Solarluftschiffe

Verschiedene Modelle solarer Luftschiffe

Das Unternehmen Lighter then Air Solar (LTAS)/CAMBOT LLC. von Michael Walden in Palmales Court, Las Vegas, beginnt bereits in den frühen 1970ern – und später auch in Zusammenarbeit mit der SkyLARC Technologies Ltd. und der University of York – mit der Entwicklung schwebender HAP-Plattformen (High Altitude Platform) sowie SOSCS-Anlagen (Sub Orbital Solar collector and Communications Station) als Relaisstationen für die Telekommunikation. Der 1951 geborene Walden gilt aufgrund einer seltenen Augenkrankheit juristisch als blind – so verbleibt ihm als einziges Fluggefährt, das er vielleicht einmal steuern kann, das Luftschiff. Schon mit 14 beginnt er daher, erste Modelle zu entwerfen.

1974 wird das kleine, ferngesteuerte Modell ‚XEM-1’ gebaut, das Solarzellen-betrieben zum ersten mal am 04.07. startet. Schon hier zeigt sich das charakteristische, flugscheibenförmige Design, welches das Unternehmen auch bei seinen späteren Modellen beibehält. Die Patentierung beginnt 1977 – zeitlich parallel zu weiteren, vom DOE finanzierten Testflügen auf der Nellis Air Force Base.

1978 erreicht das Modell ‚XEM-2’ bereits eine Gesamtflugzeit von 3 Monaten und 3 Tagen. Es ist ein ebenfalls solarbetriebenes Flugobjekt mit einen Durchmesser von knapp 2,5 m. Gemeinsam mit dem mexikanischen Unternehmen SPACIAL wird außerdem die Entwicklung des ‚MLA-24-A’ Luftschiff begonnen. 1980 wird das 3,65 m durchmessende Modell ‚XEM-3’, und 1981 das ähnliche ‚XEM-4’ konstruiert. Nun beginnt auch der Bau des großen Luftschiffes, doch 1982 zerstört ein Hurrikan in Mexiko die Werkstätten und alle Modelle.

Nach dem Wiederaufbau 1983 setzt Walden seine Arbeit mit der Herstellung des bereits etwas größeren ‚MLA-32-A’ fort, das 1985 fertig ist. Bei einer zweistündigen unbemannten Fahrt 1986 erreicht es auch eine Höhe von knapp 20.000 Fuß, doch ein Gaszellenriß verursacht eine so harte Landung, daß es stark in Mitleidenschaft gezogen wird. 1987 wird das dann Schiff repariert, und außerdem wird die ‚MLA-32-B’ auf Kiel gelegt, die am 24.06.1989 zu ihrem Erstflug startet. Es ist das erste bemannte Starrluftschiff, das sich seit über 50 Jahren in die Luft erhebt, hat einen Durchmesser von 20 m und eine Höhe von 12 m. Walden hatte derweil den mexikanischen Unternehmer Mario Sanchez-Roldan kennengelernt, der mit ihm seinen Traum teilte und die Projekte finanzierte.

Ab 1990 arbeitet das Unternehmen an weiteren Luftschiffen wie dem ‚TOURER-90’ für 24 Passagiere, der im Bereich des Ökotourismus eingesetzt werden soll. Alleine schon der 360° Rundblick aus der ebenfalls runden Gondel bietet einen großen Vorteil gegenüber allen anderen vergleichbaren Konzepten. Etwa 75 % der Oberfläche soll mit Solarzellen belegt werden.

Während der Endspiele des World Cup 1990 in Mexico City fliegt das Luftschiff ‚MLA-32-B’ eine Woche lang Werbeflüge, bei denen es täglich von über 20 Mio. Menschen gesehen wird. Nach einer Notlandung aufgrund von Energieproblemen, die ausgerechnet auf einem von aztekischen Bauern besetzten Feld erfolgt, wird das Luftschiff von etwa 2.500 Personen angegriffen und völlig zerstört. Mario Sanchez-Roldan stirbt einen Monat später bei einem Autounfall. Und die Versicherung haftet nicht für Schäden durch ‚wilde Ureinwohner’. Von dem UFO-förmigen Schiff gibt es leider nur sehr bescheidene Schwarzweiß-Fotos.

