Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Messe-Friedrichshafen
Materialien entsteht auch ein nöhres Gewicht. Obwohl Alumi nium eine geringere elektrische Leitfähigkeit besitzt, haben For- scher des Fraunhofer IFAM ein gießtechnisches Verfahren ent- wickelt, mit dem Wicklungen aus Aluminium mit höherem Nutfüll- faktor gefertigt werden können, die sich dennoch als Spulen eig- nen. Gegossene Spulen zeichnen sich durch eine flache Leiteran- ordnung aus, die zu einem höhe-
Gegossene Alu- oder Kupferspulen für effizientere und preiswertere Elektromotoren
Fraunhofer IFAM Fraunhofer IFAM
Elektromotoren für E-Bikes-, E- Auto- und E-Flugmotoren sind in ihrem Aufbau ähnlich, auch wenn sie mit Drehstrom betrieben wer- den. Sie besitzen über Eisenker- ne gewicklte Kupferspulen, die bei Stromdurchfluss, gesteuert und hohe Fertigungs und Materi- alkosten und gegenüber anderen
ren Nutfüllfaktor führt. Trotz höh- eren Widerstandes ergibt sich durch den größeren Querschnitt bezogen auf die gesamte Spule ein geringer Widerstand. Durch die bessere Anbindung an das Blechpaket und günstigere Aus- nutzung des Bauraums resultiert ein deutlich besseres thermisch- es und elektromagnetisches Ver- halten. Aus diesem Grund beteht die Möglichkeit, gewickelte Kup- ferspulen durch gegossene Alu- minium- oder auch Kupferspulen zu ersetzen. Damit der Nachweis im direkten Vergleich gelingt, wurden für die Studie handelsüb- liche E-Bike-Motoren mit 250 Watt eingesetzt. Die umgebauten Mo- toren, mit unterschiedlichen Blechpaketen und Spulen-Kombi-
nationen wurden anschließend auf einem Prüfstand getestet. Nach dem Umbau des E-Bike-Mo- tors konnte der Nutfüllfaktor von 32 auf 60 Prozent erhöht werden. Gleichzeitig ergab sich eine Ge- wichtsersparnis um 10 Prozent. Das Drehmoment stieg um 30 Prozent. Aufgrund des besseren thermischen Verhaltens der Spu- len erhöhte sich die Dauerleis- tung bei Betriebstemperatur um fast 20 Prozent. Gute Aussichten für zukünftige elektrische An-
Bild oben: konventionelle Wickeltechnik Bild unten: Spulen durch Giesstechnik
Muster von zwei in Feigusstechnik hergestellten Spulen
Geringerer Widerstand durch höheren Nutfüllfaktor
triebsstränge, denn wie aus Bre- men zu erfahren war, denke man auch an andere Anwendungen. Denkbar seien aufgrund der hoh- en Skalierbarkeit auch Elektro- Antriebsmotoren für die Luftfahrt! Die neue Entwicklung wird auf der AERO in der Halle A7 präsen- tiert.
Umgebauter Fahrradmotor
Vergleich alte und neue Technik
Foto: Fraunhofer IFAM
20.01.2020
H55 ist ein Spin-off von Solar Impulse. Ursprünglich ging es aus der Entwick- lung des ersten Schweizer Elektroflug- zeug, einer umgerüsteten Silence Twis- ter hervor. Der Firmenname wurde bei- behalten. Nach der Neugründung von H55 im Jahr 2017 verfolgte man eine ganz neue Linie. Besonders durch die Verstärkung von Solar Impulse-Pilot André Borschberg richtete sich das am Flugplatz Sion angesiedelte Unterneh-
Stärkung der regionalen Wirtschaft. Dazu erhält H55 noch weite 5 Millionen direkt vom Kanton. Zuvor kam bereits Unterstützung von der Stadt Sion und dem Centre de Cautionnement et de Financement. Durch das finanzielle Engagement können so nun die For- schungs-, Produktions- und Testein- richtungen des Unternehmens besser genutzt werden. Wie Gregory Blatt mit- teilte, werde man sich in Zukunft noch stärker darauf konzentrieren, die ge- samte Antriebskette, angefangen von der Energiequelle und ihrem Manage-
Im schweizerischen Wallis spezialisiert man sich auf elektrische Antriebsstränge
men auf die Entwicklung von elektri- schen Antriebstriebsträngen aus, während man man nach einem Flug- zeughersteller suchte, der eine Koope- rationsbasis darstellt. Auf der AERO 2019 präsentierte man sich zusammen mit dem tschechischen Flugzeugher- steller BRM Aero. Wie auch andere Flugzeughersteller hat man bei H55
sehr schnell erkannt, dass es wenig Sinn macht, eigene Flugzeuge zu ent- wickeln, zumal BRM Aero mit der Bri- stell ein ideales Flugzeug zur Umrüs- tung auf ein elektrisches Trainerflug- zeug geeignet ist. Das Team Bosch- berg, CEO der Firma, zusammen mit Sébastien Demont und Gregory Blatt sehen damit eine erste Kundenanwen- dung, die erfolgversprechend auf an- dere Flugzeugmuster anwendbar sein wird. Nach gründlicher Flugerprobung mit einem Rolls-Royce E-Motor (vor- her Siemens) weist das System, was man bis Ende 2021 zertifizieren möch- te, immerhin eine maximal mögliche Motorlaufzeit von 1,5 Stunden auf, was einer echten Flugzeit von 45-60 Minu- ten entspricht. Diese Angaben decken sich auch mit anderen Herstellern. Un- abhängig davon soll gemeinsam mit BRM Aero die Bristell Energic EASA zertifiziert werden. Nachdem im Grün- dungsjahr H55 bereits durch ND Capi- tal (Silicon Valley) unterstützt wurde, flossen 25 Millionen Franken des Kan- tion Wallis in den Innovationspark zur Errichtung des Campus Energypolis in das auch H55 einziehen wird. Dies zur
Der Zweisitzer Bristell Energic meistert auch steile Aufstiege
ment, über Schub und Leistung bis hin zu Pilotschnittstellen- und Steuerungs- systemen weiter zu entwickeln. Die junge Firma hat sich auf die Fahnen ge- schrieben, zu einem führenden Unter- nehmen heranzuwachsen, das Lösun- gen für CO2-freies Fliegen durch den Einsatz elektrischer Antriebe für die Luftfahrt findet.
