Saubere Luft

Ruhe … der Klang von Flügen in der Zukunft?

Könnte die Zukunft der Luftfahrt durch Flugzeuge ohne Treibhausgasemissionen oder Lärmbelästigung geprägt werden?

Die Anzahl an Flugzeugen, die in den nächsten zehn Jahren den Himmel bevölkern werden, wird sich Schätzungen zufolge verdoppeln. Nur Indien plant für die nächsten zwanzig Jahre den Bau von 200 neuen Flughäfen. Vor dem Hintergrund derartiger Entwicklungen hat die Branche alle Hände voll zu tun – insbesondere in Bezug auf Emissionsziele – um umweltfreundlichere Flugzeuge zu bauen. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf mehreren Themen wie beispielsweise saubereren Treibstoffen, leichteren Flugzeugen (aus Kohlefaserverbundwerkstoffen), effizienteren Motoren und ein besseres Flugverkehrsmanagement. Alle diese Aspekte zusammengenommen führen dazu, dass die Emissionen innerhalb der Zielwerte bleiben, die durch die Branche und Regulierern festgelegt wurden.

In dem Video, dem Artikel und der Infografik unten wird die Zukunft der Luftfahrt untersucht. Kann die Luft durch emissionsfreie Flugzeuge sauberer werden? Was ist erforderlich, damit grüne Luftverkehrsprojekte kommerziell eingeführt werden? Wie kann die 3DEXPERIENCE Plattform Unternehmen, die derartige neue Flugzeuge bauen, dabei unterstützen, den für Konstruktion, Herstellung und Zertifizierung eines neuen Flugzeugs erforderlichen Zeitaufwand zu verkürzen?

Werden wir jemals mit Flugzeugen ohne Treibstoff fliegen?

Es kann zwar niemand mit Sicherheit sagen, wie Flugzeuge in der Zukunft aussehen werden, es ist jedoch klar, dass sie umweltfreundlicher sein werden.

André Borschberg wacht nach einem 12-Minuten-Nickerchen auf. Sein Körper sehnt sich nach mehr Schlaf, aber die

-20 ?C kalte Atmosphäre versetzt ihn in jähe Alarmbereitschaft. Rund 7.500 ft unter ihm ist der Pazifik, links und rechts von ihm nichts Anderes als der Horizont – dessen Weite noch durch die unmittelbare Umgebung verstärkt wird. Bis zu sechs Tage am Stück ist die Kabine in der Größe einer Telefonzelle sein Zuhause, in der er schläft, isst, zur Toilette geht und Yoga-Übungen macht – und ein Flugzeug ohne Treibstoff fliegt.

Der einstige Kampfpilot wechselt sich derzeit mit dem Schweizer Abenteurer Bertrand Piccard ab, um die Erde in einem Flugzeug zu umrunden, das nur durch die Sonne angetrieben wird.

Solar Impulse 2 (Si2) wiegt so viel wie ein Auto, verfügt jedoch über eine Flügelspannweite größer als die einer Boeing 747. Es handelt sich dabei im Grunde genommen um einen fliegenden Solarkollektor. In die Oberseite der Flügel, den Flugzugrumpf und das Höhenleitwerk sind mehr als 17.000 flexible Solarzellen eingebettet, über die die Batterien für den Antrieb des Flugzeugs geladen werden.

Wenn alles gut geht, wird das Flugzeug im Juli 2015 wieder in den Vereinigten Arabischen Emiraten landen und werden die Piloten für das Aufstellen eines neuen Weltrekords gefeiert werden – für die längste Distanz, die jemals durch ein Solarflugzeug in der Luftfahrtgeschichte zurückgelegt wurde. Solar Impulse wird zweifellos als eine historische ingenieurtechnische Meisterleistung gefeiert werden und als Demonstration menschlicher Errungenschaften, aber werden die Menschenmassen, die die letzte Landung des Flugzeugs erwarten, auch Zeugen der Anfänge einer neuen Ära der sauberen Luftfahrt? Wird dies ein eben solcher Schlüsselmoment der Luftfahrtgeschichte, wie die Massen vor 88 Jahren erlebt haben, als Charles Lindbergh nach einem heißen und wahnsinnigen Nonstopflug von New York in Paris landete?

