibt es einen von Varta mit Elektroantrieb ausgestatten Motorsegler vom Typs ‚Brditschka HB-3 Krähe’, dessen Flugleistungen aufgrund des hohen Batteriegewichtes allerdings als nicht akzeptabel eingestuft werden.

Das erste Solarflugzeug der Welt ist 1974 das unbemannte Versuchsflugzeug ‚Sunrise I’ von AstroFlight Inc. – das Unternehmen erhält über Lockheed einen entsprechenden ARPA-Auftrag. Das Flugzeug hat eine Spannweite von 9,6 m und wiegt knapp 12 kg, und die über 1.000 Solarzellen auf der Tragfläche entwickelten eine Spitzenleistung von etwa 450 W. An einem klaren Sommertag erreicht das Flugzeug eine Gipfelhöhe von 6.000 m, wird bei einem Sturm allerdings beschädigt. Astro Flight erhält den Auftrag, eine verbesserte Version zu entwickeln, die nach nur drei Monaten Bauzeit im November 1974 das erste mal startet.

Gegenüber ihrem Vorläufer weist die ‚Sunrise II’ dann schin diverse Verbesserungen auf. Bei 9 m2 Gesamttragfläche wiegt das funkferngesteuerte Flugzeug nur noch rund 10 kg, besitzt aber 4.480 Solarzellen, die insgesamt nur knapp 1,8 kg wiegen und 600 W Maximalleistung lieferten. Die erreichbare Gipfelhöhe wird zwar auf 21.000 m im Sommer bzw. 13.000 m im Winter geschätzt, tatsächlich werden aber nur 6.000 m erreicht.

In Deutschland startet im August 1976 mit dem Modellflugzeug ‚Solaris’ das erste privat gebaute Solarflugzeug. Aufgrund der fast unerschwinglichen Solarzellenpreise begnügt sich der Modellbauer Fred Militky mit 10 W, die auf einer ebenen Platte über dem Rumpf befestigt sind. Bei einer Spannweite von 2,06 m wiegt das Flugzeug nur 413 g und kann Steigflüge von je 150 sek. Dauer durchführen, die es auf eine Höhe von immerhin 50 m bringen. Fred Militky stirbt jedoch, bevor er weitere Versuche durchführen kann.

Die 1971 von dem Ultraleicht-Flugzeugpionier Paul MacCready (Gewinner der beider Henry–Kremer-Muskelkraftflug-Preise 1977 und 1979) im kalifornischen Monrovia gegründete AeroVironment Inc. ist auch an der Entwicklung der nachfolgend beschriebenen ,Solar Challenger’, ‚Pathfinder’, ‚Pathfinder-Plus’ sowie ‚Helios’-Prototypen beteiligt. Ende der 70er ist einer der Partner des Unternehmens die Firma Dryden, die später das Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) Programm der NASA leitet.

1980 startet mit dem ‚Gossamer Penguin’ weltweit zum ersten Mal ein bemanntes Solarflugzeug. Es ist ein Umbau des Muskelkraft-betriebenen ‚Gossamer Albatross II’, mit dem Paul McCready die Überquerung des Ärmelkanals gelang, der nun mit dem Solargenerator der ‚Sunrise II’ von Astro Flight ausgerüstet wird, da dessen Designer Robert J. Boucher an dem Projekt als Berater beteiligt ist. Der Vorläufer ‚Gossamer Condor’ war 1977 eines der ersten erfolgreich Muskel-betriebenen Flugzeuge überhaupt. AeroVironment verkleinert den ‚Gossamer Albatross II’ auch auf ein dreiviertel der ursprünglichen Größe, da das Dryden Flight Research Center der NASA bei Versuchsflügen am Langley Research Center in Hampton schon mit einen kleinen Elektromotor gute Resultate erreicht hatte.