H55 H55
Foto: H55
17.06.2020
Die AERO als Testballon
Die totale Flugzeit mit Rolls-Royce Elektromotor liegt bei 90 Minuten
CO2-freies Fliegen als Ziel
Foto: Rolls-Royce
Rolls-Royce Antriebsmotor
Foto: H55
André Borschberg, CEO von H55
Weisen konventionelle Elektromotoren Leistungsdichten von 3-5 kW/kg auf, so sollen vollsupraleitende Motoren auf Leistungsdichten von 20 kW/kg erbringen. Der Aufwand dafür ist aber un-gleich höher als bei konventionel- len elektrischen Maschinen. Die ameri- kanische Firma Magnix prognostiziert so-gar 22 kW/kg. Sowohl in Russland als auch in der westlichen Welt wird fieberhaft an Lö- sungen für Verkehrsflugzeuge gearbei- tet, die eines Tages kleinere Turbofan- triebwerke gänzlich durch Elektromo- toren ergänzen sollen. In Russland denkt man zunächst an einen 9 bis 18- sitziges Zubringer bzw. Regionalflug- zeug, was ein- oder auch zweimotorig sein kann. Synchronmotoren, die bis jetzt aus- schließlich mit Drehstrom im Luftfahrt- bereich verwendet werden, schleppen den Nachteil von Wechselstromverlus- ten mit sich. Das heißt, Gewicht und Baugrößen sind dadurch vorbestimmt. Bis etwa 1 MW reichen Luft- oder Was- serkühlungen voll aus. Die Verkehrsflie- gerei stellt aber Forderungen, die weit über die Megawatt-Bereiche hinausge- hen. Dafür bieten sich kryogene Sys- teme an. Nun ist diese Technologie nicht so ganz neu. Für Schiffsantriebe werden kryo-
gen gekühlte E-Motoren schon länger erfolgreich eingesetzt. Ein noch junger 50-Mann-Betrieb, SuperOx in Moskau, hatte sich zunächst auf stickstoffge- kühlte Supraleiter und Krystastaten spezialisiert. 2017 wurde das Projekt Advanced Supraconductor Motor Experimental Demonstrator (ASuMED) von der Euro- päischen Union initiiert und gefördert. war ein Teil des Horizon 2020 For-
schungs- und Innovationsprogramms. Das Programm wurde von einem erfah- renen Konsortium gebildet, bestehend aus: Air Liquide, Hochschule Aschaf- fenburg, Karlsruher Institut für Techno- logie, K&S GmbH Projektmanagement, Oswald, Rolls-Royce, SuperOx, Univer sity of Cambridge und Demaco, wäh- rend Airbus bei dem Projekt eine bera- tende Rolle einnahm. Um hohe Stromdichten verlustfrei zu
übertragen, eignen sich leider konven- tionelle Kupferliegerungen nicht mehr. Hochtemperatursupraleiter werden deswegen bevorzugt bei 77 K betrie- ben, vorausgesetzt, dass die Strom- dichte gering genug ist, damit die (stromabhängige) Sprungtemperatur nicht überschritten wird. Die dazu aus- reichende Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist besonders preiswert. Solche Anwendungen gibt es in der Messtechnik und in Kabeln. Bei der Verwendung von Wasserstoff müsste man auf -240 Grad Celsius gehen. Statt nun aber eine gewöhnliche Kup- ferlegierung einzusetzen, sind für Hochtemperatursupraleiter (Niedertem- peratursupraleiter bewegen sich unter von -196 Grad Celsius bis -272,06 Grad Celsius) (absoluter Nullpunkt -273 Grad Celsius) andere Werkstoffe erfor- derlich. Eine neuartige, unerwartete Klasse von Hochtemperatursupralei- tern wurde 2008 in Japan entdeckt. Es sind Verbindungen aus Eisen, Lanthan, Phosphor und Sauerstoff, die bei extre- mer Kälte dabei supraleitend werden. Grundsätzlich ist die Auswahl der Ma- terialien für Leitungen und Spulen eine Philosophie für sich, die bei extrem nie-drigen Temperaturen auftreten. Ziel des Projekts war es, einen kryoge- nen Motor in der 1 MW-Klasse für die
Luftfahrtindustrie zu entwickeln, der den Treibstoffverbrauch und den Aus- stoß von Treibhaus-Gasen reduziert. Unter Supraleitung versteht man das Phänomen, dass bestimmte Materia- lien ihren elektrischen Widerstand ver- lieren, wenn sie extrem abgekühlt wer- den. Elektrische Ströme werden dann nicht mehr durch den spezifischen Widerstand behindert. Dadurch leiten sich Möglichkeiten ab, kompakte und dennoch sehr leistungsfähige und effektive elektrische Motoren zu bau en. Solche Elektromotoren können dann wesentlich kompakter gebaut werden. Das leichte und kompakte ASuMED- Triebwerk nutzt die Supraleitung, um die nötige Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erreichen, die für ein hybridelektrisches Triebwerk mit ver- teiltem Schub (HEDP) erforderlich sind, das zukünftige auch große Ver- kehrsflugzeuge antreiben soll. Durch die Verwendung von kryogenem Gas in Kombination mit fortschrittlichen Kühlsystemen (Hilfsgeräten) wird der ASuMED-Motor auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt, um supralei- tende Eigenschaften zu nutzen. Das Projekt wurde nach drei Jahren Dauer 2020 abgeschlossen.
Supraleiter mit Elektromotoren über 500 kW und für zukünftige Verkehrflugzeuge
ASuMED ASuMED
06.08.2020
Konventionelle Kühlungen reichen nur bis maximal 1 kW aus
Bessere Legierungen ermöglichen wirksamere Supraleiter
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Airbus
Schweizer Batterien mit Pfiff
Foto: MagniX
27.04.2021
H55 H55
dante Batterieüberwachung auf Zellen- ebene. André Borschberg, Executive Chair- man von H55, kommentierte die Partner- schaft wie folgt: „Wir sind von der Vision von Harbor Air und MagniX, dem Pionier- geist und dem Engagement für eine sau- bere Luftfahrt angezogen worden. Die Zu- sammenarbeit wird unsere Synergien und Komplementaritäten nutzen. Wir alle ver-
stehen, dass der Weg zur elektrischen Luft- fahrt kompliziert ist. Gleichzeitig wird un- sere kombinierte Erfahrung durch die Bün- delung der Kräfte zu einer schnelleren Zer- tifizierung führen. Dies wiederum bietet eine schnelle und sichere Möglichkeit, den Markt zu erreichen und die elektrische Luft- fahrt bekannt zu machen.“ H55 ging aus dem ersten Schweizer Elek-
troflugprojekt hervor, das mit einem Sie- mens-Elektromotor 2017 als aEro1 (E- Ver- sion der deutschen Silence) mit einem schon seinerzeit sehr fortschrittlichen Bat- terie-Management-System (BMS) von sich reden machte. H55 erfuhr durch André Borschberg, der mit dem Solar Impulse die Welt umrundete, eine zusätzlich treibende Kraft. Das Unternehmen hat sich in einem Forschungs-Camp in Sion/Wallis etabliert, wo es sich auf komplette elektrische An- triebsstränge spezialisiert hat und diese auch für andere Hersteller anbietet. Die Weiterführung der frühen Erfahrungen führten inzwischen auch zur Elektrifizie- rung des Motorflugzeugs Bristell B23. Die drei international tätigen Partner sind nun bemüht, das eBeaver-Programm durch gemeinsame Anstrengungen zu einer sau- beren, effizienten und leisen kommerziel- len Luftfahrt schneller durch die Zertifizie- rung schon im kommenden Jahr ans Ziel zu steuern.
Die drei Partner, Harbour Air in Vancouver- ver/Kanada, MagniX in den USA und H55 aus der Schweiz schmiedeten ein strategi- sches Bündnis, das 2019 begonnene Pro- jekt zur Umrüstung von den DeHavilland Beavers auf elektrische Antriebsstränge mit höherer Effizienz fortzusetzen. Ziel ist es, die bereits zahlreich durchgeführten Flugversuche, die mit den kompletten Antriebssträngen von Magnix geliefert wur- den, nun mit einem verbesserten Batterie- system von H55 auszustatten und die Wasserflugzeuge von Harbor Air in eine vollelektrische kommerzielle Flotte nach der Zertifizierung umzurüsten. H55 und die Ausgründung von Solar Impul- se wird seine bewährte modulare Batterie- technologie bereitstellen, um das Verhält- nis von Gleichgewicht zu Gewicht und Aus- dauer des eBeavers zu verbessern. Die Batteriemodule des Unternehmens haben eine der höchsten Energiedichten auf dem Markt und bieten dem eBeaver das gesam- te Energiespeichersystem und eine redun-
Motorneuentwicklung mit Schweizer Präzision
An der deutsch-schweizerischen Grenze, im Kanton Aargau, unweit von Rheinfelden, hat sich Anfang der achtziger Jahre ein kleines Unternehmen auf dem Sektor Elektro- maschinen und Antriebe zu einer international tätigen Firma hochgearbeitet, deren Schwerpunkte Synchron- und Asynchron-Motorelemente sowie Spezialmotoren sind. Inzwischen ist die in eine AG umgewandelte Firma „e+a“ stark gewachsen und mit 90 Mitarbeitern weltweit tätig.
Foto: e+a
10.07.2021
e+a
Zwischen e+a und der ETH-Zürich beste- hen enge Beziehungen. Die Verbindung führte nun über Studenten zur Ausgrün- dung eines Clusters an das Entwicklungs- zentrum auf den Airport Dübendorf, dem früheren Militärflughafen von Zürich. Es handelt sich um ein Fokusprojekt der ETH. Das sind Projekte, die von Studenten wäh- rend einer Laufzeit von zwei Semestern bearbeitet werden. Die Studenten bekom- men dafür eine Abschlussnote. Ziel soll auch für eine spätere Ingenieurtätigkeit sein, Sponsoring-Beiträge in Form von Hardware und Barmitteln zu beschaffen. Dies kann in der kurzen Zeit von zwei Semestern nicht geschafft werden, da dafür nur wenige Arbeitsstunden zur Ver- fügung stehen. Es gilt also auch zu ent-
scheiden, was selber durchgeführt oder versucht wird, mit externen Partnern wie in diesem Falle mit e+a auf den Weg zu bringen. Ermutigt durch einen erfolgreichen E-Mo- tor für ein Elektromotorrad, entstand eine Initiative seitens der Studenten zur Ent- wicklung eines luftgekühlten Synchron- motors als Innenläufer mit einer Betriebs- spannung von 400 Volt Drehstrom, die „e+a“ übernahm. Der Motor soll nach erfolgreiche Testläu- fen in das Bausatzflugzeug „e-Sling“ des südafrikanischen Herstellers Sling Aircraft verbaut werden. Dazu wurde die Konstruk-
tion, ein Viersitzer, leicht modifiziert. Durch eine Spannweitenvergrößerung erhielt das Flugzeug eine größere Stre- ckung. Anstelle des regulär verbauten Vierzylinder-Verbrenners mit 85 kW wur- de nun der 100 kW von e+a eingebaut, der mit 2300 UpM dreht. Bei kühlendem Luft- strom, so die Entwickler, sollen auch 110 kW und mehr „drin sein“. Das Gewicht des kom-pletten Motors inklusive Gehäu se, Lagerung und Welle beträgt 39,2 kg. Das 19,1 kg schwere Statorelement ist ei- ne total vergossene Einheit, sodass das Rotorelement nur 5,7 kg wiegt. „earo“ wie der Motor fortan bezeichnet wird, soll auch skalierbar sein, was beim jetzigen Aufbau durch die vergossene Sta- toreinheit den Vorteil hat, dass man auch eine Flüssigkeitskühlung bei benötigten höheren Leistungen vorsehen kann. Aktuell wird der Prototyp des Motors gerade im Flugzeug eingebaut und ange-
passt, nachdem stundenlange Testläufe auf dem Bremsprüfstand im Werk erfolg- ten. Hersteller e+a hat indes schon grös- sere Pläne. Man möchte jedoch „zunächst gerne am Markt schnuppern“, wie Ent- wicklungsleiter Dr. Marc. C. Schöning mit- teilte. Preisvorstellungen habe man noch nicht, denn ein Serienpreis nach Staffeln ist noch nicht bekannt. Aktuell sind die Stator- und Rotorbleche gelasert. Hierzu müssten die aktuellen gelaserten Stator- und Rotorbleche mit einem Stanzwerk- zeug gestanzt werden und die Verguss- und Montagewerkzeuge serientauglich weiterentwickelt werden. Es ist auch angestrebt, den Motor nach EASA-Vorgaben zu zertifizieren. Nach dem Erstflug, der noch im Juli erfolgen soll, ist geplant, das Flugzeug nebst neu- entwickelten Elektro-Flugmotor in Gren- chen auf dem Electrifly-in zu präsentie- ren. Auch an einer AERO-Beteiligung ist gedacht.
