Seit über 100 Jahren fliegen Luftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen. Warum sollte man ausgerechnet auf Bewährtes verzichten, kennt man doch alle Stärken und Schwächen von Kolbenmotoren und fossilen Kraftstoffen, die dafür benötigt werden. Bislang ging man aber davon aus, dass diese Kraftstoffe ausreichend vorhanden sind. Festzuhalten ist, dass die Allgemeine Luftfahrt einen verschwindend geringen Anteil davon im Vergleich zur Militär- und Zivilluftfahrt verbraucht und das der Gesamtbedarf der Luftfahrt marginal gegenüber anderen Kraftmaschinen einschließlich der KFZ und Schiffe ist. Doch die Ressourcen sind endlich und Verbrennungsmotoren könnten so zu Auslaufmodellen werden. Elektromotoren Vollkommen ohne Benzin in die Luft zu kommen, wäre ideal. Hier bietet sich der Elek- tromotor idealerweise an. Er kommt mit nur wenigen Bauteilen aus. Und weil er kaum einem Verschleiß unterliegt, ist er auch weniger störanfällig. Inzwischen weisen elek- trische Energieträger ständig höhere Energiedichten auf. Doch das alleine reicht nicht aus. Die Wirkungsweise des Magnetismus wusste auch schon ein Werner von Siemens, der als Erfinder des Elektrogenerators gilt, nachdem Jahrzehnte zuvor der dänische Physi- ker und Philosoph Hans Christian Ørsted die Entdeckung des Elektroagnetismus ge- macht hatte, die 1834 zu einem ersten Elektromotor führte. Vorausgegangen war die Volta‘sche Säule von Alessandro Volta aus Italien. Die Grundvoraussetzung aller Elek- tromobilität! Nur zwei Jahre später erfand Johann Wilhelm Ritter, ein deutscher Physi- ker und Philosoph die Rittersche Säule, den ersten Akkumulator. Indes traten aber die Verbrennungskraftmaschinen, angetrieben durch fossile Brenn- stoffe ihren ungebremsten Siegeszug an. Elektromotoren und Akkumulatoren wurden fast ausschließlich nur stationär oder zumindest erdgebunden eingesetzt. Erst Ende der fünfziger Jahre schien die Zeit für den Luftfahrtbereich reif zu sein, abgesehen von einigen Einzelversuchen Ende des 19. Jahrhunderts, einige Luftschifftypen mangels leichter Benzinmotoren doch zuerst mit Elektromotoren auszurüsten. So gelang es einem Franzosen 1884, schon lange vor der großen Zeppelin-Ära sein Luftschiff „LaFrance“ mit einem Elektromotor auszurüsten. Doch hätte der breite Einsatz von Elektroantrieben wegen der damaligen hohen Moto- ren- und Akkugewichte und der geringen Energiedichten der Akkus selbst keinen Sinn gemacht. Die technologische Entwicklung auf diesen Ebenen vollzog sich dann doch eher in sehr kleinen Schritten bis zu den ersten nennenswerten Elektroflügen. Bei der Entwicklung von Elektroflugzeugen standen nach wie vor die altbekannten Hürden. Der Einstieg kam von der Seite der Flugmodellbauer, auch wenn in den ersten Jahren zuerst noch auf bewährte Motorenbauarten wie bürstengespeiste Gleichstrommotoren zurückgegriffen wurde. Die Erfolge blieben nicht aus. 1959 gelang dem Österreicher Fred Militky der erste Kraftflug mit einem Elektroflug- modell. Seine Idee sollte auch durchaus fruchten, denn 14 Jahre später inspirierte er auch Schulfreund Heino Brditschka und seinen Vater mit einem bemannten Flugzeug elektrisch zu fliegen. Um die Elektroantriebe in der bemannten Luftfahrt wurde es aber schnell wieder still, während sich der Elektro-Modellflug kontinuierlich weiterentwickelte. Weil Gleichstrom-Schleifringläufermotoren starken Abnutzungserscheinungen unter- worfen sind, machte sich die Entwickler von Motoren die Vorteile der bürstenlosen Motoren mit einer Ankerglocke zunutze. Das hatte den Vorteil, dass weder funkstö- renden Funken, bzw. Feuer am Schleifring entstehen konnten und dass sich auch die elektrischen Verluste ebenso reduzierten, wie auch die Geräuschentwicklung. Die bei kleinen Gleichstrommotoren üblichen Permanentmagnete konnten nach und nach durch modernere Magnetwerkstoffe von anfänglichen