Da dieser nur 600 W Spitzenleistung liefert, ist das Flugzeug auf den Bodeneffekt angewiesen und kann nur ca. 4 m hoch fliegen. Außerdem ist die Manövrierfähigkeit eingeschränkt, da der Solargenerator stets genau auf die Sonne ausgerichtet sein muß. Der erste batteriebetriebene Testflug erfolgt am 07.04.1980 auf dem Shafter Airport nahe Bakersfield, Kalifornien, und der erste solarbetriebene am 18.05. – Pilot ist jeweils Marshall, der 13-jährige Sohn von MacCready. Im Juli übernimmt Dryden das Projekt.

Die Erfahrungen der AeroVironment mit dem ‚Gossamer Penguin’ fließen in die Entwicklung des ‚Solar Challenger’ ein, der von DuPont gesponsert wird, die auch für andere Solarflugzeuge fortschrittliche Materialen liefern.

Der Erstflug des ‚Solar Challenger’, der als erstes richtiges Solarflugzeug bezeichnet wird, erfolgt Ende 1980. Er erreicht Flughöhen von mehreren tausend Metern, hat die Fähigkeit, auch längere Flugstrecken zu bewältigen, und ist voll manövrierbar. Zur optimalen Leistungsanpassung wird ein Verstellpropeller eingesetzt, und die Steuerung erfolgt durch eine Gewichtsverlagerung des Piloten. Mit diesem Solarflugzeug gelingt dem Piloten Stephen R. Ptacek am 07.07.1981 die Überquerung des Ärmelkanals, wobei er in einer Zeit von 5 h : 23 min eine Strecke von 163 Meilen zurücklegt und dabei eine Flughöhe von über 3.000 m erreicht. Der Flug geht vom Corneille-en-Verin Flugplatz nördlich von Paris bis zur Manston Royal Air Force Base im Süden Londons. Einzigartig ist auch wohl, daß diesem Flug ein langes Gedicht gewidmet wurde: The Flight of the Challenger von Astro-Flight-Chef Robert J. Boucher, der auf der  21st SAE, ASME, and ASEE, Joint Propulsion Conference 1985 mit seinem Projekt ,Starduster’ ein weiteres solarbetriebenes Höhenflugzeug vorschlägt, das allerdings nie gebaut wird.

Der ‚Solar Challenger’, hat eine Spannweite von 14,8 m und eine Länge von 9,22 m. Die Startmasse beträgt aufgrund der von DuPont gelieferten superleichten Materialien nur 152,8 kg, die Zuladung bzw. der Pilot darf maximal 67,5 kg wiegen. DuPont unterstützt den Bau außerdem mit 60.000 $. Mit den von der NASA ‚geliehenen’ 16.128 Solarzellen und einer Solar- bzw. Motorleistung von jeweils 2,7 kW erreicht das Solarflugzeug eine Fluggeschwindigkeit bis zu 55 km/h.

1981 finanziert die US-Regierung das Projekt eines solarbetriebenen ultrahoch und langfristig fliegenden Elektroflugzeugs, und AeroVironment entwickelt den Nurflügler ‚HALSOL’ (High-Altitude SOLar), von dem allerdings nur ein batteriebetriebener Prototyp gebaut wird, da bei seiner Erprobung keine zufriedenstellenden Resultate erzielt werden. Der Prototyp wird eingemottet.

1983 beginnt auch in Deutschland die Geschichte des bemannten Solarflugs. Der autodidaktische Extremleichtbau-Spezialist Günther Rochelt, Inhaber mehrerer noch immer ungebrochener Weltrekorde im Bereich des Muskelfluges, nutzt das Schweizer Serien-Segelflugzeug in ‚Enten-Konfiguration’, die ‚Canard – 2FL’, um daraus die ‚Solair I’ zu basteln. Der Vorteil dieser Konstruktion mit einem Höhenleitwerk vorne liegt darin, daß dieses beim Steigen zum Auftrieb beiträgt. Die deutsche Industrie verweigert Rochelt die Hilfe – dafür wird er später von der US-amerikanischen Solarex unterstützt. Das Flugzeug hat eine Länge von 5,40 m, eine Spannweite von 16 m und ein Leergewicht von 120 kg. Seine maximale Geschwindigkeit beträgt 28 km/h.