100 kW für Bausatz-Viersitzer
Skalierung des Motors ist möglich
eSling vor dem Einbau des Motors
Motorflansch mit Motor (Prototyp)
Bild: Smartflyer
Bild: Smartflyer
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Messe-Friedrichshafen
Foto: Airbus
Erste Boden-Tests für 600 kW Antriebe
Foto:ZeroAvia
13.08.2021
Zero Avia Zero Avia
suchung, wie wasserstoffbetriebene Flug- zeuge eine führende Rolle in der Zukunft des nachhaltigen Fliegens spielen können. Schon zuvor hatte ZeroAvia ein Zweigun- ternehmen in England gegründet, wo ge- genwärtig für ergänzende Flugversuche eine der zwei Piper Malibus stationiert ist. Der im Bild zu sehende Bodentest um- fasste den flugorientierten 600-kW-An-
triebsstrang von ZeroAvia, der den 15-Ton- nen-Hyper-Truck-, eine mobile Bodentest- plattform von ZeroAvia über den Asphalt zog. Der Hyper-Truck, ist auf Basis eines schwere Militär-Lkw entwickelt worden. Er ist für den Antriebstrang ZA-2000 mit 2MW ausgelegt, der auch zum weiteren Testen von Systemen für wasserstoff-elektrisch angetriebene Flugzeuge mit 40-80 Sitzplät-
zen verwendet werden kann. Die jetzt be- gonnenen Bodentests des 600-kW-An- triebssystems unterstützen die laufende Entwicklung des HyFlyer II-Programms des Unternehmens, das ein wasserstoff- elektrisches, emissionsfreies Antriebssys- tem für Flugzeugzellen mit einer Größe von 10 bis 20 Sitzen liefern wird. Val Miftakhov, CEO und Gründer von Zero- Avia, sagte: „Diese Tests sind wichtige Schritte, um unser nächstes großes Ziel mit der Flugerprobung in unseren 19-sitzi- gen Flugzeugen, sowohl in den USA als auch in Großbritannien auf dem Do 228- basierten Prototypen zu erreichen“. Die ersten Testflüge mit dem umgerüsteten Dornier 228-Erprobungsträger von HyFlyer II werden voraussichtlich noch in diesem Jahr von im britischem ZeroAvia-Werk in Kemble aus stattfinden. Parallel laufen auch seit März 2021 die Entwicklungen eines 2 Megawatt Antriebstranges für was- serstoff-elektrisch angetriebene Flugzeuge mit 40-80 Sitzplätzen.
Das amerikanisch-britische Start-up Zero Avia, bekannt durch seine ersten Flüge mit den wasserstoffgespeisten Antrieben in Pi- per Malibus geht jetzt einen Schritt weiter. Dazu wurden zwei gebrauchte Maschinen des Typs Dornier 228 beschafft, die zuvor im Liniensatz waren. Die in den Malibus verwendeten elektrischen Triebwerke be- sitzen eine Leistung von 250 kW. In der Serienversion der Dornier 228 be- sitzt die Maschine zwei Propellerturbinen mit je 579 kW. Der nächste Schritt, so das mit Hauptsitz in Hollister/Kalifornien an- sässige Unternehmen, gelte der Entwick- lung eine 600 kW-Antriebsstranges. Dieser wird von der britischen Regierung mit um- gerechnet 16,3 Mio Dollar unterstützt, um einen wasserstoffelektrischen Luftfahrt- antrieb mit 19 Sitzen gleich welchen Typs im Rahmen des HyFlyer II-Programms zu entwickeln. Weitere 21,4 Mio. Dollar sind durch ein Venture-Kapital gesichert. Die Finanzierung folgt einer Partnerschaft mit British Airways in einem Projekt zur Unter-
Foto: ASuMED
Viele Wege führen zur klimaneutralen Luftfahrt
Seit Anfang des Jahres 2020 arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR gemeinsam im Projekt EXACT (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) an den Entwürfen klimaneutraler Verkehrsflugzeuge. Das Konzept einer Flotte bestehend aus Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen mit einer großen Breite von Antriebs- konzepten liegt nun als Zwischenergebnis vor. Darunter sind Regionalflugzeuge mit ver- teilten elektrischen Antrieben sowie Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge mit Turboprop- und Turbofan-Antrieben. Diese können sowohl hybrid-elektrisch mittels Wasserstoff-Brenn- stoffzelle als auch per Direktverbrennung von Wasserstoff oder nachhaltigen Luftfahrt- kraftstoffen (SAF, Sustainable Aviation Fuel) betrieben werden.
Bild: DLR
03.06.2022
DLR DLR
„Gerade zwischen den Technologieoptionen auf Basis von Wasserstoff und SAF zeichnet sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen ab. Die erarbei- teten Flugzeugkonzepte und Energieszena- rien möchten wir nun zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft voranbringen und in gemeinsamen Kooperationsprojekten für die klimaneutrale Luftfahrt vertiefen“, er- klärt Projektleiter Dr. Johannes Hartmann vom DLR-Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt in Hamburg. Sowohl der vollständige Lebenszyklus der Flugzeuge als auch der Prozess der Gewin- nung, des Transports und der Bereitstellung regenerativer Treibstoffe wurde nun umfas- send in der Analyse der Klimaverträglichkeit der neuen Konfigurationen berücksichtigt. Übergeordnetes Ziel des Projekts EXACT ist es, neue Flugzeugkonfigurationen zu entwer-
fen, die mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern bis zum Jahr 2035 einsatzbereit sein können. Die innovati- ven Flugzeugentwürfe sollen dabei mittels neuer Technologien keine CO2-Emissionen mehr freisetzen. Hierfür hat das Projektteam im ersten Schritt konventionelle Antriebe unter- sucht, um diese bis ins Detail zu verstehen. Aus diesen Erkenntnissen konnte das Team unterschiedliche Antriebskonzepte und mögli- che Flugzeugkonfigurationen entwickeln sowie deren Zusammenwirken in einer ganzen Flotte verschiedener Flugzeuggrößen bewerten. Klimaneutral vom Anfang bis zum Ende Die Zusammenarbeit von 20 DLR-Instituten it ihrer jeweiligen Expertise und gemeinsamen Systemkompetenz ermöglicht es, den ganzen Lebenszyklus eines Flugzeuges mitzudenken
und zu betrachten – von der Produktion über den Betrieb bis hin zur Außerdienststellung mit anschließendem Recycling. Hierfür hat das Projektteam im Detail alle Komponenten des jeweiligen Flugzeugs entworfen und geprüft, wie diese zusammenwirken. „Als nächstes wollen wir die Anforderungen an die Zulassung und Industrialisierung detaillier- ter in gemeinsamen Projekten mit der Industrie betrachten“, so Hartmann „Insbesondere mittel- ständische Unternehmen können unsere Flugzeugkonzepte nutzen, um die Vorentwick- lung ihrer Zulieferteile für größere Industriebe- triebe frühzeitig zu planen.“ SAF als Brückenlösung In naher Zukunft könnte SAF die Klimawirkung bereits vermindern. Langfristig bieten diese ebenso wie die Wasserstoffdirektverbrennung das Potenzial, die Klimawirkung um bis zu 90 Prozent zu senken. Für Flugzeuge mit Wasser- stoffantrieb sind allerdings komplett andere Technologien nötig. Zudem müssen Flugha-
feninfrastrukturen und Wartungsbetriebe ange- passt sowie das Luftfahrtpersonal neu ausge- bildet werden. Ein besonderer Fokus liegt auch auf der Betrachtung des Lebenszyklus – nicht nur der Flugzeuge, sondern auch der einzelnen Ener- gieträger. Die Ingenieurinnen und Wissen- schaftler untersuchen die Umweltwirkung der einzelnen Flugzeugtypen vom Entwurf bis zur Außerdienststellung. Unter der Umweltwirkung verstehen die Forschenden nicht nur den Aus- stoß von CO2 und Treibhausgasen, sondern beispielsweise auch den Wasserverbrauch oder die Belastung von Böden durch Schad- stoffe. Das heißt, sie betrachten auch die Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima, bevor eine Flugzeugkomponente produziert ist und was nach dem Recycling mit den Materia- lien geschieht.