Zwischen 1991 und 1994 werden die Luftschiffpläne mehrfach der zwischenzeitlich erfolgten technischen Entwicklung angepaßt – und statt Solarpaneele werden sie nun für den Einsatz von Dünnschicht-Solarzellen vorbereitet.

Nachdem es bis 1995 nicht gelingt, die Finanzierung des ‚Tourer-90’ zu sichern, entwickelt das Unternehmen mit dem ‚X-30’ ein kleines, nur 22 bis 25 m durchmessendes Luftschiff für 2 bis 3 Personen, mit dem es während der Solar Challenge in Australien an dem Solar Airship race Airborne teilnehmen will. Außerdem wie erste Weltumrundung mit einem solarbetriebenen Luftschiff geplant: die ‚The Solar Saucer Tour’.

1996 beginnt das Unternehmen ferner mit der Entwicklung eines Schiffes für 120 Passagiere. An dem ‚LTAS 280’ mit seinen 85 m Durchmesser sind Reiseunternehmen wie Aerocarribe interessiert. Diese Pläne scheinen aber alle nicht umgesetzt worden zu sein.

Daß die Firma SkySat Communications 1997 bei LTAS eine Vergleichsstudie zwischen dem ‚SOSCS’- und dem ‚Skyworm’-Projekt von SkySat bestellt, ist die letzte Meldung auf der Homepage des Unternehmens, die inzwischen auch nicht mehr erreichbar scheint. Die letzten Pressemeldungen stammen aus dem Jahr 2000.

Das erste Solar-Kleinluftschiff in Deutschland ist die ‚Lotte’, die unter der Leitung von Prof. Bernd Kröplin ab 1993 an der Universität Stuttgart entwickelt wird. Das ferngelenkte Luftschiff ist 15,6 m lang, hat einen größten Durchmesser von 4 m, und besitzt ein Volumen von 109 m³. Die Spannweite der Leitwerte beträgt 4,4 m. Da die Steuerung und die Instrumente im Inneren des Auftriebskörpers untergebracht sind wird keine Gondel installiert. Die Gesamtmasse beläuft sich auf 98 kg.

Der Antrieb erfolgt über einen Heckpropeller mit einem Durchmesser von 1,7 m, dessen 1,5 kW Motor von einem auf der Oberseite des Luftschiffes angebrachten 7 m² großen Solargenerator mit 1.123 W Maximalleistung gespeist wird. Außerdem kann ein Akkumulator (1 kWh, 20 kg) eingesetzt werden. Die Höchstgeschwindigkeit beträgt 46 km/h und die maximale Flughöhe 1.000 m.

Nach ihrer Fertigstellung wird die ‚Lotte’ 1993 auf der Internationalen Gartenschau in Stuttgart vorgestellt, wo auch viele Flüge für die Zulassung beim Luftfahrtbundesamt (LBA) absolviert werden. Außerdem nimmt das Luftschiff ‚ehrenhalber’ an der World Solar Challenge in Australien teil. Ab 1994 und bis einschließlich 2002 führt die ‚Lotte’ eine Vielzahl von Luftschadstoff- und anderen Messflügen durch. Auch zum ersten Spatenstich beim Bau der CargoLifter-Werfthalle in Brand am 01.05.1998 ist sie dabei – ebenso wie während der Festivitäten ‚100 Jahre Zeppelin’ am 02.07.2000 in Friedrichshafen.

Im Vorfeld der Verhüllung des Reichstages im Juni/Juli 1995 bemühe man sich, auch dieses Luftschiff nach Berlin zu holen.

An dem Airborne World Scholar Challenge Race 1996 will auch ein Team von 20 Studenten der University of Virginia unter der Leitung von George Weinman teilnehmen, das ein eigenes Luftschiff gebaut hat (Project SECAP), über das allerdings keine Informationen zu finden sind – ebenso wenig wie zu dem Rennen selbst. Überhaupt muß ich im Herbst 2006 feststellen, daß viele der Seiten, die ich mir in den vergangenen zwei Jahren markiert hatte um sie für diese Recherche zu nutzen, nun nicht mehr erreichbar sind.

1997 wird von dem Unternehmen Advanced Aircraft Hybrid in Eugene, Oregon, ein ferngesteuertes elektrisch betriebenes Kleinluftschiff ‚Wasp Drone’ speziell für die Luftbildfotografie entwickelt. Es ist mit einem 12 V System mit 400 W Leistung ausgestattet. Die Firma konzipiert auch andere Luftschiffe sowie Bodeneffekt-Vehikel.

