SIEMENS

Auf den ersten Blick sieht die Weltneuheit ganz unscheinbar aus: Rein äußerlich unterscheidet sich der Motorsegler „DA36 E-Star“ nicht von seinen konventionellen Geschwistern, die den Namen „HK36 Super Dimona“ tragen. Einem aufmerksamen Beobachter wäre beim Jungfernflug des zweisitzigen Motorseglers am 8. Juni 2011 auf dem Flugfeld Wiener Neustadt allerdings etwas aufgefallen: das leise Geräusch und der fehlende Geruch nach Flugbenzin.

Das hat einen einfachen Grund: Das einzigartige Fluggerät ist das weltweit erste seriellhybride Elektroflugzeug und kommt beim Start und bei der Landung ganz ohne Verbrennungsmotor aus. Ein Siemens-Elektromotor mit 70 Kilowatt Leistung treibt den Propeller an und bezieht seine Energie aus Batterien, die in den Tragflächen untergebracht sind. Hat der Motorsegler seine Reiseflughöhe erreicht, schaltet der Pilot einen kleinen Verbrennungsmotor mit 30 Kilowatt Leistung ein. Dieser Wankelmotor ist nur dazu da, um über einen Generator die Energie für den Elektromotor zu liefern und gleichzeitig die Batterien nachzuladen.

Das klingt nach einem komplizierten System, hat aber entscheidende Vorteile. „Mit elektrisch betriebenen Flugzeugen lassen sich im Vergleich zu den derzeit effizientesten Technologien 25 Prozent an Kraftstoff und Emissionen einsparen“, erklärt Dr. Frank Anton, Initiator der Electric-Aircraft-Entwicklung bei Siemens Corporate Technology. „Außerdem vermeiden wir dadurch Lärm und Emissionen während des Starts und der Landung.“

Aber warum sparen elektrische Antriebskonzepte Energie? „In konventionellen Flugzeugen sind die Motoren und Turbinen für eine maximale Leistung ausgelegt, die man aber nur für den Start und den Aufstieg benötigt“, sagt Anton. „Sobald die Reiseflughöhe erreicht ist, reichen rund 60 Prozent dieser Leistung aus.“ Die herkömmlichen Antriebe sind also nicht nur unnötig groß und schwer, sondern laufen meist nur im Teillast-Betrieb, der besonders ineffizient ist – sie verschwenden einen Großteil der Energie, die im Kerosin steckt.

Elektrisierender Start. Ganz anders der hybride Motorsegler, den Siemens mit EADS und dem österreichischen Hersteller Diamond Aircraft entwickelt hat: Sein Elektromotor arbeitet in einem weiten Bereich mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 Prozent. Nach Start und Aufstieg mithilfe der Batterie übernimmt der Wankelmotor die Versorgung, der dabei kontinuierlich im effizientesten Arbeitspunkt betrieben werden kann – produziert er einmal zu viel Strom, kann dieser problemlos in den Batterien zwischengespeichert werden. So wird die Energie des Kerosins optimal genutzt.

„Durch das seriell-hybride Konzept trennen wir die Energieerzeugung und den Antrieb, so dass wir beide unabhängig voneinander optimieren können“, umschreibt Anton die Idee. Bislang waren allerdings die Komponenten für elektrische Flugzeuge noch zu schwer, um der Technik zum Durchbruch zu verhelfen. Dank der zunehmenden Elektrifizierung des Autos machen die Hersteller von Motoren, Batterien und Leistungselektronik aber enorme Fortschritte, von denen jetzt auch die Luftfahrt profitiert. „2011 ist das Jahr des elektrischen Fliegens“, bringt es Anton auf den Punkt.

