Technologische Herausforderungen für die elektrische Luftfahrt: Ein kurzer Überblick

Die Elektrifizierungstrends, die wir in den letzten Jahrzehnten im Bereich des Bodentransports beobachtet haben, setzen sich langsam auch in der Luft fort. Da sowohl etablierte Unternehmen als auch Start-ups in neue Technologien investieren, ist das Science-Fiction-Klischee vom fliegenden Auto fast schon Realität. Tatsächlich haben große Städte rund um den Globus bereits Flotten von Lufttaxis bestellt, darunter São Paulo und Vertical Aviation.

Von größerer Bedeutung ist vielleicht die Entwicklung von Hybrid- und vollelektrischen Verkehrsflugzeugen. Angeregt durch steigende Treibstoffpreise und den größeren Bedarf an sauberer Technologie im Verkehrssektor, der bei weitem den größten Kohlenstoff-Fußabdruck hinterlässt, steht die Nachfrage (vor allem auf lange Sicht) außer Frage. In einem Grundsatzreferat über die Zukunft der elektrischen Luftfahrt betonte der Forschungsleiter der NASA, Dr. Ajay Misra, die Unvermeidbarkeit der Elektrifizierungsrevolution in der Luftfahrt: „Es ist keine Frage des Ob, sondern des Wann.“

Wann können wir also damit rechnen, dass die Revolution voll zum Tragen kommt?

Herausforderungen

Bevor wir uns mit dem Zeitplan befassen, sollten wir zunächst die Hemmnisse beleuchten. Die Herausforderungen reichen von strengen Vorschriften über die Entwicklung der Infrastruktur bis hin zur Technologie. Dieser Artikel konzentriert sich auf letztere.

Bevor wir einsteigen, eine kurze Anmerkung zu den Sektoren innerhalb der Luftfahrtindustrie. Experten neigen dazu, die Branche in vier Gruppen zu unterteilen: Freizeit-/General Aviation (z. B. Cessna, Wochenendhobbyisten usw.), städtische Mobilität (Lufttaxis), Regional-/Geschäftsflugzeuge und Verkehrsflugzeuge. Mit Ausnahme vielleicht des autonomen Flugs für Anwendungen im Bereich der städtischen Mobilität (diese Technologie ist noch nicht ganz so ausgereift, wie frühere Prognosen vorausgesagt hatten), beschreibt die oben aufgeführte Reihenfolge in der Regel den Grad der Komplexität, der mit der Elektrifizierung verbunden ist. D.h. Verkehrsflugzeuge sind noch am weitesten von der Markteinführung entfernt. Doch welche konkreten technologischen Hürden stehen dem noch im Weg?

Batterien

Es überrascht vielleicht nicht, dass die Batterietechnologie auf den meisten Listen ganz oben steht. Insbesondere ein Parameter, der als Energiedichte bezeichnet wird und in der Regel in Wattstunden pro Kilogramm gemessen wird, ist im Falle von kommerziellen Flügen der begrenzende Faktor für die Batterieleistung. Während handelsübliche Batterien im Bereich von 150-250 Wh/kg liegen, gehen Experten durchweg davon aus, dass das Minimum für kommerzielle Fluganwendungen im Bereich von 450-500 Wh/kg liegt. Die Entwicklung der Batteriechemie wird diesen Fortschritt vorantreiben, wobei viele Experten die Ankunft einer 500 Wh/kg-Batterie noch etwa ein Jahrzehnt entfernt sehen.

Um die Dinge ins rechte Licht zu rücken, hat das Beratungsunternehmen Roland Berger einen Reichweitenvergleich für einen Standard-Pendlerjet, die Dornier 328, angestellt und untersucht, wie sich das Flugzeug selbst verändern müsste, wenn ein elektrisches Antriebssystem (unter Verwendung heutiger Batterien) einfach in das Flugzeug eingebaut werden würde. Erstens: Selbst wenn der Gesamtwiderstand des Flugzeugs um 20 % sinken, die Spannweite um 50 % zunehmen und die Gesamtmasse um 20 % sinken würde, hätten wir immer noch nur ein Drittel der ursprünglichen Reichweite im Vergleich zum Kraftstoffantrieb. Um eine vergleichbare Reichweite zu erzielen, müsste die Energiedichte der Batterie um das Vierfache auf 720 Wh/kg erhöht werden.

Neben der Batterieleistung selbst geht es auch um Gefahrenabwehr. Man braucht sich nur vor Augen zu führen, wie streng die Fluggesellschaften die Verwendung von Batterien an Bord von Flugzeugen einschränken, um sich die Herausforderungen vorzustellen, die der Einsatz der gleichen Technologie für den Antrieb des Flugzeugs mit sich bringt. Die Batteriesicherheitssysteme, die solche Katastrophen wie den thermischen Durchschlag verhindern, müssen äußerst robust sein.