Bild: Smartflyer
Bild: Smartflyer
Bild: DLR
Um genügend „grünen“ Wasserstoff zu produzieren sind Ökostrom und Wasser nötig. In speziellen Industrieprozessen wird der Wasserstoff zu SAF weiterverarbeitet. Das Projekt EXACT untersucht Szenarien, die Energieträger zu den Orten an denen Luftfahrt stattfindet, möglichst nachhaltig zu transportieren. „Die direkte Kopplung solcher Themen mit dem Flugzeugentwurf und der Technologieentwicklung ist in unserem Projekt völlig neu. Erdöl wurde seit jeher aus der Erde gewonnen und in Raffinerien zu Kerosin weiterverarbeitet. Nachhaltige Kraftstoffe zu produzieren ist viel komplexer. Solarstrom könnte zum Beispiel in der Wüste gewonnen werden, Wasser gibt es an Küsten. In EXACT erforschen wir, wie diese Energieträger möglichst effizient zu transportieren und weiterzuverarbeiten sind, um sie letztlich im Flugzeug zu nutzen“, so Hartmann. Dabei
berücksichtigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kraftstoffherstellung in Szenarien zur nachhaltigen Energiegewinnung mit anschließender Produktion von Wasserstoff und SAF bereits bei der Planung neuartiger Flugzeugtypen. Sie setzen dies mit der entsprechend notwendigen Infrastruktur in Verbindung, sodass ein neues Luftfahrtsystem von Anfang an nachhaltig und wirtschaftlich betreibbar geplant wird. In der zweiten Projekthälfte sollen nun ganzheitliche Lösungen gefunden werden, in denen die Technologiebausteine optimal ineinandergreifen. Erst dann ist eine zuverlässige Bewertung der verschiedenen Technologien und Energieträger hinsichtlich ihrer Klimawirkung abschließend möglich.
„Grüne“ Energieträger
Bild: DLR
„Wir haben vor einigen Jahren mit der Ar- beit an Hochspannungs-Li-Ion-Zellen be- gonnen“, erinnert sich Julien Laurent, Bat- terieprojektleiter bei Airbus, und für diesen Prototyp haben wir ihn komplett intern ent- wickelt.“ Die Basis sind Hochvolt-Systeme Er erklärt einige bemerkenswerte Merkma- le: „Unser Design bestand aus mehreren tausend Lithium-Ionen-Zellen, die verschie- dene Sicherheitsmaßnahmen enthielten, um ein thermisches Durchgehen zu verhin- dern – wie das Verbinden jeder Zelle mit Drahtverbindungen. Ein weiterer innovati- ver Teil ist das aktive Kühlsystem, das die optimale Temperatur für den normalen Be- trieb gewährleistet. Maßgeschneiderte Batteriemanage- ment-System zur Überwachung Darüber hinaus beinhaltet dieses Batterie- system auch ein maßgeschneidertes Batte- riemanagementsystem. Dank der integrier- ten Testfunktionen und der Möglichkeit, den Ladezustand anzuzeigen oder ob die Zellen neu ausbalanciert werden müssen, trägt dies dazu bei, den Wartungsaufwand zu minimieren.“ Die Hochvoltfähigkeit der Batterie in die- sem Zusammenhang ist einzigartig, da sie bis heute weder in der Luft- und Raumfahrt noch in der Automobilindustrie verfügbar ist. Insbesondere die schwereren Batterien,
die heute in Flugzeugen verwendet wer- den, haben normalerweise eine recht nied- rige Spannung – 28 VDC – und ihre geringe Energiedichte bedeutet, dass sie haupt- sächlich zum Starten der APU und für Notfälle verwendet werden. Darüber hinaus basieren die meisten davon auf Nickel- Cadmium (NiCad), das gemäß der REACH- Verordnung der EU bald alternativen umweltverträglichen Batterie-Chemien wie Lithium-Ionen weichen muss. Batterien aus dem Automobilbereich erweisen suich als ungeeignet Was die Automobilindustrie betrifft, so wer- den zwar derzeit Batterien zum Antrieb von Elektroautos verwendet, diese waren je- doch zu sperrig und schwer für die Ver- wendung in der Luft- und Raumfahrt. Kurz gesagt, es gibt derzeit keine autarken Bat- teriesysteme von der Stange, die den An- forderungen an Sicherheit und Leistung in der Luftfahrt erfüllen können. Nach der Zellauswahl und der anschließen- den Designintegration für EcoPulse wer- den in Kürze mehrere Prototypen/Muster- batterien in Toulouse nach strengen Luftfahrtstandards getestet. Diese Tests werden Leistung sowie Umwelt- und Sicherheitsattribute bewerten, sodass das Team sicher sein kann, dass es sich nach dem Einbau in das EcoPulse-Flugzeug ord- nungsgemäß und sicher verhalten wird.
seinem Werk in Filton, Großbritannien, erfolgreich die EcoPulse-Windkanal- tests durch. Diese Tests bewerteten die Leistungsmerkmale des Propellers und den Kühlprozess der sechs „verteilten“ elektrischen Antriebseinheiten. Im Jahr 2022 ist die Montage des Demonstrators – einer von Daher geliefer- ten Leichtflugzeugplattform (TB 940) – in vollem Gange und ebnet den Weg für seinen ersten Testflug noch im Laufe dieses Jahres.
Die neue Batterie im EcoPulse-Demonstra- tor ist der neueste „Technologiebaustein“ von Airbus, damit die zukünftigen Flug- zeuge die Dekarbonisierung weiter unter- stützen können. Mit EcoPulse entwickelt Airbus einen neuen Ansatz für den verteil- ten Antrieb von Flugzeugen. Partner sind Daher, die das Flugzeug liefern sowie Sa- fran mit den Elektromotoren, die sich in- zwischen auch auf Elektroantriebe spe- zialisiert haben. Batterie ist wichtigster Baustein Doch jetzt konzentriert sich Airbus auf ei- nen weiteren Schlüsselfaktor, der für den EcoPulse-Demonstrator fertiggestellt wird: das von Airbus Defence and Space in Tou- louse entwickelte Hochspannungs-Lithium- Ionen-Hauptbatteriesystem. Obwohl diese neue Batterie optisch nicht im Mittelpunkt steht, ist sie dennoch eine sehr bedeuten- de Innovation, die für die Elektrifizierungs- demonstration mit EcoPulse von zentraler Bedeutung ist, insbesondere da sie die Grenzen für Hochspannungsbatterien für den Einsatz in Flugzeugen erweitern wird. Batterie mit 350 kW und 800 Volt Die Batterie selbst ist ungefähr 2,30 m lang, 75 cm breit und 20 cm tief. Sie ist unter dem Rumpf in einem Pod montiert, der eine verstärkte aerodynamische Ver- kleidung erhält. Die Batterie ist aber nur eine von zwei Stromquellen des Demons-
Die großen Flugzeugersteller betreiben Zukunftsplanung, damit aus Visionen Realität werden kann. So traf Airbus mit der französischen Firma Daher be- reits im Jahr 2019 eine Vereinbarung einen Technologieträger auf Basis des einmotorigen Geschäftsreiseflugzeugs TB 940 zu entwickeln. EcoPulse soll sechs Elektro-Motoren erhalten, die ihre Kraft entgegen erster Überlegungen aus einem Batterie-Pod entnehmen. Im Juni letzten Jahres führte Airbus in
Technologieträger soll verteilte E-Antriebe für Airbus untersuchen
17.03.2022
Airbus Airbus
Bild: Airbus
Geiger-Engineering, einer der erfolgreichen Hersteller in der Niedervolt-Technik (bis 60 Volt) hat jüngst sein Programm auf eine höhere Spannung von 120 Volt erweitert. Damit zieht das Unternehmen mit dem tschechischen Unternehmen MGM und dem slowenischen Unternehmen Emrax gleich, die schon länger in diesem Spannungsbereich arbeiten. Wie die Mitbewerber arbeiten die Geiger-Motoren ebenfalls mit einer Luftkühlung. Die neuen 120 Volt Motoren basieren auf unseren weit verbreiteten 60V Basismotoren. Da die Wicklungen der Basismotoren bereits auf 1000 Volt Isolationsspannung ausgelegt war, war es möglich durch eine im Motor integrierte Sternverschaltung die Nennspannung der Motoren problemlos auf 120V zu erhöhen.