Alnico- (Aluminium-Nickel-Kobalt-Eisen und Kupfer) über Kobalt-Samarium- bis zu den heute gebräuchlichen Neodym-Eisen- Bor-Magneten (NdFeB) ersetzt werden. Kollektorlose Motoren funktionieren nach einem einfachen Prinzip. Das durch die Pol- wicklungen erregte Drehfeld wird mit einer Art Drehstrom erzeugt. Die Polwicklungen, bestehend aus Kupferspulen, sind den Permanentmagneten gegenüberliegend um Eisenbleche gewickelt. Diese Bleche, die in der Regel aus einer Eisen-Silizium-Legie- rung bestehen, werden einseitig mit einer isolierenden, aber klebenden Lackschicht versehen. Das verhindert Wirbelströme, denn sonst könnte man andere homogene, weichmagnetische Werkstoffe nehmen. Beim E-Motor trägt ein Blechpaket die im Kreis angeordneten Kupferspulen. Außen- liegend befindet sich gegenüber jeder Spule ein Permanentmagnet, der abwechselnd mal als Nord und mal als Süd gepolt ist. Fließt ein Strom durch die Wicklung, entsteht ein Magnetfeld. Um das Magnetfeld in Drehung zu versetzen, muss die Polarität ständig umgewechselt werden. Ungleich- namige Pole zweier Magnete ziehen sich dabei an und gleichnamige stoßen sich ab. Der permanente Polwechsel durch die Spulen führt so zur Drehung. Dies wird durch die elektronische Steuerung erreicht. Die Spulen mehrerer mit Lack isolierter Drähte werden hintereinander im Stern oder im Dreieck miteinander verbunden. Das Blech/Spulenpaket wird als Stator bezeichnet. Der rotierende Teil stellt den Rotor dar. Die Motoren können sowohl als Außen- als auch als Innenläufer aufgebaut werden. Um einen ruckfreien Lauf zu gewährleisten, versuchen die Motorenbauer möglichst viele Polpaare zu bilden. Einzige Verschleißteile sind die Lager, die konventionell als Gleit- oder Kugellager verbaut werden. Der Aufbau solcher Motoren ist relativ einfach und das im Gegensatz zu Verbrennungs- motoren, die sehr viel bewegliche Teile besitzen und die neben hohen mechanischen Beanspruchungen auch noch extrem hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Für niedrige Lasten verwendet man gerne Außenläufer, weil die sich auch gut durch Luft kühlen lassen. Das gilt für Leistungen bis zirka 50 kW. Will man höhere Leistungen erstellen, kommen Flüssigkühlungen infrage. Allerdings sind dem auch Grenzen ge- setzt, denn sowohl die Spulen als auch die Permanentmagnete vertragen keine Tempe- raturen über 120 °Celsius. Motoren dieser Bauarten erreichen heute Wirkungsgrade von 95% und mehr. Dem stehen die Verbrennungsmaschinen mit bescheidenen 35-40% gegenüber. Dafür wei- sen sie günstigere Leistungsgewichte auf. Elektromotoren mit hohen Wellenleistungen können da im Moment noch nicht mithalten, weil im Gegensatz zu Verbrennungs- motoren kaum Leichtbaumaterialien verbaut werden können. Vom Kupfer über Eisen bis hin zu den Magneten handelt es sich um in ihren Artgewichten sehr schwere Materialien, die sich nicht einfach ersetzen lassen. Um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, erzeugt man der Einfachheit halber rechteck- getaktete Spannungen. Je höher die Spannung ist, desto besser wird der Wirkungs- grad. Zudem bemüht man sich, die Ströme möglichst im Sinuskurvenverlauf auf die Spulen zu schicken. Das spart elektrische Verluste im Motor und in der Steuerlektronik, die sonst zusätzlich in Wärme umgesetzt werden. Ein kleiner zusätzlicher Vorteil bei kollektorlosen Motoren ist, dass bei den fehlenden Bürsten auch keine elektrischer Funken erzeugt werden, die zu Funkstörungen führen. Prinzipiell kann der Aufbau kollektorloser Motoren auch mit den Lüfter- oder Antriebs- motoren der Laufwerke in PC’s verglichen werden. Unschlagbar ist der Drehmomenten- verlauf des E-Motors. Das Drehmoment ist im Gegensatz zu einem Kolbenmotor über die gesamte Drehzahl nahezu gleich. Letztere ist nur von der Spannung abhängig. Die Energiespeicher Batterieentwicklungen beruhten in der