Lindberghs Flug leutete den Startpunkt der Entwicklung der kommerziellen Luftfahrt ein, aber sogar die Si2-Piloten geben zu, dass solar angetriebene Flüge in großem Umfang niemals abheben werden.

In Bezug auf Chongqing im Südwesten von China sagte Borschberg: „Wir sehen [den Bau solar angetriebener Flugzeuge] nicht unbedingt als [ökologische] Priorität, da 3 % des CO2 durch den Flugverkehr erzeugt wird und 97 % durch [den Land- und Seeverkehr].

Dimitri Mavris, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik am Georgia Institute of Technology, sieht darin sogar gar keine Priorität. Er ist davon überzeugt, dass ein vollständiger Ersatz der aktuellen Passagierflugzeuge durch rein solar angetriebene Alternativen schlichtweg nicht möglich ist. „Sogar futuristische Batterietechnologie oder zu 100 % effiziente Solarzellen können bei weitem nicht erreichen, was erforderlich wäre, um ein heutiges konventionelles Verkehrsflugzeug anzutreiben“, so Mavris.

Er ist davon überzeugt, dass Solarflüge nur möglich sein werden, wenn wir ändern, wie Flugzeuge fliegen. „Flugzeuge müssten sehr viel langsamer fliegen und einen großen Körper aufweisen, der relativ wenig transportieren kann“, so Mavris, „und dies ist genau das, was die aktuellen experimentellen Solarflugzeuge tun.“ Vor dem Hintergrund der Erwartungen von Passagieren an Kosten und Zeit scheint dies jedoch unwahrscheinlich.

Was für Flugzeuge werden also bald am Horizont auftauchen, die wenig bis gar keinen Treibstoff benötigen und gleichzeitig kommerziell nutzbar sind?

Ein kleiner Schritt

Längerfristig untersuchen viele Flugzeughersteller die Möglichkeiten für Elektro- und Hybridflugzeuge, von denen das letztgenannte die Emissionen aus dem Treibstoff um bis zu 70 % reduzieren könnte.

Airbus arbeitet beispielsweise an einem Elektroflugzeug mit der Bezeichnung E-Fan. Das Unternehmen hofft, dass der E-Fan 2.0 – „das erste zertifizierte, reine Elektroflugzeug“ – 2017 in Produktion gehen wird. Dies ist jedoch nur ein zweisitziges Flugzeug mit einer maximalen Flugzeit von 75 Minuten, bevor die Lithium-Polymer-Batterien aufgeladen werden müssen. Es ist nicht einmal beabsichtigt, es für die kommerzielle Leicht-Luftfahrt einzusetzen. Die Idee besteht vielmehr darin zu lernen, welche Möglichkeiten zur Skalierung bestehen, indem eine kleinere Version davon gebaut wird, was eines Tages das Flugzeug der Zukunft sein wird.

Jede Version von E-Fan ist ein inkrementeller Schritt hin zu E-Thrust, einem hybriden Regionalverkehrsflugzeug, das nur durch Elektrizität angetrieben werden wird. Es handelt sich dabei um ein Hybridflugzeug, da es weiterhin Kerosin für das Triebwerk zum Aufladen der Batterien in Reiseflughöhe benötigt.

Sie werden jedoch noch einige Jahrzehnte warten müssen, bevor Sie ein E-Thrust- oder ähnliches Flugzeug an Ihrem örtlichen Flughafen sehen werden. „Ein Hindernis für viele derartige Flugzeuge stellt die Zertifizierung dar“, so Jeff Smith, Leiter des Ideas Lab für Luft- und Raumfahrt beim weltweit führenden Softwarehersteller Dassault Systèmes.

„Sobald Sie von etwas Experimentellem wie Si2 zu einer kommerziellen Anwendung übergehen, bei der Sie über Dutzende oder Hunderte von Passagieren sprechen, verändert sich das Spiel.“

Für Michel Tellier, Vizepräsident der Luft- und Raumfahrt von Dassault Systèmes, stellt die Simulation die Lösung dar. „Je genauer und umfassender wir neue Technologien und Konzepte simulieren können, desto schneller können wir sie in der realen Welt einführen.