Tragfläche und Höhenleitwerk werden mit exakt 2.499 Solarzellen ausgestattet, die eine Leistung von 2,2 kW erbringen, außerdem wird die Spannweite verlängert, um mehr Auftrieb und mehr Platz für den Solargenerator zu gewinnen. Sogar die Ruderklappen werden mit Solarzellen bestückt. Für den Vorschub sorgt ein Heckpropeller. Günther Rochelt stellt am 21.08.1983 mit 5 h : 41 min einen Dauerflugrekord für Solarflugzeuge auf. Die Oskar Ursinus Vereinigung verleiht den Preis für die fortschrittlichste Konstruktion. Die ‚Solair I’ steht heute im Deutschen Museum in München.

Die NASA beginnt 1985 mit der Arbeit an dem Projekt Solar HAPP (High Altitude Powerd Platform), bei dem ein Robot-Flugzeug in 20 km Höhe über ein Jahr lang mit einer Geschwindigkeit von 110 km/h nonstop im Luftraum kreuzen soll. Lockheed kooperiert bei diesem Projekt u.a. auch mit dem US-Landwirtschaftsministerium, man plant einen Elektroflieger mit einer Spannweite von 98 m und einem Gewicht von 900 kg. Bis zu 6 m durchmessende Propeller sollen das Flugzeug mit einem 15 PS Motor auf 147 km/h Spitze beschleunigen – als Nachtflugreserve denkt man an Brennstoffzellen. Die Alternative eines Mikrowellen-Antriebs wird bald fallengelassen, da sie den Flugradius auf den Bereich des Senders begrenzt.

Anschließend gibt es eine Lücke von fast 10 Jahren, in denen auf diesem Sektor anscheinend nichts relevantes mehr geschehen ist (?).

1993 wird der Nurflügler ‚HALSOL’ wieder entmottet und für ein kurzlebiges Projekt der Ballistic Missile Defense Organization genutzt, wobei auch einige Solarpaneele zur Unterstützung der Batterien installiert werden. Nach seiner Umbenennung in ‚Pathfinder’ wird das Flugzeug 1994 Teil des ERAST Programms der NASA (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology), bei dem ein sich selbststeuerndes und extrem hoch fliegendes Flugzeug entwickelt wird. 1995 wird es mit weiteren Solarzellen ausgerüstet, so daß seine 6 Motoren jetzt mit einer Leistung von 7,5 kW versorgt werden, und kommt für weitere Versuchsflüge zu Dryden zurück, wo es am 11. September eine Höhe von 50.500 Fuß erreicht – ein neuer Rekord für solarbetriebene Flugzeuge. Später erleidet es aufgrund einer Unvorsichtigkeit im Hangar einen schweren Schaden.

Die NASA konzipiert 1997 gemeinsam mit der University of California das Konzept eines ‚Schwarmes’ aus Solarflugzeugen, die in 20 km Höhe in V-Formation zur Übermittlung von Mobilfunksignalen unterwegs sind. Im Sommer wird ein 50 kg wiegender Prototyp mit einer Spannweite von 13 m getestet, dessen Tragfläche zu 90 % mit Solarzellen bestückt ist.

Im April 1997 wird die ‚Pathfinder’ der U.S. Navy’s Pacific Missile Range Facility (PMRF) in Kauai auf Hawaii übergeben, da dort die klimatischen Verhältnisse als optimal betrachtet werden. Am 07.07.1997 wird mit einer Höhe von 71.530 Fuß einer neuer Rekord für sowohl Solar- als auch Propellerflugzeuge aufgestellt.

1998 werden die Flügel des ‚Pathfinder’ von 29,50 auf 36,30 m verlängert, außerdem werden verbesserte Motoren (insgesamt 8) sowie neue Solarzellen von SunPower installiert, die einen Wirkungsgrad von 19 % haben (zuvor 14 %). Das Flugzeug wird in ‚Pathfinder Plus’ umbenannt, erreicht eine Leistung von 12,5 kW und stellt am 06.08. mit einer Höhe von 80.201 Fuß einen weiteren Rekord auf.