1998 erscheint in der Cambridge Aerospace Serie das von dem arabischstämmigen Ingenieur Gabriel A. Khoury zusammen mit J. David Gillett herausgegebene Buch Airship Technology. Khoury hatte schon im November 1986 unter dem Titel ,The Case for a Solar Powered Airship’ ein entsprechendes Konzept für ein Luftschiff mit Solarantrieb vorgelegt – von einer Umsetzung ist mir allerdings nichts bekannt.

Ein ähnliches Konzept liegt dem (undatierten) Projekt ‚Sunship’ zugrunde, mit dem es gelingen soll, die Welt mittels Solarenergie zu umfliegen. Es handelt sich um den Plan für ein Starrluftschiff, in dem drei Personen auch den Atlantischen bzw. den Pazifischen Ozean in niedriger Höhe überqueren können. Bei größeren Höhen können noch zwei Personen mitfliegen, und sehr große Höhen erreicht das Schiff mit einer Person an Bord. Das Konzept der Entwickler des Solarseglers ‚Sunseeker’ (s.o.) sieht vor, daß das ‚Sunship’ auch den bisherigen Höhenrekord für Luftschiffe von 24.000 Fuß brechen kann.

Im Juni 2006 stellt der Unternehmer Kamal Alavi gemeinsam mit einem Team von mehr als 50 Schweizer Wissenschaftlern der ETH Zürich und Lausanne, der Universität Neuenburg sowie der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (EMPA) eine fliegende Handyantenne vor, die aus einem 60 m langen Luftschiff mit GPS-Autopilot und Geräte-Plattform besteht, an dem ein kleines Flugzeug angekoppelt ist.

Die ‚X-Station’ von StratXX soll in 21 km Höhe stationiert werden, ihre Energie bezieht sie aus Solarpanelen, und die Systemkosten für eine Station werden auf 20 bis 25 Mio. € geschätzt. Dies ist nur ein Bruchteil dessen, was vergleichsweise ein Satellit kosten würde. Und während für Satelliten das 30- bis 40-fache zu zahlen ist und man oft jahrelang auf den Start warten muß, kann eine ‚X-Station’ mit nur geringem zeitlichen Vorlauf und von fast jedem beliebigen Punkt aus gestartet werden.

Bei einem in der Summe gerechneten Stückpreis von 200.000 € sind sogar Mobilfunkmasten teurer. Außerdem reicht eine einzige Station aus, um z.B. die ganze Schweiz zu versorgen – womit auch alle bisherigen Mobilfunkmasten wegfallen könnten. Für das gesamte Europa genügen ca. 20 dieser Kommunikations-Luftschiffe.

Die Idee an sich ist nicht neu, japanische und amerikanische Firmen haben es auch schon mit Luftschiff-Designs versucht, doch die Materialien erwiesen sich als zu schwer, bei Hightech-Zeppelinen bis zu 300 g/m². Alavis Idee zur Gewichtsoptimierung auf 20 bis 30 g/m² ist die Kombination der bekannten High-Altitude-Ballontechnologie, wie sie schon seit den 1960er Jahren für meteorologische Forschungsballons angewandt wird, mit einem darunter montierten unbemannten Kleinflugzeug, das mit seinem solargetriebenen Propeller dafür sorgt, daß die X-Station geostationär bleibt – was auch einfach ist, da die Windgeschwindigkeiten in der Stratosphäre relativ niedrig sind und die Windkraft aufgrund der wesentlich geringeren Luftdichte auch entsprechend schwächer ist.

Ende September 2006 bestätigt ein erfolgreich Testlauf, bei dem Plattform für Kommunikations-, Sende- und Überwachungsanwendungen an einem Stratosphärenballon innerhalb weniger Stunden auf die Einsatzhöhe von 21 km über Meer aufsteigt, die Funktionsfähigkeit der Near-Space-Technologie. Der erste Prototyp soll Mitte 2007 gestartet werden.

