In Kooperation mit   aero.de Logo
12.08.2017
Erschienen in: 08/2017  FLUG REVUE

ElektroantriebVerteilte elektrische Antriebe: Strömung mit Strom

Vom kleinen Start-up bis zum großen Flugzeughersteller: Derzeit ist das Thema „verteilte elektrische Antriebe“ in aller Munde. Dabei sind verschiedene Konzepte im Rennen.

Taxi rufen, einsteigen – und abheben: Die Vision von senkrecht startenden und landenden Elektroflugzeugen als alltägliches Fortbewegungsmittel beflügelt derzeit ein gutes Dutzend Unternehmen weltweit. Mit den verschiedenen Konzepten rückt auch eine andere Art von Antrieb in den Fokus: viele kleine Elektromotoren mit Propellern, angebracht an den Tragflächen. Solche verteilten elektrischen Antriebe sind gegenüber Verbrennungsmotoren sauberer, leichter und leiser – ein wich­tiges Kriterium für den potenziellen Einsatz in dicht besiedelten Gebieten.

Die Idee verteilter Antriebe ist nicht neu, erfährt aber durch die Verfügbarkeit von kleinen, leichten und effizienten Elektromotoren eine Renaissance. Das Potenzial scheint vielversprechend: Durch die Anordnung der Propeller auf der Vorder- oder Hinterkante des Flügels wird der Auftrieb vor allem bei niedrigen Fluggeschwindig­keiten erhöht. Dadurch können die Tragflächen kleiner konzipiert werden, was wiederum das Flugzeuggewicht und den Reibungswiderstand im Reiseflug reduziert. Werden die Propeller oder Bläser schwenkbar ausgelegt, ergibt sich eine Art Schubvektorsteuerung. Das ermöglicht nicht nur Senkrechtstarts und -landungen, sondern auch den Verzicht auf oder zumindest die Verkleinerung der Ruderflächen. Beim Ausfall einer Einheit haben viele kleine Antriebe gegenüber wenigen starken Motoren auch sicherheitstechnisch einen Vorteil. Unab­hängig von elektrischen Antrieben sind Flächen­flugzeuge durch die Auftriebswirkung der Flügel gegenüber Helikoptern in Sachen Reisegeschwindigkeit und Energieeffizienz im Vorteil.

Allerdings gibt es noch einige Hürden zu nehmen, bevor elektrische Lufttaxis Realität werden. Zum einen ver­fügen heutige Batterien noch nicht über die für längere Flüge nötige Energiedichte (als Anhaltspunkt: Das elektrisch angetriebene, einsitzige Kunstflugzeug Extra 300 LE ist für eine Flugdauer von 20 Minuten ausgelegt, inklusive Start und Steigflug). Zum anderen fehlen sowohl die rechtlichen Rahmenbedingungen als auch die nötige Bodeninfrastruktur für den Betrieb der kleinen Senkrechtstarter.

Die NASA geht daher mit ihrem Versuchsflugzeug X-57 Maxwell einen konservativen Weg und verzichtet auf Senkrechtstart- und -landeeigenschaften. Das Basisflugzeug, eine Tecnam P2006T, wird schrittweise mit neuen, schlanken Flügeln ausgestattet, an deren Vorderkante 14 Elektromotoren angebracht sind: zwölf Hochauftriebsmotoren à zehn Kilowatt sowie zwei 60-kW-Elek-tromotoren für den Reiseflug an den Flügelenden. Für Start und Landung werden alle Motoren genutzt, im Reiseflug werden die Fünfblattpropeller der Hochauftriebsmotoren zusammengeklappt, um möglichst wenig Widerstand zu erzeugen. Die Energie kommt aus Lithium-Ionen-Batterien. Erste Boden- und Flugtests sind für 2018 geplant. Die NASA will mit der X-57 zeigen, dass sich durch verteilte elektrische Antriebe der Energiebedarf eines Flugzeugs dieser Größe um den Faktor 5 reduzieren lässt.

Das 2009 gegründete Unternehmen Joby Aviation aus Kalifornien arbeitete an Vorgängerprojekten der X-57 mit, entwickelt seit Jahren aber selbst ein zweisitziges Elektroflugzeug. Die Joby S2 soll mithilfe von zwölf schwenkbaren Propellern an den Tragflächen senkrecht starten und landen, vier Propeller in Pusher-Konfiguration an den Flügelspitzen und den Enden des V-Leitwerks sind für den Reiseflug vorgesehen. Das Flugzeug soll eine Reichweite von über 300 Kilometern haben und dabei rund 300 km/h schnell fliegen können. Als Betriebskosten gibt Joby Aviation etwa 12 Cent pro Kilometer an. Noch hat das Unternehmen allerdings keinen Prototyp präsentiert.