Als Softwarepartner für Raumfahrtunternehmen haben wir unsere 3DEXPERIENCE Plattform dafür erzeugt, alles von neuen Nanostrukturen und komplexen Systemen bis hin zu ganzen Flugzeugen zu simulieren. Dadurch kann die Zeit erheblich verkürzt werden, die Konzeption, Konstruktion, Herstellung und Zertifizierung neuer Flugzeuge normalerweise dauert.

Michel Tellier Vizepräsident der Luft- und Raumfahrt von Dassault Systèmes

Gewichtsreduzierung

Die Software des Unternehmens kann Flugzeughersteller ebenfalls dabei unterstützen, schnell die nächste Generation von strapazierfähigen, leichten Materialien zu entwickeln und zu zertifizieren.

Im Lauf der Jahre haben Flugzeughersteller Aluminiumteile durch Verbundmaterial (kohlefaserverstärktem Kunststoff) ersetzt, um Flugzeuge leichter und damit verbrauchsarmer zu machen. Moderne Flugzeuge bestehen zu 50 % aus Verbundmaterial, „Verbesserungen sind jedoch weiterhin möglich“, so Smith.

Dassault Systèmes hat unterschiedliche Materialien für Si2 simuliert, um die engen Gewichtsvorgaben für das Flugzeug zu erfüllen. Schließlich hat das Team ein Modell simuliert, das in erster Linie aus Kohlefaserverbundwerkstoffen bestand, das letztendlich auch verwendet wurde. Das Flugzeug musste so leicht wie möglich sein und gleichzeitig den Auftrieb liefern, der bei einer Reisegeschwindigkeit von rund 90 km/h erforderlich ist.

Forscher der Stanford University haben herausgefunden, dass der Treibstoffverbrauch um 12 % reduziert werden könnte, wenn Flugzeuge wie Zugvögel in Formationen fliegen dürften, auch wenn die Flugzeuge in der Formation jeweils drei bis acht Kilometer voneinander entfernt wären.

Von Vögeln lernen

Abseits von der High-Tech-Welt besteht eine der einfachsten Möglichkeiten für die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs darin, das Flugverkehrsmanagement zu verbessern. Gemäß Borschberg würden bessere Flugverkehrsmanagementsysteme dazu führen, dass Flugzeuge nach dem Landen schneller ans Gate fahren und direkte Routen nehmen können.

Forscher der Stanford University haben herausgefunden, dass der Treibstoffverbrauch um 12 % reduziert werden könnte, wenn Flugzeuge wie Zugvögel in Formationen fliegen dürften, auch wenn die Flugzeuge in der Formation jeweils drei bis acht Kilometer voneinander entfernt wären. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Flügel der Flugzeuge beim Fliegen Wirbel erzeugen, die eine Spur hinter dem Flügel hinterlassen. Diese Wirbel könnten durch ein darüber fliegendes Flugzeug genutzt werden. Er gibt dem Flugzeug Auftrieb und unterstützt die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs.

Borschberg ist davon überzeugt, dass Flugzeuge eines Tages in Formation fliegen werden, ohne dass durch Flugverkehrsmanagementsysteme erforderlich sind, um sie vom Boden aus zu koordinieren. „Die Flugzeuge werden miteinander kommunizieren und ihre Flugwege koordinieren“, erläutert er. „Und ich glaube, dass dies bereits in den nächsten 60 Jahren der Falls sein wird.“ Aber auch er kann nicht genau vorhersagen, wie das Flugzeug der Zukunft aussehen wird. „Wenn Sie sich die Flugzeuge der Wright-Brüder oder von Charles Lindbergh ansehen, ist es schwierig zu glauben, dass eines Tages 747er fliegen.“

Tellier bezeichnet Flugzeuge der Zukunft als fliegende Computer: „In Bezug auf die Form, die Flugzeuge in Zukunft wahrscheinlich aufweisen werden, lässt sich feststellen, dass Flugzeuge in der Zukunft eine einfachere Architektur, aber ausgeklügeltere Systeme und ausgereiftere Technologien aufweisen werden. Sie werden effizienter und intelligenter als die aktuelle Generation sein – eine schöne Metapher zum Abschätzen des Potenzials besteht darin, sich die Entwicklung von Mobiltelefonen über die letzten 20 Jahre vor Augen zu führen und zu erkennen, dass die Luftfahrt einen ähnlichen Wandel durchlaufen wird.“

Wenn es um leichtere Materialien, noch komplexere Systeme, Batterien oder neue Flugformationen geht, ist eine Sache sicher: In 60 Jahren werden wir zweifellos in saubereren Flugzeugen fliegen, die sehr viel weniger Treibstoff verbrauchen – wenn überhaupt.