Parallel hierzu wurden diese Standardmotoren durch eine geänderte magnetische Überset- zung in ein breiteres Drehzahlspektrum über- führt. Das ursprüngliche Drehzahlspektrum lag bei 2000 -2700 RPM und wurde jetzt auf 1000- 3500 RPM erweitert und kann bei 60V und 120V erreicht werden. Die Vorteile höherer Spannungen Die höhere Arbeitsspannung hat den Vorteil, dass die Zuleitungen mit niedrigerem Zulei- tungs-Querschnitt ausgelegt werden können. Frei nach dem Ohm’schen Gesetz können beim Betrieb mit höheren Spannungen aber auch höhere Leistungen für die Motoren über- tragen werden. Der Nachteil ist allerdings, dass Personenschutzmaßnahmen über 60 Volt, die auch der Gesetzgeber fordert, berücksichtigt werden müssen. Erste Anwendung bei Feuerwehrdrohne Inzwischen wurden erste Muster für Spezialan- wendungen von Geiger-Engineering ausgelie- fert. Eine der ersten Anwendungen ist eine Feuerwehrdrohne, die zur Bekämpfung von Waldbränden eingesetzt werden soll. Die neu- en 120 Volt Motoren basieren auf den weitver- breiteten 60V Basismotoren, die in der Regel mit 48 Volt Batterien betreiben werden. Diese
Motoren wurden und werden in der Regel in Trikes und 120kg Klasse UL’s eingesetzt. Als Duplex-Motoren (Zweischeibenlösung) findet man sie bereits in einigen Drei-achs-UL’s und Drohnen. Vorteile der Luftkühlung Der Vorteil der luftgekühlten Motoren ist unter anderem auch der Verzicht auf komplizierte, gewichtserhöhende und störungserhöhende Kühlkreisläufe. Konstruktiv muss allerdings auf die optimale Frischluftzufuhr- und -abfuhr geachtet werden. Mit der Erweiterung der Motorenpallette von 60 auf 120V und 1000 – 3500 RPM erschließen sich weitere Anwendungsfelder, wie FES,- oder VTOL Anwendungen. Das Leistungsspektrum geht von 12-50kW Dauerleistung und von 16 - 80kW Startleistung. Weltweit die meistverkauften Systeme An einer Erhöhung der Leistungen dieser luft- gekühlten Motoren wird momentan gearbeitet, erste Feldversuche laufen gerade. Geiger-Elektromotoren und Geiger-Antriebs- stränge sind bis zum heutigen Datum noch die meistverkauften Systeme weltweit.
Neue Elektromotoren von Geiger-Engineering mit 120 Volt Betriebsspannung und breiterem Drehzahlspektrum 22.07.2022
Geiger-Engineering Geiger-Engineering
Foto: H.Penner

Elektrisches Fliegen - die Zukunftsperspektive

Elektrisches Fliegen - die Zukunftsperspektive

Electric Flight
Antriebe
trators. Eine zweite Batterie ist eine von Safran bereitgestellte „e-Auxiliary Power Unit“ (e-APU). Leistung und Energiedichte Leicht, kompakt, mit sehr hoher Batterie- leistung und Energiedichte: Die Batterie erreicht diese Ziele dank mehrjähriger For- schung und Entwicklung im Rahmen der Flugzeugelektrifizierungs- und Nachhaltig- keitsinitiativen von Airbus. Weniger leis- tungsstarke Hochvoltbatterien wurden zu- vor bei CityAirbus und Airbus Helicopters FlightLab installiert. Das Ergebnis dieser schrittweisen Fortschritte ist diese neueste Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterie. Die für EcoPulse konzipierte Einheit wiegt rund 350 kg, erreicht 800 Volt Gleichspan- nung und kann bis zu 350 Kilowatt Leis- tung liefern. Hochspannungs-Batteriekonzept als große Herausforderung Das Leistungsniveau ist nicht nur ausrei- chend, um je nach Testbedingungen die sechs elektrischen Antriebe von EcoPulse anzutreiben, sondern entspricht auch dem, was für die nicht-antreibenden Sekundär- systeme eines Verkehrsflugzeugs benötigt würde. Airbus untersucht letztere separat im Rahmen seiner „Mikrohybridisierungs“- Forschung, wobei das Hochspannungsbat- teriekonzept ein wichtiger „Technologie- baustein“ ist.
Bild: Smartflyer
Bild: DLR
H55 ist ein Spin-off von Solar Impulse. Ursprünglich ging es aus der Entwicklung des ersten Schweizer Elektroflugzeug, einer umgerüste- ten Silence Twister hervor. Der Firmenname wurde beibehalten. Nach der Neugründung von H55 im Jahr 2017 verfolgte man eine ganz neue Linie. Besonders durch die Verstärkung von Solar Impulse-Pilot An- dré Borschberg richtete sich das am Flugplatz Sion angesiedelte Unt- ernehmen auf die Entwicklung von elektrischen Antriebstriebsträn- gen aus, während man man nach einem Flugzeughersteller suchte, der eine Kooperationsbasis darstellt. Auf der AERO 2019 präsentierte man sich zusammen mit dem tschechischen Flugzeughersteller BRM Aero. Wie auch andere Flugzeughersteller hat man bei H55 sehr schnell erkannt, dass es wenig Sinn macht, eigene Flugzeuge zu ent- wickeln, zumal BRM Aero mit der Bristell ein ideales Flugzeug zur Umrüstung auf ein elektrisches Trainerflugzeug geeignet ist. Das Team Boschberg, CEO der Firma, zusammen mit Sébastien De- mont und Gregory Blatt sehen damit eine erste Kundenanwendung, die erfolgversprechend auf andere Flugzeugmuster anwendbar sein wird. Nach gründlicher Flugerprobung mit einem Rolls-Royce E-Mo- tor (vorher Siemens) weist das System, was man bis Ende 2021 zerti- fizieren möchte, immerhin eine maximal mögliche Motorlaufzeit von 1,5 Stunden auf, was einer echten Flugzeit von 45-60 Minuten ent- spricht. Diese Angaben decken sich auch mit anderen Herstellern. Unabhän- gig davon soll gemeinsam mit BRM Aero die Bristell Energic EASA zertifiziert werden. Nachdem im Gründungsjahr H55 bereits durch ND Capital (Silicon Valley) unterstützt wurde, flossen 25 Millionen Fran- ken des Kantion Wallis in den Innovationspark zur Errichtung des Campus Energypolis in das auch H55 einziehen wird. Dies zur Stär- kung der regionalen Wirtschaft. Dazu erhält H55 noch weite 5 Mil- lionen direkt vom Kanton. Zuvor kam bereits Unterstützung von der Stadt Sion und dem Centre de Cautionnement et de Financement. Durch das finanzielle Engagement können so nun die Forschungs-, Produktions- und Testeinrichtungen des Unternehmens besser ge- nutzt werden. Wie Gregory Blatt mitteilte, werde man sich in Zukunft noch stärker darauf konzentrieren, die gesamte Antriebskette, ange- fangen von der Energiequelle und ihrem Management, über Schub und Leistung bis hin zu Pilotschnittstellen- und Steuerungssystemen weiter zu entwickeln. Die junge Firma hat sich auf die Fahnen ge- schrieben, zu einem führenden Unternehmen heranzuwachsen, das Lösungen für CO2-freies Fliegen durch den Einsatz elektrischer Antriebe für die Luftfahrt findet.