Leistungselektronik

Doch die Batterien und ihr Verhältnis von Reichweite zu Gewicht sind nicht die einzige technologische Hürde. Auf der Ebene der Teilsysteme sind der Elektromotor und insbesondere die Leistungselektronik, die die Energie der Batterie an den Motor selbst weiterleitet, ein wichtiger Schwerpunkt. Die (Hoch-)Spannungsverteilung muss sicherer und leichter werden, und die Leistungswandler, die den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Motor umwandeln, sowie die Motoren selbst müssen eine um den Faktor drei bis fünf höhere Leistungsdichte aufweisen, so Dr. Misra. Selbst auf der Komponentenebene werden die Standard-Kupferdrähte selbst in vielen Fällen nicht leitfähig genug sein und erfordern daher supraleitende Materialien für die Stromübertragung.

Thermisches Management

Auch das Wärmemanagement ist ein zentrales Thema für ein vollelektrisches Antriebssystem. Da es keinen Treibstoff gibt, der in herkömmlichen Antriebssystemen als Wärmesynchronisation für die Verbrennungsenergie in Düsentriebwerken verwendet wird, und die Wärmeabgabe von Batterien, Leistungselektronik und den Motoren selbst höher ist, müssen die Kühlsysteme integrierter und effizienter werden.

Zeitplan

Während erhebliche Investitionen in die erforderlichen Technologien für das Wärmemanagement, die leistungselektronischen Teilsysteme und die Batterien selbst getätigt werden, sind es nach Ansicht vieler Experten die Fortschritte bei letzteren, die den Zeitplan für kommerziell nutzbare Anwendungen bestimmen werden. Während turbo-elektrische Flugzeuge (das Analogon zu Hybridfahrzeugen) bereits demonstriert werden und voraussichtlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts für regionale und geschäftliche Anwendungen Realität werden, sind vollelektrische Verkehrsflugzeuge noch in einer Größenordnung von 15-20 Jahren zu erwarten.

Chancen

Obwohl wir wissen, dass die Entwicklung der Technologie, die die Hemmnisse überwindet, noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, gibt es in der Zwischenzeit durchaus Grund, die elektrische Luftfahrt zu unterstützen. Abgesehen von den offensichtlichen Vorteilen für die Umwelt gibt es mehrere aufregende technologische Möglichkeiten, die die elektrische Luftfahrt bietet (insbesondere für die Luft- und Raumfahrtingenieure unter uns).

Erstens sind Elektromotoren bei der Umwandlung der in den Batterien gespeicherten elektrischen Energie in Schubkraft wesentlich effizienter (in der Größenordnung von 80-90 %) als Düsentriebwerke bei der Umwandlung der chemischen Energie im Treibstoff (eher 30-40 %).

Eine weitere interessante Möglichkeit betrifft die Flugzeugzelle selbst. Bei Flugzeugen mit Treibstoffantrieb ändert sich die Massenverteilung im gesamten Flugzeug, wenn Treibstoff verbraucht wird. Dies führt dazu, dass Strukturen wie die Tragflächen so ausgelegt sein müssen, dass sie sowohl die Lasten eines vollgetankten Flugzeugs (bei dem der Treibstoff normalerweise in den Tragflächen gelagert wird) als auch die eines leeren Flugzeugs aufnehmen können. Bei einem Antriebssystem mit festem Gewicht (was bei fast allen batterieelektrischen Antriebssystemen der Fall ist) können die Tragflächen größer und länger gestaltet werden, was ihre aerodynamische Leistung verbessert.

Der letzte Punkt, den die meisten vielleicht nicht auf dem Radar haben, ist der immense Vorteil der Lärmreduzierung. Düsentriebwerke sind, wie Sie vielleicht schon wissen, lächerlich laut. Wenn Sie nicht in der Nähe eines Flughafens wohnen, ist Ihnen vielleicht nicht bewusst, wie groß die Lärmbelästigung durch Verkehrsflugzeuge ist. Es werden beträchtliche technische Anstrengungen unternommen, um den Geräuschpegel von Düsentriebwerken zu verringern, auch wenn dies auf Kosten der Effizienz geht. Mit elektrischen Antriebssystemen verschwindet dieses Problem (größtenteils).

Abschließende Überlegungen

Auch wenn einige Bereiche der Luftfahrtindustrie bereits vollelektrische Fähigkeiten demonstriert haben, müssen noch erhebliche Technologiesprünge gemacht werden, bevor wir damit rechnen können, mit vollelektrischen Verkehrsflugzeugen kommerziell zu fliegen. In Anbetracht der Regulierungs- und Genehmigungsverfahren, die bereits jetzt zu den zeitaufwändigsten in der gesamten Branche gehören, sowie der langwierigen Integration neuer Technologien in die heutigen Lösungen wird dies nicht über Nacht geschehen. Die meisten Branchenexperten sind sich jedoch einig, dass dieser Tag nicht mehr weit entfernt ist. Und was die Umweltschützer, Luft- und Raumfahrtingenieure oder Batterieexperten unter uns betrifft, so scheint es sicher, dass hart daran gearbeitet wird, dass dieser Tag eher früher als später kommt.

Authors:

Wyatt Boyd

Arne Siegner