Was gibt es noch am Horizont?

Formwandler

Es gibt eine große Anzahl von Studien, die das zusätzliche Effizienzpotenzial untersuchen, das durch den Wechsel zu einer vollkommen anderen Form realisiert werden könnte. Aber Flugzeuge mit unkonventionellen Formen, die nicht zu der vorhandenen Flughafeninfrastruktur passen, weisen sehr hohe Marktzutrittsschranken auf, da sie sehr hohe Investitionen für Änderungen erfordern würden.

Wasserstoff

Für Flugzeuge, die dieses Schweröl als Treibstoff nutzen, würden neue Motoren und Flugzeugzellen benötigt werden, sodass deren Einsatz zumindest für die nächsten Jahrzehnte unwahrscheinlich ist. In der Zwischenzeit könnten jedoch emissionsfreie Hochgeschwindigkeitsflugzeuge entwickelt werden – durch die Airbus Group (früher EADS), dem Mutterkonzern von Airbus. Das durch Wasserstoff angetriebene Flugzeug kann fast mit Hyperschallgeschwindigkeit fliegen.

Aus Pflanzen hergestellt

Unabhängig davon, wie Flugzeuge in der Zukunft konstruiert und in welchen Formationen sie fliegen werden, erwarten viele Luftfahrtexperten, dass flüssiger Kraftstoff noch viele Jahre lang der bevorzugte Treibstoff sein wird. Vor diesem Hintergrund werfen einige Fluggesellschaften ihr ganzes Gewicht für Biokraftstoffe in die Waagschale. Kürzlich haben sich das Unternehmen The Boeing Company und dessen Partner South African Airways (SAA) dazu verpflichtet, tabakbasierte Kraftstoffe zu nutzen. Das Öl aus den Pflanzensamen wird 2015 in Kerosin umgewandelt und schließlich ist ein Testflug durch SAA geplant.

Von Hybrid- zu mit Wasserstoff betriebenen Flugzeugen … 100 Jahre grünere Flüge

Im April 1979 absolvierte das erste bemannte Flugzeug, das nur mit Solarenergie angetrieben wird, einen dreiminütigen Flug und erreichte dabei eine Höhe von 12 m und eine Distanz von 0,8 km. Larry Mauro, der Pilot und Erbauer des Flugzeugs erzählte der Presse kurze Zeit später, dass er dieses Modell verbessern wolle, sodass Flugzeuge eines Tages „regelmäßig abheben und den ganzen Tag herumfliegen und dabei nur von dem solar erzeugten Strom angetrieben werden, den wir unterwegs produzieren.“

Nur 35 Jahre später wurde Solar Impulse 2 (Si2) in den frühen Morgenstunden des 9. März 2015 zu dem ersten Flug, mit dem eine Weltrumrundung nur angetrieben von Sonnenstrahlen versucht wurde.

Aber stellt das solarbetriebene Flugzeug, wie von Mauro antizipiert, die Zukunft der Luftfahrt dar? Luftfahrtexperten sagen, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass wir noch zu unseren Lebzeiten solar betriebene Flugzeuge besteigen werden. Wenn also nicht solar, wie wird die Zukunft der Luftfahrt aussehen? Lesen Sie weiter …

Hinweis: Video, Infografik und Artikel, die durch das BBC Advertising Commercial Production-Team in Zusammenarbeit mit Dassault Systèmes erstellt worden waren, wurden zunächst vom 27. Juni 2014 bis 5. September 2014 als Werbebeitrag auf bbc.com veröffentlicht.

Bildguthaben
Progress Eagle – Oscar Vinals
Solarimpluse.com