Auch die in Pembroke Pines, Florida, beheimatete Sanswire Networks, LLC, eine Tochter der GlobeTel Communications Corp., stellt 2006 das Konzept für ein solarbetriebenes Stratosphären-Luftschiff vor – und hat auch gleich einen passenden Namen dafür. Der ,Stratellite’ ist ein starres Leichter-als-Luft Vehikel, das für den unbemannten Betrieb in Höhen bis zu 20.000 m und als Alternative zu Satelliten konstruiert wird. Bislang hat das Unternehmen nur Demonstrationsflüge mit einem kleinen Prototypen durchgeführt; Partner sind die NASA und die Air Force.

Wie fast immer kommt auch hier die Entwicklung insbesondere im militärischen Bereich gut voran. So arbeitet Lockheed Martin HAA (die völlig insgeheim ein dreigliedriges Hybridluftschiff P-791 für Schwerlasten gebaut haben, das im Januar 2006 erstmals von Piloten der Skunk Works getestet wurde) ebenfalls an einem solarbetriebenen Luftschiff, das mehr als ein Jahr lang in einer Höhe von 18.000 m schweben kann – um ‚feindliche Bewegungen’ zu beobachten. Ein Prototyp ist für 2010 anvisiert.

Weltraum-Solarsegel

Wie bei den klassischen durch Wind angetrieben Segelschiffen, können auch im Weltall große Segel entfaltet werden, die mit ihrem dünnen reflektierendem Material auf den sehr schwachen, aber nie versiegenden Schub reagieren, der vom Sonnenlicht ausgeübt wird. Dies erlaubt dem Sonnensegler, nahezu ohne Begrenzungen Kurs durch das Sonnensystem zu nehmen. In Erdentfernung übt das Licht der Sonne einen Schub von 9 Mikro-Newton auf jeden Quadratmeter Segel aus, entsprechend 900 g Masse auf jeden Quadratkilometer. Die Energie wird hier ohne jede Zwischenspeicherung direkt umgesetzt

Wegen des geringen Drucks der Lichtteilchen beschleunigt ein Segler zuerst mit nur 18 cm pro Stunde, doch je länger und kontinuierlicher das Sonnenlicht auf die Segel wirkt, desto schneller wird er. Nach 100 Tagen liegt die Geschwindigkeit bei rund 16.000 km/h, nach drei Jahren sogar schon bei 160.000 km/h.

1915 werden in Russland die ersten ernsthaften Überlegungen von Yakov Pelerman zum photonischen Antrieb veröffentlicht, und 1924 entwerfen die russischen Raumfahrtpioniere Konstantin Ziolkowski und Friedrich Zander das erste Sonnensegel-Konzept. Der Ausdruck ‚Sonnensegler’ erscheint 1958 in einem Artikel des amerikanischen Ingenieur X. Garvin, und inspiriert Arthur C. Clarke 1963 zu seiner Kurzgeschichte Der Wind von der Sonne, in der es um eine Sonnensegler-Regatta von der Erde zum Mond geht.

Als die NASA 1973 über das Rendezvous eines Raumfahrzeugs mit dem Halley’schen Kometen nachdenkt, wird ein Forschungsprogramm für Sonnensegler initiiert, das später aus finanziellen Gründen wieder fallengelassen wird. Mehrere Wissenschaftler und Techniker vom Jet Propulsion Laboratory gründeten daraufhin die World Space Froundation mit dem Ziel, die technische Durchführbarkeit des Sonnensegelns zu beweisen.

1981 schließen sich in Europa mehrere Raumfahrt-Profis, hauptsächlich von ONERA und von CNES, mit Interesse an Sonnenseglern zusammen, um die Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (U3P) zu gründen, deren Ziele die der World Space Foundation gleichen. Außerdem kommt nun noch die Idee einer Sonnensegler-Regatta zwischen Erde und Mond hinzu.

Für 1992 wird zum 500-jährigen Jubiläum der Entdeckung Amerikas durch Christopher Kolumbus eine Regatta mit drei Solar-Seglern geplant (weil dieser ebenfalls mit drei Schiffen unterwegs gewesen war), die tief ins Weltall hinaus führen und deren Wendeboje der Mond sein soll.