Vergangenheit meistens auf Zufallsprinzipien. Würde man, so Experten, Batterieentwicklungen mit der gleichen Intensität wie bei der Kernforschung einsetzen, wäre das Speicherproblem elektrischer Energie heute viel- leicht schon gelöst. Seit mehr als 100 Jahren hat sich in der Fahrzeugtechnik die Blei- Batterie bewährt. In der Luftfahrt sind heute Lithium-Ionen Batterien, bzw. –Akkus Standard, wenn es sich um Antriebsakkus handelt. Erprobt werden bereits auch Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Akkus, wie etwa am Batterieforschungszentrum der Universität Münster, Electrochemical Energy Technology (MEET). Hier arbeitet ein Wissenschaftlern-Team in der Forschung und Entwicklung an Energiespeichern mit bis zu fünffach höheren Energiedichte, längerer Haltbarkeit und maximaler Sicherheit als heutige Lithium-Ionen Batterien. Eine kleine Menge einer klaren Flüssigkeit weckt dort große Hoffnungen. Die Ausgangsbedingungen sind immer dieselben: Um Energie zu gewinnen, strömen die Lithium-Ionen zwischen zwei Teilen eines Akkus hin und her, von der Anode und der Kathode. Dazu müssen die Ionen an diesen beiden Stellen noch in einer Art von Behältermolekülen gefangen werden. Man hofft spätestens 8-10 Jahren serienreife Lithium–Luft-Batterie zur Verfügung zu haben. Doch schon präsentieren deutsche Forscher einen noch neueren Typ, der eine zehn- fach höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien verspricht: Den Metallfluorid- Akku. Das Karlsruher Institut für Technologie KIT, das sich damit beschäftigt, verhehlt allerdings nicht, dass es sich bisher nur um einen Prototyp handelt. Immerhin zeigen die neuen Akkus bereits größere Ladekapazitäten pro Kilo als Lithium-Ionen-Akkus. Das Neue ist: Es werden pro Lade-und Entladezyklus gleich mehrere Ladungseinheiten gespeichert und übertragen, statt nur eine Einheit wie bisher. Der Grund-aufbau des Stromspeichers ein Metall, beispielsweise Cer; die andere Seite (Kathode) besteht aus einer Verbindung eines anderen Metalls mit mehreren Fluor-Atomen. Wie bei jedem Akku sind beide Seiten durch einen Ladungstransporter, dem Elektrolyt getrennt, in diesem Fall ist es keine Flüssigkeit, sondern ein fester Elektrolyt. Beim Entladen wandern gleich mehrere geladene Fluor-Atome durch den Elektrolyt zur Metallseite statt beispielsweise nur eines Lithium-Ions beim konventionellen Antriebs-Akku. Allerdings sind die Karlsruher Ingenieure über das Experimentierstadium noch nicht hinaus gekommen. Momentanes Problem: das Labormuster arbeitet noch unter Hochtemperatur. Um es aber auf einen Nenner zu bringen: Elektrolyte und Trennfolien stellen die Kern- probleme moderner Lithium-Batterien dar. Auf dem Boden der Tatsachen scheinen die Japaner zu bleiben. Bei der Sekisui Chemical, einem Unternehmen, welches sich in erster Linie mit Kunststoff-Techniken beschäftigt, stellte ein neues Herstellungsver- fahren vor, das statt der bei Lithium-Ionen-Batterien üblichen Kohlenstoffmaterialien zur Speicherung auf eine spezielle Silizium-Legierung setzt und die Leitfähigkeit erhöht. Neu sind auch gelartige Elektrolyte, die den Produktionsprozess deutlich beschleunigen sollen. Für 2015 war bereits die Serienfertigung der bis zu 2/3 günstigeren Batterien geplant. Und auf eine KFZ-Batterie bezogen, die gegenwärtig noch um die 15 000 € kostet, will man die neue Super-Batterie schon für 5000.