Lautloses Fliegen Fast wie das Raumschiff Enterprise

Wissenschaftler am MIT in Boston ließen sich von "Star Trek" inspirieren und haben erstmals ein beinahe lautloses Flugzeug mit Ionenantrieb zum Fliegen gebracht. Die Technologie ist raffiniert.

MIT / dpa

Steven Barrett ist ein großer Fan der Fernsehserie "Star Trek". Jedenfalls sagt der Forscher vom renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, dass seine neue Entwicklung stark von "Raumschiff Enterprise" inspiriert wurde.

Tatsächlich klingt das, was Barrett und sein Team gebaut haben, ziemlich nach Science-Fiction: ein Flugzeug mit Ionentriebwerk. Erstmals ist das kleine Fluggerät einige Dutzend Meter geflogen. Der Antrieb kommt ohne bewegliche Teile aus und ist nahezu geräuschlos - wer denkt da nicht an die "Enterprise", die durch die Weiten des Alls gleitet.

Doch von solchen Dimensionen ist Barrett noch weit entfernt. Sein Modell hat nur etwa fünf Meter Flügelspannweite, schreibt er in einer Studie im Fachblatt "Nature". "Dies kann neue und unerforschte Möglichkeiten für Flugzeuge eröffnen, die leiser sind, mechanisch einfacher und keine Verbrennungsabgase ausstoßen."

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Flugzeug mit Ionenantrieb: Science-Fiction wird Realität

Barrett hatte nach eigenen Worten als Kind regelmäßig "Raumschiff Enterprise" geschaut (mehr zu Barretts Kindheitstraum lesen sie hier) und war besonders von den lautlos gleitenden Shuttles beeindruckt. "Das ließ mich darüber nachdenken, dass Flugzeuge auf lange Sicht keine Propeller und Turbinen haben sollten. Sie sollten eher wie die "Star Trek"-Shuttles sein, die nur ein blaues Leuchten produzieren und still dahingleiten."

Mit dem Ionenantrieb will das Team dieser Vision näherkommen. Er funktioniert über eine starke elektrische Spannung: Diese wird zwischen zwei Drähten angelegt, die jeweils an der Vorder- und der Rückseite der Flügel gespannt sind. Das starke elektrische Feld am vorderen, dünneren Draht erzeugt elektrisch geladene Luftmoleküle, sogenannte Ionen.

Die Ionen werden durch die elektrische Spannung zum hinteren Draht hin beschleunigt. Auf dem Weg dorthin stoßen sie mit etlichen weiteren Luftmolekülen zusammen, schieben sie dabei an und erzeugen so einen Luftstrom - Forscher sprechen vom Ionenwind.

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Solarflugzeug "Zephyr S": Der Überflieger

Ein ähnlicher elektro-aerodynamischer Schub wurde bereits in den Zwanzigerjahren erdacht, galt aber weitgehend als nicht realisierbar für frei fliegende Luftfahrzeuge. Das ist den Forschern um Barrett nun jedoch mit einem speziell angefertigten Leichtbauflugzeug gelungen. Das MIT-Modell hat nicht einen einzelnen Draht an Vorder- und Rückseite der Tragflächen, sondern jeweils einen ganzen Miniatur-Drahtzaun. An diese Drahtkonstruktionen legten die Forscher eine Spannung von 40.000 Volt. Das 2,5 Kilogramm schwere Flugzeug konnte mit dem resultierenden Ionenwind zwar nicht starten, sich aber selbstständig in der Luft halten.

Das Team testete sein Modell in einer 60 Meter langen Sporthalle: Auf den ersten fünf Metern wurde das Flugzeug per Katapult gestartet, die folgenden 55 Meter flog es allein. Im Schnitt gewann der Ionenflieger einen knappen halben Meter an Höhe.

Ohne eingeschalteten Antrieb war der Flug dagegen bereits nach spätestens zehn Metern zu Ende. Die Flugversuche dauerten jeweils etwa zwölf Sekunden. Das sei vergleichbar mit dem ersten Motorflug der Gebrüder Wright vor 115 Jahren, der am 17. Dezember 1903 in ebenfalls zwölf Sekunden 36 Meter weit führte, schreiben die Wissenschaftler.