Der ‚Pathfinder plus’ des Dryden Flight Research Center der NASA ist nun ein unbemannter achtmotoriger Nurflügler, der Höhen bis zu 25.000 m erreicht, da die langsam laufenden großen Propeller für extreme Flughöhen optimiert sind. In zwei Gondeln ist Platz für Spezialkameras, Messinstrumente usw., da als Einsatzgebiete Umweltüberwachung, Höhenforschung und Relaisfunk (als preiswerte Alternative zu Satelliten) infrage kommen. Der Flieger ist 3,60 m lang, hat eine Spannweite von 36,30 m bei einer Flügeltiefe von 2,40 m. Seine Startmasse beträgt 315 kg, die maximale Zuladung 67,5 kg. Die 12,5 kW Solarleistung speisen acht 1,5 kW Motoren und erlauben eine Fluggeschwindigkeit bis zu 32 km/h. Im Sommer 2002 wird das Flugzeug bei zahlreichen Demonstrationsflügen eingesetzt, bei dem die unterschiedlichsten Fernerkundungs- und Messgeräte zum Einsatz kommen.

Die Weiterentwicklung ist der Nurflügler ‚Centurion’, der mit seinen 61,80 m Spannweite, 3,60 m Höhe, 14 Stück 1,5 kW Motoren und 31 kW Solarzellenleistung den Zwischenschritt zum Bau des Großflugzeugs ‚Helios’ bildet, das ununterbrochen bis sogar sechs Monate lang in der Luft bleiben kann. Der ‚Centurion’ fliegt am 10.11.1998 zum ersten mal, erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 33 km/h, und bei einem späteren Flug befördert er eine Test-Nutzlast von über 270 kg – mehr halb so viel, wie er selber wiegt (529 kg). Im Laufe der 31-minütigen Flugzeit erreicht der Solarflieger eine Höhe von 120 m.

Der ‚Centurion’ wird nach diversen Umbauten dann direkt in ‚Helios-Prototyp’ umbenannt.

Jungenflug des ‚Helios’ ist am 8. September 1999, und Dryden beginnt mit den Flugtest in niedrigen Höhen. Zwischen März und September 2000 werden auf dem auf 75,3 m Länge gewachsenen Flügel mehr als 62.000 Solarzellen aufgebracht, die in 1.770 Paneelen zusammengefaßt sind. Die Hochleistungssolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22 % stammen zum größten Teil von der amerikanischen Firma SunPower und kosten knapp 9 Mio. $. Die Ingeniere hoffen, damit die NASA-Vorgabe von 100.000 Fuß erreichen zu können, wo die Luftdichte der Dichte der Marsatmosphäre entspricht. Der flexible Flügel besteht aus Kohlefasern und Kevlar. Bis zu 14 Motoren mit jeweils 2 PS treiben das Flugzeug an.

Auf Anweisung der NASA beginnt AeroVironment schon 1998 mit der Entwicklung eines PEM-Brennstoffzellen-Systems für den ‚Helios’, das dem Solarflugzeug eine ununterbrochene Flugdauer von sechs Monaten erlaubt. Zwischen 2001 und 2003 werden zwei Brennstoffzellen-Typen entwickelt – ein regenerativer und ein nicht-regenerativer.

Beim regenerativen Typ findet die Wasserspaltung an Bord statt und erfolgt tagsüber mittels Katalysator und Solarstrom, wobei die entstehenden Gase H2 und O2 ins speziell entwickelten, besonders leichten Drucktanks gespeichert werden. Nachts versorgen die Gase die Brennstoffzelle, um den notwendigen Betriebs- und Versorgungsstrom zu gewährleisten. Damit gibt es im Prinzip keine zeitliche Beschränkung für die Flugdauer.

Beim nicht-regenerativen Typ mit permeabler Protonenaustausch-Membran kommt der Wasserstoff aus Tanks, während der Sauerstoff der Atmosphäre entzogen wird. Eine spätere Version funktioniert mit verflüssigtem Wasserstoff und erlaubt Nachtflugzeiten über zwei Wochen.