Im schweizerischen Wallis spezialisiert man sich auf elektrische Antriebsstränge
Der Zweisitzer Bristell Energic meistert auch steile Aufstiege
H55 H55
Foto: H55
Die AERO als Testballon
Die totale Flugzeit mit Rolls-Royce Elektromotor liegt bei 90 Minuten
CO2-freies Fliegen als Ziel
Foto: Rolls-Royce
Rolls-Royce Antriebsmotor
Foto: H55
André Borschberg, CEO von H55
Weisen konventionelle Elektromotoren Leistungsdichten von 3-5 kW/kg auf, so sollen vollsupraleitende Motoren auf Leistungsdichten von 20 kW/kg erbringen. Der Aufwand dafür ist aber ungleich höher als bei konventionellen elektrischen Maschinen. Die amerikanische Firma Magnix prognostiziert sogar 22 kW/kg. Sowohl in Russland als auch in der westlichen Welt wird fieberhaft an Lösungen für Ver- kehrs-flugzeuge gearbeitet, die eines Tages kleinere Turbofantrieb- werke gänzlich durch Elektromotoren ergänzen sollen. In Russland denkt man zunächst an einen 9 bis 18-sitziges Zubringer bzw. Regio- nalflugzeug, was ein- oder auch zweimotorig sein kann. Synchronmotoren, die bis jetzt ausschließlich mit Drehstrom im Luft- fahrtbereich verwendet werden, schleppen den Nachteil von Wech- selstromverlusten mit sich. Das heißt, Gewicht und Baugrößen sind dadurch vorbestimmt. Bis etwa 1 MW reichen Luft- oder Wasserküh- lungen voll aus. Die Verkehrsfliegerei stellt aber Forderungen, die weit über die Megawatt-Bereiche hinausgehen. Dafür bieten sich kry- ogene Systeme an. Nun ist diese Technologie nicht so ganz neu. Für Schiffsantriebe werden kryogen gekühlte E-Motoren schon länger erfolgreich einge- setzt. Ein noch junger 50-Mann-Betrieb, SuperOx in Moskau, hatte sich zu-nächst auf stickstoffgekühlte Supraleiter und Krystastaten spezialisiert. 2017 wurde das Projekt Advanced Supraconductor Motor Ex-perimental Demonstrator (ASuMED) von der Europäichen Union ini-tiiert und gefördert. war ein Teil des Horizon 2020 For- schungs- und Innovationsprogramms. Das Programm wurde von einem erfahrenen Konsortium gebildet, bestehend aus: Air Liquide, Hochschule Aschaffenburg, Karlsruher Institut für Technologie, K&S GmbH Projektmanagement, Oswald, Rolls-Royce, SuperOx, Univer- sity of Cam-bridge und Demaco, während Airbus bei dem Projekt eine beratende Rolle einnahm. Um hohe Stromdichten verlustfrei zu übertragen, eignen sich leider konventionelle Kupferliegerungen nicht mehr. Hochtemperatursupra- leiter werden deswegen bevorzugt bei 77 K betrieben, vorausgesetzt, dass die Stromdichte gering genug ist, damit die (stromabhängige) Sprungtemperatur nicht überschritten wird. Die dazu ausreichende Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist besonders preiswert. Solche Anwendungen gibt es in der Messtechnik und in Kabeln. Bei der Ver- wendung von Wasserstoff müsste man auf -240 Grad Celsius gehen. Statt nun aber eine gewöhnliche Kupferlegierung einzusetzen, sind für Hoch- temperatursupraleiter (Niedertemperatursupraleiter bewegen sich unter von -196 Grad Celsius bis -272,06 Grad Celsius) (absoluter Nullpunkt -273 Grad Cel- sius) andere Werkstoffe erforderlich. Eine neuartige, unerwartete Klasse von Hochtemperatursupraleitern wurde 2008 in Japan entdeckt. Es sind Verbindun- gen aus Eisen, Lanthan, Phosphor und Sauerstoff, die bei extremer Kälte dabei supraleitend werden. Grundsätzlich ist die Auswahl der Materialien für Leitun- gen und Spulen eine Philosophie für sich, die bei extrem niedrigen Temperatu- ren auftreten. Ziel des Projekts war es, einen kryogenen Motor in der 1 MW-Klas- se für die Luftfahrtindustrie zu entwickeln, der den Treibstoffverbrauch und den Ausstoß von Treibhaus-Gasen reduziert. Unter Supraleitung versteht man das Phänomen, dass bestimmte Materialien ihren elektrischen Widerstand verlieren, wenn sie extrem abgekühlt werden. Elektrische Ströme werden dann nicht mehr durch den spezifischen Widerstand behindert. Dadurch leiten sich Möglichkeiten ab, kompakte und dennoch sehr leistungsfähige und effektive elektrische Moto- ren zu bauen. Solche Elektromotoren können dann wesentlich kompakter ge- baut werden. Das leichte und kompakte ASuMED-Triebwerk nutzt die Supraleitung, um die nö- tige Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erreichen, die für ein hybridelek- trisches Triebwerk mit verteiltem Schub (HEDP) erforderlich sind, das zukünftige auch große Verkehrsflugzeuge antreiben soll. Durch die Verwendung von kryo- genem Gas in Kombination mit fortschrittlichen Kühlsystemen (Hilfsgeräten) wird der ASuMED-Motor auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt, um supralei- tende Eigenschaften zu nutzen. Das Projekt wurde nach drei Jahren Dauer 2020 abgeschlossen.
Supraleiter mit Elektromotoren über 500 kW und für zukünftige Verkehrflugzeuge
ASuMED ASuMED
06.08.2020
Konventionelle Kühlungen reichen nur bis maximal 1 kW aus
Bessere Legierungen ermöglichen wirksamere Supraleiter
Motorneuentwicklung mit Schweizer Präzision
An der deutsch-schweizerischen Grenze, im Kanton Aargau, unweit von Rheinfelden, hat sich Anfang der achtziger Jahre ein kleines Un- ternehmen auf dem Sektor Elektromaschinen und Antriebe zu einer international tätigen Firma hochgearbeitet, deren Schwerpunkte Syn- chron- und Asynchron-Motorelemente sowie Spezialmotoren sind. Inzwischen ist die in eine AG umgewandelte Firma „e+a“ stark ge- wachsen und mit 90 Mitarbeitern weltweit tätig.
Foto: e+a
10.07.2021
Zwischen e+a und der ETH-Zürich bestehen enge Beziehungen. Die Verbindung führte nun über Studenten zur Ausgründung eines Clus- ters an das Entwicklungszentrum auf den Airport Dübendorf, dem früheren Militärflughafen von Zürich. Es handelt sich um ein Fokus- projekt der ETH. Das sind Projekte, die von Studenten während einer Laufzeit von zwei Semestern bearbeitet werden. Die Studenten be- kommen dafür eine Abschlussnote. Ziel soll auch für eine spätere In- genieurtätigkeit sein, Sponsoring-Beiträge in Form von Hardware und Barmitteln zu beschaffen. Dies kann in der kurzen Zeit von zwei Se- mestern nicht geschafft werden, da dafür nur wenige Arbeitsstunden zur Verfügung stehen. Es gilt also auch zu entscheiden, was selber durchgeführt oder versucht wird, mit externen Partnern wie in die- sem Falle mit e+a auf den Weg zu bringen. Ermutigt durch einen erfolgreichen E-Motor für ein Elektromotorrad, entstand eine Initiative seitens der Studenten zur Entwicklung eines luftgekühlten Synchronmotors als Innenläufer mit einer Betriebs- spannung von 400 Volt Drehstrom, die „e+a“ übernahm.
Der Motor soll nach erfolgreiche Testläufen in das Bausatzflugzeug „e-Sling“ des südafrikanischen Herstellers Sling Aircraft verbaut werden. Dazu wurde die Konstruktion, ein Viersitzer, leicht modifi- ziert. Durch eine Spannweitenvergrößerung erhielt das Flugzeug eine grössere Streckung. Anstelle des regulär verbauten Vierzylin- der-Verbren-ners mit 85 kW wurde nun der 100 kW von e+a eingebaut, der mit 2300 UpM dreht. Bei kühlendem Luftstrom, so die Entwickler, sollen auch 110 kW und mehr „drin sein“. Das Gewicht des kompletten Mo-tors inklusive Gehäuse, Lagerung und Welle beträgt 39,2 kg. Das 19,1 kg schwere Statorelement ist eine total ver- gossene Einheit, sodass das Rotorelement nur 5,7 kg wiegt.
„earo“ wie der Motor fortan bezeichnet wird, soll auch skalierbar sein, was beim jetzigen Aufbau durch die vergossene Statoreinheit den Vorteil hat, dass man auch eine Flüssigkeitskühlung bei benötigten höheren Leistungen vorsehen kann. Aktuell wird der Prototyp des Motors gerade im Flugzeug eingebaut und angepasst, nachdem stundenlange Testläufe auf dem Bremsprüfstand im Werk erfolgten. Hersteller e+a hat indes schon größere Pläne. Man möchte jedoch „zunächst gerne am Markt schnuppern“, wie Entwicklungsleiter Dr. Marc. C. Schöning mitteilte. Preisvorstellungen habe man noch nicht, denn ein Serienpreis nach Staffeln ist noch nicht bekannt. Aktuell sind die Stator- und Rotorbleche gelasert. Hierzu müssten die aktuellen gelaserten Stator- und Rotorble- che mit einem Stanzwerkzeug gestanzt werden und die Verguss- und Montagewerkzeuge serientauglich weiterentwickelt werden. Es ist auch angestrebt, den Motor nach EASA-Vorgaben zu zertifizieren. Nach dem Erstflug, der noch im Juli erfolgen soll, ist geplant, das Flugzeug nebst neuentwickelten Elektro-Flugmotor in Grenchen auf dem Electrifly-In zu präsentieren. Auch an einer AERO-Beteiligung ist gedacht.