Im Video: Fliegen per Ionenantrieb

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Allerdings konnte der etwas mehr als sechs Meter lange Doppeldecker der Wrights einen Piloten tragen. Davon sind die Versuche mit dem Ionenantrieb noch weit entfernt. Das MIT-Modell kann zwar die nötigen Akkus, einen speziell entwickelten Hochspannungswandler und eine Fernbedienung transportieren, für eine Nutzlast ist derzeit jedoch keine Kapazität vorhanden. Das Verfahren lasse sich aber optimieren, betonen die Forscher.

Auch die Skalierbarkeit des Antriebssystems für große Flugzeuge müsse noch gezeigt werden, betont Franck Plouraboué von der Universität Toulouse in einem Begleitkommentar in "Nature": "Kann der Ionenwind-Antrieb ein Flugzeug von mehreren Tonnen fliegen lassen? Diese praktische Frage ist noch offen." Es sei aber denkbar, dass der Ionenwind Leichtbauflieger wie das Solarflugzeug "Solar Impulse 2" in der Luft halten könne, das mit konventionellen Elektromotoren 2015 und 2016 in mehreren Etappen um die Welt geflogen war.

Auch die Entwickler sehen den Ionenwind zunächst eher als Antrieb für leichte, unbemannte Flüsterflieger und Drohnen. Auf lange Sicht stellt sich Barrett aber auch effizientere Hybridpassagierflugzeuge vor, die sowohl einen klassischen Antrieb als auch einen Ionenantrieb haben. Das Team arbeitet nach eigenen Angaben an einer Erhöhung der Effizienz seines Antriebs, um mehr Ionenwind mit weniger elektrischer Spannung zu produzieren. Außerdem wollen sie die Schubdichte erhöhen, also den Schub pro Fläche, um den Ionenantrieb kleiner zu machen.

joe/dpa

insgesamt 44 Beiträge
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EMU 22.11.2018
1. Hochspannung
Damit im Regen starten ist bestimmt lustig. Oder durch Wolken durchfliegen.
pjotrmorgen 22.11.2018
2. Interessante Technologie
Das Regenproblem zu lösen, ist sicher eine Herausforderung. Die Tropfen müssten verdampft werden bzw. so klein gemacht werden, dass einfach mit ionisiert werden. Die Inspiration durch Star Trek klingt ja ganz nett, dort werden Fusionreaktioren für Unterlichgeschwindigkeit eingesetzt ("Impulsantrieb"), sowie bislang völlig fiktive Antimateriereaktoren für den schnelleren Warp-Antrieb. Die Lautlosigkeit beruht aber darauf, dass sich im Vakuum keine Schallwellen ausbreiten können.
permissiveactionlink 22.11.2018
3. Interessant
ist auch die Frage, wie lange die Akkus, deren Spannung über kapazitive Kaskaden auf 40000 V gebracht wird, erhalten bleibt. Zwar dienen die Gitter letztlich nur der Speicherung von Ladungsträgern auf ihrer Oberfläche, die letztlich das elektrische Feld aufbauen, aber ganz sicher gelangen auch Ladungsträger auf die Elektroden, also Elektronen auf die Anode und positiv geladene Ionen (Kationen) auf die Kathode. Dadurch wird die Ladung des Akkus sukzessive abgebaut.
tam_venceremos 22.11.2018
4. "Wer denkt da nicht an die Enterprise"
Ich will ja nicht besserwisserisch klingen, aber so ziemlich niemand der in der Schule im Physik Unterricht anwesend war denkt da an die Enterprise. Das ist völliger Humbug, die Enterprise hat nichts mit einem Ionen Antrieb zu tun, die Enterprise ist lautlos weil alles im All quasi lautlos ist, denn es gibt nichts das Schallwellen übertragen könnte. Wie auch richtig im Interview zitiert geht es um die Shuttle, die in der Atmosphäre lautlos "fliegen". Im All gibt es keinen Ton.
Richard.M 22.11.2018
5. Witzig, aber mit Batterien nicht erfolgversprechend
Nette Idee. Interessant wäre eine Betrachtung des Wirkungsgrads (derzeit erreicht und prinzipiell erreichbar) im Vergleich zu Propellern oder anderen Antriebsarten. Problem bei stromgetriebenen Antrieben für Fluggeräte ist natürlich prinzipiell die Energiedichte von Speichermedien für Strom. Batterien sind da eine Zehnerpotenz schlechter als fossile Treibstoffe, d.h., man wird nicht genug von ihnen an Bord packen können, um nennenswert Nutzlast zu transportieren.
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