Elektroflugzeug

Ein Elektroflugzeug (oder elektrisches Flugzeug) ist ein Flugzeug, das durch elektrische Energie angetrieben wird.

Mit den seit den 1990er Jahren verfügbaren Lithium-Ionen-Akkus und wachsender Energiedichte der Akkumulatoren wurden Elektroflugzeuge, zumindest für Kurzstreckenflüge, allmählich möglich. Elektrische Flugzeugantriebe sind eine technologische Option im Hinblick auf eine Energiewende im Bereich Luftverkehr.Die Antriebsmittel der Zukunft. In: Klaus L. Schulte: Elektroflug – Technologie, Geschichte, Zukunft. 2014, ISBN 978-3-942095-44-0, S. 28–29. Auch durch Brennstoffzellen angetriebene Wasserstoffflugzeuge gehören indirekt zu den Elektroflugzeugen.

Elektroflugzeuge sind eine Form der Elektromobilität.

Hintergrund In Anbetracht der Energiewende und nicht endlos verfügbarer fossiler Energieressourcen ergibt sich die Notwendigkeit, Flugzeuge auf erneuerbare Energien umzustellen. Neben aus erneuerbaren Energien gewonnenen grünem Wasserstoff oder Sustainable Aviation Fuel, sind Elektroflugzeuge ein Ansatz, um dies für kürzere Distanzen zu realisieren. Da viele Flüge tatsächlich nur Kurzstreckenflüge bis 1000 Kilometer sind, ist das ein möglicher Ansatz, der inzwischen verstärkt erforscht und entwickelt wird. Insbesondere für Geschäftsreiseflugzeuge, bei denen im Jahr 2022 drei Viertel der Flugziele von deutschen Flughäfen aus weniger als 500 km entfernt lagen.

Bei batterieelektrischen Propellerflugzeugen entstehen weder direkte Treibhausgasemissionen, noch indirekte, wie langlebige Kondensstreifen-Zirren, die bei herkömmlichen Flugzeugen den Hauptteil der Treibhauswirkung ausmachen und auch bei der Verwendung von synthetischen Kraftstoffen auftreten.

Technologie Bisher werden Elektromotoren mit Propeller, Mantelpropeller bzw. Rotoren durch den Strom der an Bord befindlichen Stromspeicher, wie Akkumulatoren bzw. Superkondensatoren angetrieben. Falls die erforderliche Energie unmittelbar durch Sonnenstrahlung erzeugt wird, dann ist es ein Solarflugzeug. Alternativ kann der Strom durch mitgeführten Wasserstoff über Brennstoffzellen erzeugt werden, dann handelt es sich um ein Wasserstoffflugzeug. Ein Hybridelektroflugzeug ist dagegen eine Kombination von einem elektrischen Antrieb mit einem Verbrennungsantrieb, dies stellt eine zukünftige Alternative für Reichweiten bis inklusive Mittelstrecken dar. Die Bauform als senkrechtstartendes Kurzstreckenflugzeug ohne Pilot, das eher für den Großstadtverkehr gedacht ist, nennt man Autonomes Flugtaxi bzw. eVTOL.

Eigenschaften Vorteile viel höherer Wirkungsgrad von Elektromotoren gegenüber Verbrennungsantrieben im weiten Drehzahlbereich, damit grundsätzlich eher energieeffizient Ähnlich der Rekuperation beim Elektroauto, kann ein Propeller-Elektroflugzeug selbst Strom erzeugen. Wenn das Flugzeug gleitet – beim Abstieg oder wenn es die Geschwindigkeit verringert –, versetzt die vorbei strömende Luft den Propeller in Rotation und der Motor funktioniert als Generator, der elektrischen Strom produziert und den Akku speist. Das Elektroflugzeug kann also Energie in Form von Flughöhe speichern.

Nachteile mit Batterien als Hauptenergiespeicher nur Kurzstreckenflüge möglich und das bei nur eher kleinen Flugzeugen; Batterien haben eine viel geringere Energiedichte als Brennstoffe, somit ergibt sich bei größeren Energiemengen schnell ein höheres Startgewicht

Die Flugleistungen, insbesondere die Reichweite der Neuentwicklungen reicht noch nicht an herkömmliche Antriebe heran, die Betriebskosten – vor allem für den Energieeinsatz – sind aber erheblich geringer. Der Grund dafür ist: Kerosin hat eine Energiedichte von 43 MJ/kg, dagegen haben selbst die besten Lithium-Ionen-Akkumulatoren nur eine Energiedichte von 1 MJ/kg.