Skalierung des Motors ist möglich
eSling vor dem Einbau des Motors
Motorflansch mit Motor (Prototyp)
Erste Boden-Tests für 600 kW Antriebe
13.08.2021
Zero Avia Zero Avia
ZeroAvia über den Asphalt zog. Der Hyper-Truck, ist auf Basis eines schwere Militär-Lkw entwickelt worden. Er ist für den Antriebstrang ZA-2000 mit 2MW ausgelegt, der auch zum weiteren Testen von Sys- temen für wasserstoff-elektrisch angetriebene Flugzeuge mit 40-80 Sitzplätzen verwendet werden kann. Die jetzt begonnenen Boden- tests des 600-kW-Antriebssystems unterstützen die laufende Ent- wicklung des HyFlyer II-Programms des Unternehmens, das ein wasserstoff-elektrisches, emissionsfreies Antriebssystem für Flug- zeugzellen mit einer Größe von 10 bis 20 Sitzen liefern wird.
Val Miftakhov, CEO und Gründer von Zero-Avia, sagte: „Diese Tests sind wichtige Schritte, um unser nächstes großes Ziel mit der Fluger- probung in unseren 19-sitzigen Flugzeugen, sowohl in den USA als auch in Großbritannien auf dem Do 228-basierten Prototypen zu er- reichen“. Die ersten Testflüge mit dem umgerüsteten Dornier 228- Erpro-ungsträger von HyFlyer II werden voraussichtlich noch in diesem Jahr von im britischem ZeroAvia-Werk in Kemble aus statt- finden. Parallel laufen auch seit März 2021 die Entwicklungen eines 2 Megawatt Antriebstranges für wasserstoff-elektrisch angetriebene Flugzeuge mit 40-80 Sitzplätzen.
Das amerikanisch-britische Start-up Zero Avia, bekannt durch seine ersten Flüge mit den wasserstoffgespeisten Antrieben in Piper Mali- bus geht jetzt einen Schritt weiter. Dazu wurden zwei gebrauchte Ma- schinen des Typs Dornier 228 beschafft, die zuvor im Liniensatz wa- ren. Die in den Malibus verwendeten elektrischen Triebwerke besit- zen eine Leistung von 250 kW. In der Serienversion der Dornier 228 besitzt die Maschine zwei Pro- pellerturbinen mit je 579 kW. Der nächste Schritt, so das mit Haupt- sitz in Hollister/Kalifornien ansässige Unternehmen, gelte der Ent- wicklung eine 600 kW-Antriebsstranges. Dieser wird von der briti- schen Regierung mit umgerechnet 16,3 Mio Dollar unterstützt, um einen wasserstoffelektrischen Luftfahrtantrieb mit 19 Sitzen gleich welchen Typs im Rahmen des HyFlyer II-Programms zu entwickeln. Weitere 21,4 Mio. Dollar sind durch ein Venture-Kapital gesichert. Die Finanzierung folgt einer Partnerschaft mit British Airways in ei- nem Projekt zur Untersuchung, wie wasserstoffbetriebene Flugzeuge eine führende Rolle in der Zukunft des nachhaltigen Fliegens spielen können. Schon zuvor hatte ZeroAvia ein Zweigunternehmen in England ge- gründet, wo gegenwärtig für ergänzende Flugversuche eine der zwei Piper Malibus stationiert ist. Der im Bild zu sehende Bodentest um- fasste den flugorientierten 600-kW-Antriebsstrang von ZeroAvia, der den 15-Tonnen-Hyper-Truck-, eine mobile Bodentestplattform von
e+a e+a
Foto:ZeroAvia
Foto: H55
Foto: ASuMED
Foto: e+a
Viele Wege führen zur klimaneutralen Luftfahrt
03.06.2022
„Grüne“ Energieträger
Seit Anfang des Jahres 2020 arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wis- senschaftler des DLR gemeinsam im Projekt EXACT (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) an den Entwürfen kli- maneutraler Verkehrsflugzeuge. Das Konzept einer Flotte bestehend aus Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen mit einer großen Breite von Antriebskonzepten liegt nun als Zwischenergebnis vor. Darunter sind Regionalflugzeuge mit verteilten elektrischen Antrie- ben sowie Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge mit Turboprop- und Turbofan-Antrieben. Diese können sowohl hybrid-elektrisch mittels Wasserstoff-Brennstoffzelle als auch per Direktverbrennung von Wasserstoff oder nachhaltigen Luftfahrtkraftstoffen (SAF, Sustaina- ble Aviation Fuel) betrieben werden.
„Gerade zwischen den Technologieoptionen auf Basis von Wasserstoff und SAF zeichnet sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen ab. Die erarbeiteten Flugzeugkonzepte und Energieszenarien möchten wir nun zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft voranbringen und in gemeinsa- men Kooperationsprojekten für die klimaneutrale Luftfahrt vertiefen“, er- klärt Projektleiter Dr. Johannes Hartmann vom DLR-Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt in Hamburg. Sowohl der vollständige Lebenszyklus der Flugzeuge als auch der Pro- zess der Gewinnung, des Transports und der Bereitstellung regenerativer Treibstoffe wurde nun umfassend in der Analyse der Klimaverträglichkeit der neuen Konfigurationen berücksichtigt. Übergeordnetes Ziel des Pro- jekts EXACT ist es, neue Flugzeugkonfigurationen zu entwerfen, die mit mindestens 70 Sitzen und einer Reichweite von 2.000 Kilometern bis zum Jahr 2035 einsatzbereit sein können. Die innovativen Flugzeugentwürfe sollen dabei mittels neuer Technologien keine CO2-Emissionen mehr frei- setzen. Hierfür hat das Projektteam im ersten Schritt konventionelle An- triebe untersucht, um diese bis ins Detail zu verstehen. Aus diesen Er- kenntnissen konnte das Team unterschiedliche Antriebskonzepte und mögliche Flugzeugkonfigurationen entwickeln sowie deren Zusammenwir- ken in einer ganzen Flotte verschiedener Flugzeuggrößen bewerten. Klimaneutral vom Anfang bis zum Ende Die Zusammenarbeit von 20 DLR-Instituten it ihrer jeweiligen Expertise und gemeinsamen Systemkompetenz ermöglicht es, den ganzen Lebens- zyklus eines Flugzeuges mitzudenken und zu betrachten – von der Pro- duktion über den Betrieb bis hin zur Außerdienststellung mit anschließen- dem Recycling. Hierfür hat das Projektteam im Detail alle Komponenten des jeweiligen Flugzeugs entworfen und geprüft, wie diese zusammenwir- ken. „Als nächstes wollen wir die Anforderungen an die Zulassung und Indus- trialisierung detaillierter in gemeinsamen Projekten mit der Industrie betrachten“, so Hartmann „Insbesondere mittelständische Unternehmen können unsere Flugzeugkonzepte nutzen, um die Vorentwicklung ihrer Zulieferteile für größere Industriebetriebe frühzeitig zu planen.“ SAF als Brückenlösung In naher Zukunft könnte SAF die Klimawirkung bereits vermindern. Lang- fristig bieten diese ebenso wie die Wasserstoffdirektverbrennung das Potenzial, die Klimawirkung um bis zu 90 Prozent zu senken. Für Flug- zeuge mit Wasserstoffantrieb sind allerdings komplett andere Technolo- gien nötig. Zudem müssen Flughafeninfrastrukturen und Wartungsbetriebe angepasst sowie das Luftfahrtpersonal neu ausgebildet werden. Ein besonderer Fokus liegt auch auf der Betrachtung des Lebenszyklus – nicht nur der Flugzeuge, sondern auch der einzelnen Energieträger. Die Ingenieurinnen und Wissenschaftler untersuchen die Umweltwirkung der einzelnen Flugzeugtypen vom Entwurf bis zur Außerdienststellung. Unter der Umweltwirkung verstehen die Forschenden nicht nur den Ausstoß von CO2 und Treibhausgasen, sondern beispielsweise auch den Wasserver- brauch oder die Belastung von Böden durch Schadstoffe. Das heißt, sie betrachten auch die Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima, bevor eine Flugzeugkomponente produziert ist und was nach dem Recycling mit den Materialien geschieht.