Flugzeug für Pendler

Weiter in der Entwicklung ist der Lilium Jet aus Bayern. Das Ziel des 2015 gegründeten Start-ups Lilium ist ein leichter Elektro-Senkrechtstarter mit fünf Sitzen, gedacht für Berufspendler, die sich das Lufttaxi per App bestellen können. Der bemannte Erstflug ist für 2019 geplant. Ein unbemannter zweisitziger Prototyp hob im April erstmals auf dem Flugplatz Mindelheim-Mattsies ab. Der Lilium Jet, der gar kein Jet ist, nutzt 36 ummantelte Propeller, sogenannte Impeller. Sie sind in Dreierpaketen in insgesamt zwölf Klappen an den Flügelhinterkanten sowie an den Canards angeordnet. Für Start und Landung werden die Klappen senkrecht nach unten gestellt, für den Horizontalflug langsam in die Waagrechte gebracht. Von der geplanten Reichweite und Reisegeschwindigkeit her ähnelt das Flugzeug der S2. Im Reiseflug sei der Energieverbrauch vergleichbar mit dem eines Elektroautos. Laut ADAC EcoTest September 2016 liegt der Stromverbrauch verschiedener Elektroautos zwischen 14,7 kWh/100 km (Hyundai IONIQ Elektro Style) und 20,5 kWh/100 km (Nissan Leaf Acenta). Zu weiteren Details – beispielsweise Leistung der Elektromotoren, Art der Batterien – hält sich Lilium auf Anfrage der FLUG REVUE aber bedeckt.

Airbus mischt ebenfalls im aufkommenden Markt der elektrischen Senkrechtstarter mit. Vahana, das Konzept der Silicon-Valley-Tochter A3, ist ein autonom fliegender Einsitzer mit schwenkbaren Tragflächen, an denen acht Propeller angebracht sind. Die Spezifikationen sind noch nicht fest definiert, die Rede ist aber von einer Reichweite von etwa 50 Kilometern und Nutzungskosten pro Kilometer, die denen eines normalen Taxis entsprechen. Laut Airbus sollen die ersten Tests mit einem Prototyp noch 2017 stattfinden. Innerhalb der nächsten zehn Jahre könnten nach Einschätzung von A3 entsprechende Flugzeuge im Stadtverkehr fliegen.

Auf schwenkbare Propeller oder Tragflächen verzichtet Aurora Flight Sciences bei seinem eVTOL (electric vertical takeoff and landing). Das US-Luftfahrtunternehmen setzt bei seinem zweisitzigen Senkrechtstarter auf acht kleine Rotoren auf zwei Schienen, die mit dem Fahrwerk verbunden sind. Ein Propeller am Heck sorgt für den Vortrieb im Reise­flug. Ein verkleinertes Modell des eVTOL absolvierte am 20. April seinen Erstflug. Bis 2020 will Aurora insgesamt 50 Testflugzeuge an Uber ausliefern. Der Fahrdienst-Vermittler hatte im Herbst 2016 angekündigt, ein Flugtaxi-Netzwerk in Dallas und Dubai aufbauen zu wollen. Aus Sicherheitsgründen soll zunächst ein Pilot das eVTOL fliegen, später ist ein vollautonomer Betrieb geplant.

Das Militär ist interessiert

Auch für größere Flugzeuge gibt es Ideen mit verteilten Antrieben. Wegen Einschränkungen bei den aktuellen Batterietechnologien setzen Entwickler aber auf eine Kombination aus konventionellen Gasturbinen und Elektromotoren. Aurora entwickelt neben dem kleinen eVTOL das hybrid-elektrische, unbemannte Versuchsflugzeug XV-24A LightningStrike im Auftrag der DARPA, der Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums. Das Flugzeug mit einer Spannweite von 18 Metern verfügt über 24 elek-trisch angetriebene, ummantelte Bläser, die in schwenkbare Tragflächen und Canards integriert sind. Die Energie erzeugt ein Rolls-Royce-Wellentriebwerk vom Typ AE1107C mit 6150 Wellen-PS (4586 kW), das auch in der V-22 Osprey zum Einsatz kommt. Die Leistung wird über ein Getriebe auf drei 1-MW-Generatoren übertragen. Die Generatoren von Honeywell sollen einen Wirkungsgrad von 98 Prozent haben, wurden bisher aber noch nicht getestet. Anfang März hat Aurora die Flugerprobung eines 1:5-Modells der XV-24A – mit Batte-rien statt Generatoren ausgestattet – in Maryland abgeschlossen. Die Flugtests mit einem Prototyp in Originalgröße und mit hybrid-elektrischem Antriebssystem sollen Ende 2018 beginnen.

Airbus und Rolls-Royce forschen seit 2012 im Rahmen des Projekts E-Thrust an einer Studie für ein 100-sitziges Regio­nalflugzeug mit verteiltem hybrid-elektrischem Antrieb, allerdings ohne Senkrechtstart- und -landefähigkeit. Auch hier soll eine Gasturbine über Generatoren die elektrische Energie für sechs ummantelte Bläser erzeugen, die in die Tragflächen-Oberseiten integriert sind. Lithium-Luft-Batterien sollen die Leistungsspitzen bei Start und Steigflug abdecken. Eine Schlüsseltechnologie für E-Thrust sind supraleitende Komponenten für Motoren, Generatoren und Kabel, um Verluste gering zu halten. Bis solche Flugzeuge kommerziell einsetzbar sind, wird es aber noch eine Weile dauern. Airbus visiert einen Zeitraum zwischen 2030 und 2050 für eine mögliche Indienststellung an.

FLUG REVUE Ausgabe 08/2017

Teilen:

Mehr über ...
FLUG REVUE bei FLUG REVUE bei Facebook FLUG REVUE bei Twitter FLUG REVUE bei Google plus