Für die USA soll das ‚Solar Sail Race Vehicle’ der World Space Foundation ins Rennen gehen, das mit seinem silberbedampftem 3.000 m²-Kunststoffsegel an einen quadratischen Kinderdrachen erinnert, während der 20 kg wiegende ‚Heliogyro’-Segler des MIT acht Segelblätter von 170 Meter Länge aufweist. Technisch führend scheint allerdings das Modell der englischen Firma Cambridge Consultants zu sein, dessen Segel sich scheibenförmig um die Nutzlastkapsel auffaltet und dabei die Rekordgröße von 60.000 m² bei 276 m Durchmesser erreicht. Dank verstellbarer Rippen kann das Segel außerdem Schüssel- oder Sattelform annehmen. Enttäuschenderweise finden sich keine Sponsoren für den ‚Columbus 500 Space Sail Cup’, und die Klipper werden nicht gebaut.

1993 und 1999 werden an der russischen Raumstation MIR die Entfaltungsmechanismen von zwei Sonnensegel getestet, die Ergebnisse sind jedoch unbefriedigend.

Das Deutsch/Europäische Projekt von DLR und ESA ‚Solar Sail’ zeigt 1999 bei einer Bodendemonstration die Entfaltung eines 20 × 20 m großen Sonnensegels. Für 2006 wird eine Demonstration im Orbit mit einem Solar-Sail von 28 m Spannweite geplant.

Die Mission des Weltraumseglers ‚Cosmos 1’ der privat finanzierten amerikanisch-russischen Forschungsgesellschaft Planetary Society in Pasadena kostet 3,3 Mio. € und ist mit Sponsorengeldern finanziert. Die 100 kg schwere Sonde soll die neue Sonnensegel-Antriebstechnik testen. Ihre acht dreieckigen und jeweils 15 m großen Segel aus Aluminium-beschichtetem Mylar sind wie die Blätter eines Hubschraubers angebracht und frei beweglich. Das Material ist 5 µm dick (etwa 20-mal dünner als menschliches Haar) und gilt derzeit als das leichteste Gewebe bei höchster Festigkeit.

Doch der Start 2001 von einem russischen U-Boot in der Barentsee aus geht schief. Nach Angaben der russischen Raketenbaufirma Makejew setzt der Antrieb der ersten Stufe der Trägerrakete aus, aber die umgebaute Militärrakete vom Typ ‚Wolna’ verfügt über keine Ersatzzündung. Auch ein weiterer Versuch 2005 endet mit einem Raketenfehler.

Die japanische Raumfahrtagentur ISAS führt im August 2004 einen erfolgreichen Test zur Entfaltung zweier Sonnensegel in einem suborbitalen Flug durch.

Unter den sechs sogenannten ‚Centennial Challenges’ der NASA 2006, bei denen Preisgelder zwischen 500.000 und fünf Millionen US-Dollar zu gewinnen sind, gibt es auch die ‚Station-Keeping Solar Sail Challenge’ zur Entwicklung neuer Raumfahrzeuge mit Solar-Segel-Antrieb, die in zwei Kategorien unterteilt ist: 2,5 Mio. $ erhält, wer als Erster mit einem Solar-Fahrzeug einen Streckenverlauf im All mit definierter Mindestbeschleunigung absolviert. Ziel ist der etwa 1,5 Mio. km von der Erde entfernte Lagrangepunkt L1. Ebenfalls 2,5 Mio. $ bekommt, wer als Erster eine Zielregion ober- oder unterhalb des Lagrangepunktes L1 erreicht und diesen Punkt 90 Tage fixiert.

Theoretisch besteht auch die Möglichkeit, den Sonnenwind mittels ‚magnetischer Segel’ einzufangen. Damit meint man ein um das Raumschiff erzeugtes starkes Magnetfeld, das in einer Plasmablase eingeschlossen ist.

Der Vorteil eines solchen Segels wäre die große Nutzfläche (man denkt hier an einen Durchmesser von bis zu 15 km) fast ohne Materialeinsatz. Der Nachteil ist, dass ständig Plasma nachgeliefert werden muss, weil es langsam aus dem Magnetfeld entweicht. Diese Methode wird als Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2) bezeichnet.

Und auch das Unternehmen KiteShip in Martinez, Kalifornien, das sich VLFFS-Lenkdrachen als Antriebsquelle für Schiffe beschäftigt, schaut über den Planetenrand hinaus und projektiert bereits Segel für den Einsatz in der Marsatmosphäre und für Reisen zum Jupiter.