Um genügend „grünen“ Wasserstoff zu produzieren sind Ökostrom und Wasser nötig. In speziellen Industrieprozessen wird der Wasserstoff zu SAF weiterver- arbeitet. Das Projekt EXACT untersucht Szenarien, die Energieträger zu den Orten an denen Luftfahrt stattfindet, möglichst nachhaltig zu transportieren. „Die direkte Kopplung solcher Themen mit dem Flugzeugentwurf und der Technolo- gieentwicklung ist in unserem Projekt völlig neu. Erdöl wurde seit jeher aus der Erde gewonnen und in Raffinerien zu Kerosin weiterverarbeitet. Nachhaltige Kraftstoffe zu produzieren ist viel komplexer. Solarstrom könnte zum Beispiel in der Wüste gewonnen werden, Wasser gibt es an Küsten. In EXACT erforschen wir, wie diese Energieträger möglichst effizient zu transportieren und weiterzu- verarbeiten sind, um sie letztlich im Flugzeug zu nutzen“, so Hartmann. Dabei berücksichtigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kraftstoff- herstellung in Szenarien zur nachhaltigen Energiegewinnung mit anschließen- der Produktion von Wasserstoff und SAF bereits bei der Planung neuartiger Flugzeugtypen. Sie setzen dies mit der entsprechend notwendigen Infrastruktur in Verbindung, sodass ein neues Luftfahrtsystem von Anfang an nachhaltig und wirtschaftlich betreibbar geplant wird. In der zweiten Projekthälfte sollen nun ganzheitliche Lösungen gefunden wer- den, in denen die Technologiebausteine optimal ineinandergreifen. Erst dann ist eine zuverlässige Bewertung der verschiedenen Technologien und Energie- träger hinsichtlich ihrer Klimawirkung abschließend möglich.
Bild: DLR
Bild: DLR
Bild: DLR
Technologieträger soll verteilte E-Antriebe für Airbus untersuchen
17.03.2022
Airbus Airbus
Die großen Flugzeugersteller be- treiben Zukunftsplanung, damit aus Visionen Realität werden kann. So traf Airbus mit der fran- zösischen Firma Daher bereits im Jahr 2019 eine Vereinbarung einen Technologieträger auf Ba- sis des einmotorigen Geschäfts- reiseflugzeugs TB 940 zu ent- wickeln. EcoPulse soll sechs Elektro-Motoren erhalten, die ihre Kraft entgegen erster Über- legungen aus einem Batterie- Pod entnehmen. Im Juni letzten Jahres führte Airbus in seinem
Werk in Filton, Großbritannien, erfolgreich die EcoPulse-Wind- kanaltests durch. Diese Tests bewerteten die Leistungsmerk- male des Propellers und den Kühlprozess der sechs „verteil- ten“ elektrischen Antriebseinhei- ten. Im Jahr 2022 ist die Mon- tage des Demonstrators – einer von Daher gelieferten Leichtflug- zeugplattform (TB 940) – in vol- lem Gange und ebnet den Weg für seinen ersten Testflug noch im Laufe dieses Jahres.
Die neue Batterie im EcoPulse- Demonstrator ist der neueste „Technologiebaustein“ von Air- bus, damit die zukünftigen Flug- zeuge die Dekarbonisierung wei- ter unterstützen können. Mit EcoPulse entwickelt Airbus ei- nen neuen Ansatz für den ver- teilten Antrieb von Flugzeugen. Partner sind Daher, die das Flug- zeug liefern sowie Safran mit den Elektromotoren, die sich in- zwischen auch auf Elektroan- triebe spezialisiert haben. Doch jetzt konzentriert sich Air- bus auf einen weiteren Schlüs-
selfaktor, der für den EcoPulse- Demonstrator fertiggestellt wird: das von Airbus Defence and Space in Toulouse entwickelte Hochspannungs-Lithium-Ionen- Hauptbatteriesystem. Obwohl diese neue Batterie optisch nicht im Mittelpunkt steht, ist sie den- noch eine sehr bedeutende Inno- vation, die für die Elektrifizie- rungsdemonstration mit Eco- Pulse von zentraler Bedeutung ist, insbesondere da sie die Grenzen für Hochspannungsbat- terien für den Einsatz in Flug- zeugen erweitern wird.
Die Batterie selbst ist ungefähr 2,30 m lang, 75 cm breit und 20 cm tief. Sie ist unter dem Rumpf in einem Pod montiert, der eine verstärkte aerodynamische Ver- kleidung erhält. Die Batterie ist aber nur eine von zwei Strom- quellen des Demonstrators. Eine zweite Batterie ist eine von Saf- ran bereitgestellte „e-Auxiliary Power Unit“ (e-APU). Leicht, kompakt, mit sehr hoher Batte- rieleistung und Energiedichte: Die Batterie erreicht diese Ziele dank mehrjähriger Forschung
und Entwicklung im Rahmen der Flugzeugelektrifizierungs- und Nachhaltigkeitsinitiativen von Airbus. Weniger leistungsstarke Hochvoltbatterien wurden zuvor bei CityAirbus und Airbus Heli- copters FlightLab installiert. Das Ergebnis dieser schrittweisen Fortschritte ist diese neueste Hochspannungs-Lithium-Ionen- Batterie. Die für EcoPulse konzi- pierte Einheit wiegt rund 350 kg, erreicht 800 Volt Gleichspan- nung und kann bis zu 350 Kilo- watt Leistung liefern.
Bild: Airbus
Foto: DLR
Foto: H.Penner
Neue Elektromotoren von Geiger-Engineering mit 120 Volt Betriebsspannung und breiterem Drehzahlspektrum 22.07.2022
Geiger-Engineering Geiger-Engineering
Geiger-Engineering, einer der erfolgreichen Hersteller in der Nieder- volt-Technik (bis 60 Volt) hat jüngst sein Programm auf eine höhere Spannung von 120 Volt erweitert. Damit zieht das Unternehmen mit dem tschechischen Unternehmen MGM und dem slowenischen Un- ternehmen Emrax gleich, die schon länger in diesem Spannungsbe- reich arbeiten. Wie die Mitbewerber arbeiten die Geiger-Motoren ebenfalls mit einer Luftkühlung. Die neuen 120 Volt Motoren basieren auf unseren weit verbreiteten 60V Basismotoren. Da die Wicklungen der Basismotoren bereits auf 1000 Volt Isolationsspannung ausgelegt war, war es möglich durch eine im Motor integrierte Sternverschaltung die Nennspannung der Motoren problemlos auf 120V zu erhöhen.
Parallel hierzu wurden diese Stan- dardmotoren durch eine geänderte magnetische Übersetzung in ein breiteres Drehzahlspektrum über- führt. Das ursprüngliche Drehzahl- spektrum lag bei 2000 -2700 RPM und wurde jetzt auf 1000-3500 RPM erweitert und kann bei 60V und 120V erreicht werden. Die Vorteile höherer Spannun- gen Die höhere Arbeitsspannung hat den Vorteil, dass die Zuleitungen mit niedrigerem Zuleitungs-Quer- schnitt ausgelegt werden können. Frei nach dem Ohm’schen Gesetz können beim Betrieb mit höheren Spannungen aber auch höhere Leistungen für die Motoren über- tragen werden. Der Nachteil ist allerdings, dass Personenschutz- maßnahmen über 60 Volt, die auch der Gesetzgeber fordert, berück- sichtigt werden müssen. Erste Anwendung bei Feuer- wehrdrohne Inzwischen wurden erste Muster für Spezialanwendungen von Gei- ger-Engineering ausgeliefert. Eine der ersten Anwendungen ist eine Feuerwehrdrohne, die zur Be- kämpfung von Waldbränden einge- setzt werden soll. Die neuen 120 Volt Motoren basieren auf den weitverbreiteten 60V Basismoto-
ren, die in der Regel mit 48 Volt Batterien betreiben werden. Diese Motoren wurden und werden in der Regel in Trikes und 120kg Klasse UL’s eingesetzt. Als Duplex-Moto- ren (Zweischeibenlösung) findet man sie bereits in einigen Drei- achs-UL’s und Drohnen. Vorteile der Luftkühlung Der Vorteil der luftgekühlten Moto- ren ist unter anderem auch der Verzicht auf komplizierte, gewichts- erhöhende und störungserhöhende Kühlkreisläufe. Konstruktiv muss allerdings auf die optimale Frisch- luftzufuhr- und -abfuhr geachtet werden. Mit der Erweiterung der Motoren- pallette von 60 auf 120V und 1000 – 3500 RPM erschließen sich wei- tere Anwendungsfelder, wie FES,- oder VTOL Anwendungen. Das Leistungsspektrum geht von 12- 50kW Dauerleistung und von 16 - 80kW Startleistung. Weltweit die meistverkauften Systeme An einer Erhöhung der Leistungen dieser luftgekühlten Motoren wird momentan gearbeitet, erste Feld- versuche laufen gerade. Geiger-Elektromotoren und Geiger- Antriebsstränge sind bis zum heuti- gen Datum noch die meistverkauf- ten Systeme weltweit.

Elektrisches Fliegen - die Zukunftsperspektive

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