+ Überblick über technische und ökonomische ParameterM. Sterner, I. Stadler: Energiespeicher: Bedarf, Technologien, Integration. SpringerVieweg, 2. Auflage, Berlin 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 649 ff. Technologie Energiedichte in Wh/kg Anschaffungskosten in Euro/kWh Verbrauchskosten Kondensatoren 0,1–15 5.150–12.000 0,13–0,76 Euro/kWh Lithium-Batterien 90–250 100–200 0,13–0,76 Euro/kWh Kerosin ca. 11.500 – ca. 0,50 Euro/Liter

Hauptvorteil eines elektrischen Antriebs ist seine Wartungsfreiheit. Diese macht bei konventionellen Antrieben einen erheblichen Anteil der Betriebskosten aus. Ein zusätzlicher Vorteil ist die material- und umweltschonende Laufruhe durch die fast vollkommene Abwesenheit von Vibrationen. Außerdem entfallen komplett alle Wartungs- und Kontrollarbeiten bezüglich Öl, Kühlwasser, Treibstoff- und Luftfilter, Auspuffanlage und Getriebe sowie die immense Gefahr, in einem Flugzeug eine hochentzündliche, explosive Flüssigkeit zu transportieren. Darüber hinaus leisten Elektroantriebe das gewünschte Drehmoment bei jeder Temperatur, Luftdichte und Drehzahl. Dies ist vor allem für die kritische Startphase von Flugzeugen von erheblicher sicherheitstechnischer Bedeutung, aber auch beim Aufstieg in eine energieeffiziente Flughöhe.

Antrieb Wegen des möglichst geringen Gewichtes von Flugzeugen ist eine hohe Drehmomentdichte gefordert, daher werden meist Scheibenläufermotoren verwendet.

Ionenantrieb In Zukunft könnten Plasmaantriebe zum Einsatz kommen, die inzwischen in Laboratorien in China und Spanien näher untersucht wurden. Dabei wird Luft in eine Glasröhre eingesaugt und bei einer Mikrowellenstrahlung im Gigahertzbereich zerlegt, diese dabei erzeugten Ionen strömen mithilfe eines Kraftfeldes mit 1000 Grad Celsius nach außen. Diese so beschleunigten Ionen können pro Kilowatt einen Schub von etwa 28 Newton erzeugen. Die Energieeffizienz ist dabei vergleichbar mit der eines Jettriebwerks. 2018 hob erstmals ein kleiner Flugkörper des Massachusetts Institute of Technology mit Ionenantrieb in den Vereinigten Staaten ab und flog in einer Höhe von 47 Zentimetern über eine Strecke von 60 Metern. In der Raumfahrt wird (im Weltraum) der Ionenantrieb schon tatsächlich bei Sonden und Satelliten verwendet. Für die kommerzielle Luftfahrt ist der verfügbare Schub aber noch viel zu gering.

Geschichte Anfänge und frühe Entwicklungen Voraussetzungen für einen Elektroflug waren die Erfindungen der Luftfahrttechnik und die Erfindung von Elektromotoren. Der wahrscheinlich erste elektrisch angetriebene Flug war am 8. Oktober 1883 von Gaston Tissandier mit einem Luftschiff.Kevin Desmond: Electric Airplanes and Drones: A History. 2018, ISBN 978-1-4766-6961-8, S. 19; mit Quellenverweis auf: Kevin Desmond: Gustave Trouvé: French Electrical Genius, McFarland 2015. Darüber hinaus gab es das 1884 von Arthur Constantin Krebs ebenfalls mit einem Luftschiff mit dem Namen La France.Kevin Desmond: Electric Airplanes and Drones: A History. 2018, ISBN 978-1-4766-6961-8, S. 22–23.

In der Sowjetunion wurde ab 1961 eine Maschine des strategischen Bombers TU-95 mit Nuklearantrieb getestet. Das Tu-95LaL und Tu-119 genannte Flugzeug hatte einen Atomreaktor an Bord, der jedoch nie als Antrieb diente, es war eine Machbarkeitsstudie für einen Fernbomber und -aufklärer mit Nuklearantrieb.Турбовинтовые самолеты Ту-95/Ту-114/Ту-142/Ту-95МС. ISBN 978-5-98734-025-7. Außerdem gab es zu der Zeit in den USA ähnliche Projekte mit Atomantrieben für Flugzeuge.

Modellflugzeuge wurden schon vor 1973 etwa von Fred Militky mit leisen Elektromotoren ausgestattet.Kevin Desmond: Electric Airplanes and Drones: A History. 2018, ISBN 978-1-4766-6961-8, S. 66–67.

Als erster Flug eines bemannten (Flächen-)Elektroflugzeuges gilt gemeinhin der Erstflug der MB-1E (MB: Militky Brditschka) OE-9023 am 21. Oktober 1973, mit dem der Österreicher Heino Brditschka (* 1950, Sohn von Heinrich Brditschka, * 1930) als Pilot einen lange Zeit nicht überbotenen Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde hielt. Die Angaben zur Länge des Fluges variieren von 9:05 min bis 14 min. Der Flug erfolgte nach 70 m Startstrecke in 300–360 m Höhe und mit einer Maximalgeschwindigkeit von 139 km/h. Das MTOW betrug 440 Kilogramm, NiCd-Akkus von Varta lieferten 15 kW Leistung, ein Bosch-Motor wirkte über mehrere Riemenscheiben einstufig ins Langsame untersetzt auf die Druckschraube hinter der Kabine.Militky MB-E1. (1973). In: Klaus L. Schulte: Elektroflug – Technologie, Geschichte, Zukunft. 2014, ISBN 978-3-942095-44-0, S. 159–160. Das Flugzeug gelangte irgendwann unvollständig ins Flugmuseum Graz-Thalerhof, wurde hier ab 2016 ergänzt und restauriert und wurde am 26. Oktober 2017 – nicht flugfähig – Besuchern präsentiert. Nun plant HB-Flugtechnik, die HB-23 (bisher mit Verbrenner) mit Akku-Elektromotorantrieb auszustatten.

