06.01.13

Innovation

Segelflugtechnik revolutioniert den Flugzeugbau

Passagiermaschinen sollen künftig so leise durch die Luft schweben wie Segelflugzeuge. Für Antrieb sorgen Solarzellen oder Elektromotoren. Zudem sind sie kinderleicht zu bedienen.

Von Thomas Jüngling und Oliver Klempert
Foto: EADS

Ein Propeller am Heck des Modells VoltAir sorgt für hohe Schubkraft.

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Auf eine Höhe von erstaunlichen 15 Kilometern haben Piloten schon ein Segelflugzeug gebracht. Andere hielten ihren Gleiter über eine Entfernung von 3000 Kilometern in der Luft, und Modelle wie die Mü-28 haben in Testflügen Geschwindigkeiten von mehr als 350 Kilometern pro Stunde erreicht. Für solche Rekorde sind nicht nur erfahrene Piloten notwendig, die Thermik und Aufwinde geschickt ausnutzen.

Auch Designer und Ingenieure wirken daran mit – so erfolgreich, dass auch für die Entwicklung motorisierter Flugzeuge zuständige Techniker auf ihre Innovationen zurückgreifen. Sie bilden die Form von Rumpf und Tragflächen nach, verwenden das schon erprobte, besonders leichte Material und integrieren für Flugzeuge neuartige Antriebe, mit denen Gleiter im Notfall sicher zur Erde kommen. Manche ihrer Konzepte sind bereits realisiert, andere gibt es nur als Designstudien. In zehn bis 20 Jahren aber sollen auch daraus umweltfreundliche, sichere und leise Maschinen werden.

Unübersehbar am Vorbild Segelflugzeug hat sich Boeing mit der Studie Sugar Volt orientiert. Die Tragflächen sind weit gespannt und für eine Passagiermaschine sehr flach. Mit ihrer besonderen Form liefern sie viel Auftrieb und verringern den Luftwiderstand. Fast zwei Drittel an CO2-Emissionen sollen sich damit einsparen lassen, haben Boeing-Techniker errechnet. Damit die Maschinen auch herkömmliche Gates eines Flughafens ansteuern können, lassen sich die ausladenden Tragflächen vor dem Andocken einklappen.

In anderen Entwürfen sind die Flügel nicht nur flach, sondern auch besonders glatt. Dadurch treten deutlich weniger Turbulenzen rund um die Tragflächen auf. Das reduziert ebenfalls Luftwiderstand und Reibung und somit den Energieverbrauch. Ganz so flach wie bei einem Segelflugzeug können die Flügel einer Passagiermaschine allerdings nicht sein, da hier noch mehr Technik im Innern des Gehäuses untergebracht werden muss.

Adaptive Tragflächen verändern ihre Form

Spannend, aber noch in der Planungsphase ist das Konzept der adaptiven Tragflächen, die sich entweder eigenständig oder auf Knopfdruck des Piloten in ihrer Form verändern. Beim Start sind sie ein wenig wuchtiger als üblich, um den das Abheben nötigen Auftrieb zu erzeugen, oder sie entspannen sich und gehen in die Breite, um das Flugzeug besser gleiten zu lassen.

Die geschwungenen Tragflächen in der Designstudie Box Wing Jet des Herstellers Lockheed Martin sorgen ebenfalls für mehr Auftrieb und weniger Widerstand, und der am Heck montierte große Propeller zieht deutlich mehr Luft an als derzeit verwendete Modelle. Das soll die Effizienz des Antriebs um etwa 20 Prozent erhöhen.

Mit den gewagten Flügelkonstruktionen wollen Techniker nicht nur dafür sorgen, dass ihre Maschinen weniger Sprit verbrauchen, die Flugzeuge werden auch leiser. Entwickler von Lockheed Martin haben ihrer Supersonic Green Machine auf das Heck des Rumpfes einen Zusatzflügel in Form eines auf den Kopf gestellten V gesetzt.

Dieser Bügel verringert die Druckwellen, die beim Durchbrechen der Schallmauer auf die Maschine treffen. Übrig bleiben soll ein sonores Röhren, das sich am Boden wie der Betrieb eines Staubsaugers anhören soll. Dadurch könnte das Flugzeug auch über Städten in hoher Geschwindigkeit fliegen, ohne die Bewohner zu stören.

Ingenieure setzen auf leichte Verbundstoffe

Neben Anleihen beim Design der Segelflugzeuge haben sich Ingenieure von Passagiermaschinen auch deren Material genauer angesehen – und sind auf leichte Verbundstoffe mit Kohlenstofffasern (CFK) gestoßen. Wesentliche Teile des Boeing Dreamliner 787 bestehen bereits daraus, auch beim künftigen Airbus 350 kommen solche CFK-Materialien zum Einsatz.