- € anbieten können. Ganz klar, dass die Luftfahrt da bei bescheidenerem Bedarf auch von profitieren wird. Weniger kompliziert sehen Ingenieure das Laden der Batterien und die Batteriemana- gement-Systeme. Moderne Elektronik macht es möglich. Anders als bei Bleibatterien, die en bloc geladen werden können, wollen Lithium-Zellen pfleglich behandelt werden. Sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung also im Flugbetrieb dürfen die Differenzspannungen in der Regel nicht mehr als 50 mV betragen. Das erreicht man durch konstantes Messen der Einzelspannungen an der Zelle. Treten Fehler bzw. Störungen einzelner Zellen im Flug auf, können sich sogar einzelne Zellen automatisch abschalten. Je höher die Batteriespannung ist, desto weniger fällt allerdings auch eine fehlerhafte Zelle in Gewicht. Hersteller moderner Lithium-Zellen sind deswegen bemüht, eine sehr kontinuierliche Fertigung zu garantieren. Bekannt ist, dass es nach Brditschka’s ersten Elektroflug 1973 auch wieder lange still war, bis Paul MacCready den Gossamer Penguin in seiner Firma AeroVironment als Vorstufe für den Solar Challenger entwickelte. Mit dem Solar Challenger, solarzellen- bestückt, konnte 1981 der Ärmelkanal mit Solarkraft überflogen werden. Kurz zuvor flog Karl Friedel mit umgebauten Bosch-Scheibenwischermotoren als erster Deutscher mit elektrischer Energie. Indes vollzog sich auf dem Modellflug-Sektor die Entwicklung des Elektrofluges kon- tinuierlich. Besonders auf der Elektronikseite flossen die Erfahrungen mit modernen Komponenten ein, die die Stelleinheiten zur Drehzahlsteuerung zuverlässiger und leichter machten. Da machte den späteren Anwendern für bemannte Flugzeug den Ein- stieg in diese neue Technologien auch leichter. Der serienmäßige Einbau von Elektro- antrieben begann dennoch erst gegen Ende der neunziger Jahre in einsitzigen Motor- seglern (History). Wer der namhaften Hersteller den großen Sprung zu einem Serien-Motorflugzeug zuerst und wann überhaupt startet, hängt ausschließlich von der Batterie und Regelungsseite ab, denn Wärme-Verlustleistungen, die bei niedrigeren Leistungen durch Flächenkühler oder einfache Zwangskühlung abgeführt werden können, sind im Gigawatt-Bereich noch ungelöst. Der Grund: die kurzen Schaltimpulse der Halbleiter führen zur direkten Wärmeentwicklung, die abgeführt werden muss. In niedrigeren Leistungsbereichen wie für Ultraleichtflugzeuge und Motorsegler hat man diese Probleme schon in den Griff bekommen. Nach heutigem Stand der Technik geht man davon aus, dass die elektro- nischen Probleme schneller beherrschbar sind als die Entwicklung neuer Batterien. Unternehmen, die sich mit Elektroantrieben beschäftigen, zeigen sich optimistisch, was zukünftige Batterieentwicklungen betrifft. Im niedrigen Leistungsbereich bis etwa 25 kW wagt man schon die Komplettkosten mit denen der Anschaffungs- sowie den laufenden Kosten gleichzurechnen. Hybridtriebwerke In Abwägung aller Fakten bieten sich momentan als sinnvolle Alternative noch Hybrid- triebwerke an, auch wenn diese wegen zwei verschiedener Aggregate die Kosten fast immer doppelt so hoch sind. Da die Reiseflugleistung aber nicht mit der Startleistung gleichzusetzen ist, kann der Elektromotor wie eine Art Booster zum Start eingesetzt werden, was den Verbrennungsmotor leichter und billiger macht. Siehe auch History über „e-Genius“„Panthera“ oder CT.

H. C. Ørsted Entdecker des Elektroagnetismus

Erstes Elektro-Luftschiff

Faulhaber Micro-Motor (1979)

Bosch-E-Motor im ersten Elektroflugzeug der Welt

Bürstenloser Glockenanker-Modellmotor

Gleitschirm-Motor mit 30 Ankerwicklungen

PC-Lüftermotoren als Beispiel für moderne Elektro-Flugmotoren (in der Glocke die Magneten)

Wie die Wissenschaft die Batterie-Entwicklung sieht

Am KIT in Karlsruhe arbeitet man am Metallfluorid-Akku

Sekisui Chemical meint an der Trenn- folie liegts bei den Lithium-Ionen- Batterien und er- weckt damit große Hoffnungen

Geforscht wird auf breiter Ebene

Große Aufgabe: wie bringt man mehr Kohlenstoffatome zwischen die Moleküle

Einpassen des Batterie-Packs in der Antares 20E

Wie sich Airbus einen Hybrid-Antrieb vorstellt

Idealfall durch Sinuskurve: Der Gleichstrommotor wird durch den Drehzahlsteller zum Pseudo-Drehstrommotor. Ob Sinus oder Rechteck hängt vom Steller ab.

Funktionsweise: bürstenloser Gleichstrommotor