Elektromotor für Flugzeuge

Kleiner starker Luftikus

Von Lukas Weber
 - 11:33

In der Nähe eines Flughafens zu wohnen, sehen viele als Vorteil, ist es doch nicht weit ans Tor zur Welt. Das ist die Sichtweise jener, die eine weite Anfahrt haben, für die Anlieger ist eher der Lärm das beherrschende Thema. Die Branche arbeitet mit Hochdruck daran, das Fliegen wegen drohender Verbote leiser und zugleich wegen der Treibstoffpreise effizienter zu machen. Da kommt der elektrische Antrieb gerade recht. Elektromotoren wären als Flugzeugantrieb in vielen Fällen ideal; sie sind stark, kompakt und vibrationsarm - wäre da nicht das vom Auto bekannte Problem, dass mit Motoren, Akkus und Stromerzeugern ein beträchtliches Gewicht zusammenkommt.

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum elektrischen Fliegen ist jetzt den Technikern von Siemens gelungen. Sie haben einen rekordverdächtig leichten Motor entwickelt, der viel stärker ist, als er aussieht. In ihn wurde alles hineingepackt, was derzeit technisch möglich ist. Das vom Erfinder des Generators gegründete Unternehmen hat eine lange Erfahrung mit Elektromotoren aller Größen bis hin zum Antrieb für Hochgeschwindigkeitszüge und arbeitet seit sechs Jahren zusammen mit dem Flugzeugbauer Airbus an Lösungen für deren Verwendung in der Luft.

Als Ergebnis der Bemühungen ist jetzt ein Motor in der Erprobung, der mit einem Durchmesser von 418 Millimetern und einer Länge von 300 Millimetern die Abmessungen eines großen Kochtopfs hat und nur 50 Kilogramm auf die Waage bringt, aber 260 Kilowatt elektrische Leistung liefert. „Kein anderer Elektromotor dieser Größe hat auch nur annähernd ein solches Leistungsgewicht von 5 kW je Kilogramm“, sagt Frank Anton, der für Siemens die Entwicklung leitet. Ein vergleichbarer Motor in der Industrie wiege mindestens 250 Kilo, und auch die Automobilindustrie erreiche höchstens die Hälfte seines Leistungsgewichts. Die Entwicklung besonders leichter und starker Elektromotoren für Flugzeuge komme auch anderen Anwendungsbereichen zugute. Die Arme eines Industrieroboters etwa könnten so insgesamt wesentlich leichter ausgelegt werden, weil sie weniger Eigengewicht tragen müssen.

Der neue Motor ist stark genug für Flugzeuge mit einem Startgewicht von bis zu zwei Tonnen. Er ist auf eine Drehzahl von nur 2500 Umdrehungen in der Minute ausgelegt. Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen für Kleinflugzeuge kommt er deshalb ohne Getriebe aus, der Propeller wird direkt angetrieben. Der Wirkungsgrad wird mit mehr als 95 Prozent angegeben, die Betriebsspannung beträgt 580 Volt. Nach erfolgreichen Probeläufen auf dem Prüfstand soll der Motor jetzt in ein passendes Flugzeug eingebaut werden. Vom Elektroauto unterscheide das elektrische Fliegen vor allem der Zertifizierungsaufwand, erklärt Anton. Der wachse mit der Größe des Flugzeugs. Vor allem müsse die Sicherheit auch in großer Höhe gewährleistet sein.

Deshalb arbeitet der neue Motor gleichsam mit zwei Kreisen. Sollte ein elektrischer Defekt auftreten, lässt er sich immer noch mit halber Leistung betreiben. Der Stator wird mit Öl gekühlt, der Propeller hydraulisch verstellt. Sämtliche verwendeten Materialien sind vom Feinsten, so konnten die Spaltmaße eng gehalten werden. Die Permanent-Magnete des Rotors sind in der Halbach-Anordnung konfiguriert; dadurch wird der magnetische Fluss an der einen Seite der Konfiguration fast aufgehoben und an der anderen Seite verstärkt.