Denn neben dem Diamond-Motorsegler startete im Mai 2011 auch „e-Genius“ zum Jungfernflug – ein reines Elektroflugzeug, das von der Universität Stuttgart mit EADS und Airbus entwickelt wurde. Der Zweisitzer hat einen Elektromotor mit 60 Kilowatt Leistung und Batterien mit einer Speicherkapazität von 56 Kilowattstunden. Damit schaffte e-Genius im Juni eine Strecke von 341 Kilometern, bei einem Energieverbrauch von umgerechnet vier Litern Benzin. Und neben dem Motorsegler DA36 EStar war in Le Bourget auch der „Cri-Cri“ zu sehen, ein Mini-Flugzeug, das von vier Elektromotoren angetrieben wird und von EADS, Aero Composites Saintonage und der Green Cri-Cri Association entwickelt wurde. Cri-Cri kann bei einer Geschwindigkeit von 110 Stundenkilometern 30 Minuten lang rein elektrisch fliegen.

Für die Flugzeughersteller sind elektrische Flugzeuge eine interessante Alternative, weil sie dazu beitragen können, die Klimabelastung durch den Luftverkehr zu reduzieren – immerhin stammen 2,2 Prozent der CO₂-Emissionen aus den Antrieben der Fluggeräte. „Mit den Prototypen haben wir die Eintrittskarte zum elektrischen Fliegen gelöst“, sagt Dr. Peter Jänker, der bei EADS ein Team leitet, das sich intensiv mit dem Thema beschäftigt. „Allerdings müssen die Komponenten noch leichter werden.“v

Zum Beispiel die Batterien: Spitzenmodelle auf Lithium-Ionen-Basis können heute pro Kilogramm rund 200 Wattstunden (Wh) elektrische Energie speichern – Kerosin kommt auf 13.000 Wh, von denen wegen des schlechten Wirkungsgrades der Turbinen aber nur rund die Hälfte genutzt werden kann. Neue Lithium-Schwefel-Akkus könnten in einigen Jahren 2.600 Wh erreichen – heute liegt ihre Speicherkapazität bei 350 Wh/kg.

Neue Leichtigkeit. Auch die Motoren müssen leichter werden: Heutige E-Maschinen leisten pro Kilogramm Gewicht bestenfalls 1,5 Kilowatt (kW). „Unser Ziel sind zehn Kilowatt pro Kilogramm“, sagt Anton, der selbst einen Pilotenschein hat und Kunstflug betreibt. „Und dem sind wir schon einen großen Schritt näher gekommen: Die Experten von Siemens Drive Technologies haben einen Motor entwickelt, der 6,4 kW/kg leistet – das Vierfache des heutigen Wertes.“

Die neue Leichtigkeit erreichen sie durch ein ganzes Bündel von Maßnahmen. Die mechanischen Komponenten bestehen nicht aus Metall, sondern aus leichter Kohlefaser, und wegen der hohen Polzahl des Motors muss das Magnetfeld nur über kurze Strecken geführt werden – so sparen die Entwickler magnetisches Material ein, das relativ schwer ist, aber nichts zum Antrieb beiträgt. „Mit dem neuen und patentierten Design wird Siemens ein neues Kapitel im Bau von Elektromotoren aufschlagen“, sagt Swen Gediga von Siemens Drive Technologies.

Und langfristig vielleicht auch ein neues Kapitel der Luftfahrt: Denn durch die Elektrifizierung des Fliegens lassen sich Energieerzeugung und Antrieb auch räumlich trennen – der Verbrennungsmotor, der Generator und die Batterie machen rund 80 Prozent des Gewichts des Antriebsstranges aus und können im Rumpf untergebracht werden. Die leichten Elektromotoren – verantwortlich für die restlichen 20 Prozent – würden in den Tragflächen sitzen. „An den Flügeln hingen dann keine schweren Turbinen mehr“, sagt Anton. „Stattdessen könnte man dort mehrere Elektromotoren mit Propellern anbringen, die schwenkbar sind und von denen manche nur für den Start benutzt werden. Das würde den Energieverbrauch beim Fliegen nochmals deutlich verringern.“