Nachfolger der ‚Solair I’ wird die ab 1996 an der Hochschule für Bildende Künste in Hamburg gänzlich neu entwickelte ‚Solair II’, die trotz ihrer Spannweite von 20 m von nur einer Person sogar ohne Werkzeug zusammen gesetzt werden kann, da alle Strom- und Steuerungsanschlüsse in den Steckmechanismus integriert sind und nicht vergessen werden können.

Den Erstflug mit Eigenstart absolviert die ‚Solair II’ im Mai 1998 auf dem Flugplatz Tegel bei Münster. Im Sommer 1998 gibt es eine Testphase in St. Johann/Tirol. Die ursprünglichen Motoren erbringen zwar die nötige Leistung um in die Luft zu kommen, sie erhitzen sich jedoch zu schnell. Auch mit der Kühlung der Batterien gibt es Schwierigkeiten. Von der Firma Wittenstein Motion Control wird deshalb in Zusammenarbeit mit der Universität Paderborn ein neues Antriebskonzept entwickelt. Die ‚Solair II’ wird nun mit zwei kollektorlosen Drehstrommotoren ausgestattet, und auch die Batterien der Firma SANYO sind neu. Der Einbau der neuen Motoren sowie Batterien findet bei der Firma Schwille Elektronik statt.

Am 28. September 1998 stirbt der ebenso geniale wie charismatische Günther Rochelt mit nur 59 Jahren völlig unerwartet.

Das Flugzeug ist mit einem solar ladbaren Speicherakku ausgerüstet, seine Startmasse beträgt 230 kg, und zwei mit geringer Drehzahl gegensinnig laufende, elektrisch verstellbar Schubpropeller an den Spitzen des V-Leitwerks, die sich im Segelflug zusammenklappen, treiben es bis zu seiner zugelassenen Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h an. Der Aufbau der ‚Solair II’ ähnelt dem eines konventionellen Segelflugzeuges, auffällig ist allerdings die besondere Formgebung der Tragflügel mit leichter Vorpfeilung des Innenflügels und einer Rückpfeilung des Außenflügels. Dadurch werden die Sichtverhältnisse für den Piloten entscheidend verbessert. Um eine gleichmäßige Belegung des Tragflügels mit Solarzellen zu ermöglichen, haben Innen- und Außenflügel einen rechteckigen Grundriß. Lediglich ein angestecktes Randbogenstück mit angeformtem Winglet bildet den Tragflügelabschluß.

Die 30,44 m² Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 17,3 % werden mit einem neuen Verfahren verbunden, das die erforderliche Laminatdicke halbiert, außerdem erreicht die komplett neu entwickelte Antriebs- und Laderegelung mit 98 % einen extrem hohen Wirkungsgrad, so daß auch kaum etwas von der eingefangenen Sonnenenergie verloren geht.

Die ‚Solair II’ von Rochelt, die im Flug wie ein mysteriöser, bislang unbekannter Vogel aussieht, verunglückt später bei einem Testflug in Eggenfelden. Herr Werner Schwille, Chef der ‚Schwille Elektronik’ in Kirchheim, schickt mir im November 2007 folgende Zusammenfassung der Geschehnisse:

„Nach dem Tod von Prof. Günter Rochelt stand das Flugzeug in Hamburg an der Hochschule der Bildenden Künste. Diese Universität ist auch der eigentliche Eigentümer, da das Flugzeug im Rahmen von Studienarbeiten auf dem Campus erstellt worden ist. Nach dem Tod von Günter wurde die Solair II als Dauerleihgabe an den Sohn Holger Rochelt übertragen, der die Solair II dann nach Kirchheim bei München schleppte. Hier wurde in meiner Firma die Bordelektronik erneuert und neue Motoren mit neuen Rotorblättern eingebaut. Ebenfalls wurde der Startakku (9,6 KW für 6 Minuten) erneuert. Der neue Antrieb wurde dann von einem Zulassungsbeamten abgenommen.