Die nächste Stufe ist auch schon abzusehen

Besonderer Wert wurde auf Leichtbau an jeder Stelle gelegt. Ein massives Stück Aluminium ist zum Beispiel der Lagerschild, der die drei Rollenlager des Motors und des daran befestigten Propellers trägt. Auf dieses Bauteil wirken im Flugbetrieb große Kräfte, entsprechend schwer ist der Schild. Um ihn zu optimieren, haben die Siemens-Techniker einen eigenen Algorithmus entwickelt und in das CAD-Programm NX Nastran integriert. Im Ergebnis konnte der Lagerschild von 10,5 Kilogramm auf 4,9 Kilo abgespeckt werden. „Der Algorithmus geht dabei ähnlich vor wie die Natur beim Knochenbau“, erklärt Anton. Die nächste Stufe ist auch schon abzusehen: ein Lagerschild aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, der nur noch 2,3 Kilo wiegen soll. Das alles schlägt sich in den Kosten nieder. Der Prototyp hat natürlich keinen Preis, und in der Serie wird es auf die Stückzahlen ankommen. Anton widerspricht aber nicht, wenn grob das Hundertfache eines herkömmlichen Motors geschätzt wird. Angesichts der Gesamtkosten eines Flugzeugs hält sich das nach Ansicht der Siemens-Techniker im Rahmen.

Zumal in der gesamten Wirtschaftlichkeitsberechnung die Kosten schnell wieder hereinkommen. Denn der neue Motor wurde nicht zum rein elektrischen Fliegen entwickelt, dessen Problem vor allem das hohe Gewicht der Stromspeicher ist. Vielmehr schwebt Siemens und Airbus eine Verwendung als Hybridantrieb vor. Dadurch soll, auf eine Lebensdauer von zwei Jahrzehnten gerechnet, ein Viertel bis die Hälfte des Treibstoffs eingespart werden können, rechnet Anton vor. Vorteile hat der Elektromotor auch durch seine kompakte Form, das Flugzeug kann aerodynamisch günstiger gestaltet werden. Sogar schwenkbare Antriebe sind möglich und solche für Hubschrauber, die nur kurze Strecken im Einsatz sind, etwa für Rettungsflüge.

Fliegen mit Hybriden wird normal sein sein

Auf eine Distanz bis 1000 Kilometer spielt der Hybridantrieb seine Vorteile aus. Denn die volle Leistung braucht das Flugzeug nur zum Starten und im Steigflug, danach werden die Turbinen heruntergeregelt. Sie sind also für den weitaus größten Teil des Flugbetriebs überdimensioniert. Für den Elektromotor ist das im Gegensatz zur Turbine kein Nachteil, er arbeitet auch unter Teillast effizient. Im Rumpf ist dann eine kleine Turbine verbaut, die den Strom für Motoren und Akkus bereitstellt. Oder der Elektromotor treibt beim Start das Lüfterrad der Turbine (Fan) mit an und wird dann abgeschaltet. Damit wären kleinere Turbinen möglich. In jedem Fall wird, wie beim Auto, im Landeanflug ein Teil des elektrischen Stroms wiedergewonnen - der Propeller oder Fan dient dann als Bremse.

Das war auch schon bei dem kleinen seriellen Hybriden mit einer Leistung von 60 kW der Fall, der 2011 als erster überhaupt in die Luft gegangen ist. Die Gemeinschaftsentwicklung von Airbus, Siemens und Diamond Aircraft sei damals noch praktisch ohne Nutzlast unterwegs gewesen, sagt Anton, zwei Jahre später „konnten wir mit der Weiterentwicklung erstmals zeigen, dass das Flugzeug nicht schwerer wird und dieselbe Reichweite hat wie mit konventionellem Antrieb“. Mit dem neuen Motor sei Siemens der Konkurrenz drei bis vier Jahre voraus, in zwei Jahrzehnten werde Fliegen mit Hybriden auf kurzen Strecken normal sein.

Und das rein elektrische Fliegen? In überschaubaren Zeiträumen kommt das nach Ansicht des Siemens-Entwicklers vielleicht für Segelflieger und Ultraleichtflugzeuge in Betracht. Das filigrane Rekordflugzeug, das derzeit solarbetrieben um die Welt reist, brauche gar keine besonders leistungsfähigen Motoren, „unser Antrieb ist für völlig andere Einsätze ausgelegt“. Einen Vorteil hat der medienwirksame Auftritt allerdings: Er beflügelt das Thema elektrisches Fliegen.

Quelle: F.A.Z.
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Lukas Weber
Redakteur im Ressort „Technik und Motor“.
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