Bereits 1981 flog als erster Deutscher der Heidelberger Ingenieur Karl Friedel mit zwei umgebauten Bosch-Scheibenwischermotoren mit je 3 kW Leistung mit dem Hängegleiter „Windspiel“ einen Rekord und machte von sich Reden. Gespeist ebenfalls von gewöhnlichen Nickel-Cadmium-Zellen flog er anlässlich der RMF, später in AERO umbenannt, 12 Minuten 30 Sekunden auf dem Flugplatz Friedrichshafen-Löwental. Deutschlands erster Elektroflug! Das „Flugzeug“ befindet sich heute im Technik-Museum in Sinsheim. Ebenso wurde das Gerät anlässlich des Militky-Kup in Pfäffikon (nähe Zürich) im gleichen Jahr als erster Elektroflug in der Schweiz vorgeführt.

1981 überwand Steve Ptacek mit dem Solarflugzeug Solar Challenger erstmals den Ärmelkanal, bei einer Flugdauer von 5 Stunden und 23 Minuten.In der Chronologie am Ende des Buches (Appendix D): Kevin Desmond: Electric Airplanes and Drones: A History. 2018, ISBN 978-1-4766-6961-8, S. 291–292 (hier: S. 291).Solar Challenger. In: Klaus L. Schulte: Elektroflug – Technologie, Geschichte, Zukunft. 2014, ISBN 978-3-942095-44-0, S. 137–138.

Von 2000 bis 2019 mini|250px|Die Antares 20E von Lange Aviation ist das erste eigenstartfähige, personentragende Elektroflugzeug der Welt mit in die Flügel integriertem, patentiertem Batteriesystem und EASA-Zulassung (Bild vom 8. Juli 2006). Die Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA) erteilt der Lange Aviation GmbH (bzw. deren Vorgängergesellschaft Lange Flugzeugbau GmbH) am 31. Januar 2006 erstmals eine Musterzulassung für einen Elektromotor für die allgemeine Luftfahrt, den EA42. Der Antrag hierfür war am 30. Dezember 1995 gestellt worden. In Deutschland wird damit das erste eigenstartfähige Elektro-Segelflugzeug mit EASA-Musterzulassung hergestellt, die Lange Antares 20E. Die ebenfalls deutsche Entwicklung Silent AE-1 erhält ihre Musterzulassung im Ultraleicht-Bereich. Elektroflugzeuge finden eine häufige Verwendung in Form von Modellflugzeugen, beispielsweise Shock Flyer und Slowflyer.

Pipistrel entwickelt seit 2006 den Elektro-Motorsegler Pipistrel Taurus in der UL-Klasse. Erstflug war im Dezember 2007, die Serienproduktion der zweiten Generation Taurus Electro G2 wurde Anfang 2011 aufgenommen. auf der Website des deutschen Vertriebspartners, abgerufen am 29. März 2011.

Seit etwa 2007 gibt es längliche Blimps mit Längen von etwa 1,5–10 m für Foto- oder Videoflug, die nur indoors oder bei wenig Wind eingesetzt werden können und später von Quadrocopter-Drohnen abgelöst werden.

Neue Impulse gab es im Frühjahr 2009 in Friedrichshafen auf der Messe speziell zum Thema „Elektroflug“. Seit dem Jahr 2009 befindet sich das UL Yuneec in Flugerprobung. Es verfügt über einen 30-kW-Motor und in der Standardausstattung über eine Batteriekapazität von 1,5 Stunden. Der Verkaufsstart war für das Jahr 2011 avisiert, der bis dato genannte Preis ist konkurrenzfähig mit herkömmlichen ULs und Motorseglern.

Im Jahr 2011 entwarf Calin Gologan in seiner neu gegründeten Firma PC-AERO das erste UL-Flugzeug mit Solar-Zellen und Elektro-Antrieb, die Solar-One. Sie wurde in mehreren Exemplaren mit und ohne Solarzellen gebaut. Weiterentwicklungen auf Basis der Elektra One sind die zweisitzigen bemannten und unbemannten Flugzeuge Elektra Two, u. a. auch seit 2017 als SolarStratos im Einsatz und der neue Elektra Trainer, das seit Oktober 2024 musterzugelassene Schulflugzeug