Als kommender Stoff gilt Dyneema, mit dem Entwickler von Segelflugzeugen bereits arbeiten. Dyneema ist extrem reißfest und zieht sich noch enger zusammen, wenn die Außentemperaturen niedrig sind, zum Beispiel in großen Höhen. Da es nicht nur besonders leicht und stabil ist, sondern sich auch gut verformen lässt, sind mit dem Material ganz ungewöhnliche Flugzeug-Designs möglich.

Auch bei den Antrieben suchen die Konstrukteure nach Alternativen – und werden wiederum bei den Segelflugzeug-Modellen fündig, bei denen einige dieser Antriebe als Hilfsmotoren zum Teil schon länger im Einsatz sind. Als effizient haben sich Solarzellen erwiesen, mit denen Piloten das Modell Solar Impulse auch durch den Nachthimmel steuern konnten.

Als Nächstes wollen sie die USA überfliegen, danach geht es an die Umrundung der Erde. Ebenfalls schon in Segelflugzeugen getestet werden Brennstoffzellen, unter anderem bei der neuen Antares DLR H3, bei deren Entwicklung das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mitgearbeitet hat. Die Zellen produzieren Strom aus Wasserstoff, um einen Elektromotor zu betreiben. Boeing will das System in einigen Jahren für seine – unbemannte – Drohne PhantomEye testen. immerhin knapp 20 Kilometer soll der Flugkörper damit zurücklegen können.

Elektromotoren werden über USB-Kabel überprüft

Gerade auf Elektromotoren setzen die Konstrukteure, die an der Zukunft der Flugtechnik basteln. Der Antrieb ist wartungsarm, da in ihm nur wenige bewegliche Teile arbeiten. Bei Betriebsstörungen reicht es, den Motor kurz über USB-Kabel mit einem Computer zu verbinden, und eine entsprechende Software überprüft das System innerhalb weniger Minuten, wie Hersteller Volta Volare zeigt.

Sein Viersitzer läuft mit einem Hybridmotor aus Kerosin- und Elektroantrieb. Während des Flugs powert er mit 400 PS, im Höchstfall kommt er auf 600 PS. Das sind gute Werte, vor allem aber ist der Betrieb günstig: Flüge mit Verbrennungsmotor kosten bei dem Flugzeug von Volta Volare mehr als 20 Dollar pro 100 Kilometer, im Hybrid-Modus sind es nur noch sechs Dollar.

Auch Boeing werkelt an Hybridmotoren für seine Maschinen. Bei Start und Landung ist der herkömmliche Antrieb zugeschaltet, ist die angepeilte Flughöhe erreicht, summt nur noch der Elektromotor, der zudem beim Abheben die Schubkraft deutlich erhöht. Daher sollen die künftigen Maschinen mit einer um 300 Meter kürzeren Startbahn auskommen als zum Beispiel die A737.

Mit Akkus bepackte Drohnen sollen E-Flieger ansteuern

Leistungsfähig sind die Elektromotoren auf jeden Fall, Pilot Chip Yates hat erst kürzlich sein komplett elektrisch betriebenes Kleinflugzeug auf mehr als 320 Kilometer pro Stunde beschleunigt. Länger als eine Viertelstunde aber bleibt die Maschine nicht in der Luft, dann ist der Akku leer, wie es auch der europäische Luft- und Raumfahrtkonzern EADS für sein Modell VoltAir berechnet hat. Künftig sollen daher mit Akkus bepackte Drohnen die E-Flieger ansteuern und an deren Batterien andocken, um sie in der Luft aufzuladen.

Auch ein erster Helikopter mit Elektroantrieb ist bereits in der Testphase. Hersteller Sikorsky hat dafür leichte Bauteile und mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben Elektromotoren entwickelt, die nur wenig Lärm produzieren. Deren Betrieb hat jedoch auch Nachteile: Wegen des leise surrenden Elektromotors bekommt der Pilot nur noch wenige Informationen darüber, wie sich der Helikopter verhält. Daher ist im Cockpit ein LCD-Bildschirm montiert, auf dem alle wichtigen Daten zu sehen sind.

Die Akkus treiben über einen Elektromotor den Helikopter auf eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 160 Kilometern pro Stunde, der Motor liefert etwa 190 PS – die schlagartig zur Verfügung stehen. Eine Software drosselt bei Bedarf den Motor, ansonsten würde der Helikopter in Sekundenbruchteilen nach oben schießen und damit selbst erfahrene Piloten überfordern.

Foto: Airbus S.A.S.

Computersimulation des Konzeptflugzeuges von Airbus...

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