Als das Flugzeug startbereit war, erfolgten mehrere erfolgreiche Testflüge bis zu jenem Tag, als es in Eggenfelden auf Grund von Rauch in der Kanzel nicht mehr richtig landen konnte und die Landebahn verfehlte. Mit dieser Notlandung und dem Rauch ist die Fluglizenz sofort erloschen. Da der Rumpf gestaucht ist, ist eine Wiederzulassung äußerst schwierig.

Die Solair I hängt bereits in der Luftfahrtschau im Deutschen Museum in München, für die Solair II hat das Museum derzeit keinen Platz. Bis dahin wird das Flugzeug von uns ausstellungsreif gemacht und vorerst hier in der Firma im Seminarraum ausgestellt.“

Das Deutsche Museum in München hatte 2006 Interesse bekundet, die ‚Solair II’ selbst zu reparieren und ausstellungsreif aufzunehmen. Ich schlage Herrn Schwille daher vor, doch dem Berliner Museum für Verkehr und Technik ein Angebot zu machen. Schwille selbst, ein Experte für Hochfrequenztechnik, beschäftigt sich inzwischen zunehmend mit neuen Formen der Energie wie z.B. mit Nachbauten der Entwicklungen von Nikola Tesla.

Bereits m Jahr 1996 beteiligt sich die Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Stuttgart mit dem Projekt ‚Icaré’ am weltweit ausgeschriebenen Berblinger Preis der Stadt Ulm. Das Ziel ist es, ein praxistaugliches, solarelektrisch getriebenes Hochleistungssegelflugzeug zu entwickeln, das schon bei der Hälfte der maximalen Sonneneinstrahlung rein solar fliegen kann und in der Lage ist, den horizontalen Schwebeflug ausschließlich mit Hilfe von Solarenergie auszuführen, in dem es auf geringstes Sinken ausgelegt ist und auf die leichteste Thermik anspricht. Unter der Projektleitung von Prof. Voit-Nitschmann wird das Forschungsprojekt mit Hilfe von Sponsorenmitteln und Mitteln des Landes Baden-Württemberg realisiert. Im Rahmen der Entwicklung entstehen auch etwa 45 Studien- und Diplomarbeiten.

Mit der ‚Icaré II’ ist ein kombiniertes Motor/Thermik-Fliegen möglich. Der 1,2 kW Elektromotor ist am Seitenleitwerk angebracht, was den Wirkungsgrad erhöht. Für den Eigenstart wird Akku mit einer Leistung von 915 Wh verwendet, welcher im Flug durch 20,7 m² Solarzellen (82 % der Flügelfläche) aufgeladen wird. Die Spannweite beträgt 25 m, das Leergewicht 264 kg und die max. Zuladung 80 kg. Das Flugzeug benötigt auf Gras eine Startstrecke von 180 m, die Höchstgeschwindigkeit beträgt 120 km/h, und ohne Sonne reicht der Akku für eine Flugzeit von 40 min.

Am 07.07.1996 gewinnt ‚Icaré II’ den mit 100.000 DM dotierten Preis für das weltweit leistungsfähigste Solarflugzeug, und ein Jahr später werden sogar drei Preise eingeheimst: der EAA – Special Achievement Award (Oshkosh, USA), die Goldene Daidalos-Medaille des deutschen Aero-Club, und der OSTIV Preis (St. Aubin, Frankreich). Später werden Li-Polymer-Akkus integriert, die es dem Flugzeug erlauben, aus dem Eigenstart direkt auf 1.200 m zu steigen (davor nur 400 m).

Im November 1996 testet eine Arbeitsgemeinschaft der University of California in L.A., der NASA und des Luft- Und Raumfahrtunternehmens Rockwell in der Mojave-Wüste ein batteriebetriebenes ‚UAV’ (Unmanned Air Vehicle), das bei Erfolg auf Solarbetrieb umgerüstet werden soll. In Formationsflug sollen die ‚UAV’ dann tagelang ununterbrochen in der Luft bleiben können, da sie hierbei den Auftrieb der vorausfliegenden Flugzeuge nutzen, ähnlich wie es bei Enten- oder Gänseschwärmen der Fall ist.