Neue Konzepte So will die Luftfahrt grüner werden
Der Airbus A380 ist nicht nur das größte Passagierflugzeug der Welt. Mit dem Riesenvogel dürfte auch das herkömmliche Verkehrsjet-Design weitgehend ausgereizt sein. Noch größer und schwerer, so die verbreitete Meinung unter Ingenieuren, sollte man ein Flugzeug mit zigarrenförmigem Rumpf und Flügeln besser nicht bauen.
Doch so viel steht fest: Das Verkehrsaufkommen in der Luft wird nicht sinken. Zwischen 1989 und 2006 etwa hat sich die Zahl der zivilen Flüge allein in Deutschland auf rund drei Millionen pro Jahr verdoppelt. Und angesichts des zunehmenden Wohlstands in bevölkerungsreichen Schwellenländern wie China und Indien wird sich auch weltweit kaum etwas an diesem Trend ändern. Der Flugverkehr trägt bereits jetzt stark zum globalen Ausstoß von Treibhausgasen bei - Tendenz steigend.
Die Frage ist: Wohin mit immer mehr Fluggästen, was tun angesichts steigender Lärm- und Abgasemissionen? Die Industrie will das Problem gleich von mehreren Seiten technologisch in die Zange nehmen. Teils revolutionär gezeichnete Flugzeuge sollen ungeheure Passagierzahlen aufnehmen, neuartige Motoren sollen leiser und sparsamer als je zuvor arbeiten, Solar- und Brennstoffzellen umweltfreundliche Energie liefern. Auch der - nicht unumstrittene - Einsatz von Biokraftstoffen wird getestet.
Vor sieben Jahren haben die europäische Luftfahrtindustrie, Flughäfen, Airlines und Forschungseinrichtungen gemeinsam mit mehreren Regierungen das Advisory Council für Aeronautics Research (Acare) gegründet. Bis zum Jahr 2020, so das ambitionierte Ziel der Organisation, sollen Flugzeuge entwickelt werden, die 50 Prozent weniger vom Treibhausgas Kohlendioxid ausstoßen als die Jets der Jahrtausendwende. Selbst auf der stark militärisch geprägten Berliner Luftfahrtmesse ILA war das Thema vergangene Woche präsent: Im Rahmen des "Path of Innovation" stellte eine ganze Reihe von Firmen ihre Ideen vor, wie die Luftfahrt der Zukunft aussehen könnte.
Der "Claire Liner" - effizienter dank Boxwing
"In der Luftfahrt wurde immer die evolutionäre Entwicklung bevorzugt", sagt Corin Gologan, Ingenieur bei Bauhaus Luftfahrt. Evolution statt Revolution: In einer auf Sicherheit bedachten Branche wie dem Flugzeugbau mag das die einzig vernünftige Herangehensweise sein. Doch zukunftsweisend ist sie - der A380 lässt grüßen - wohl nicht mehr.
Bauhaus Luftfahrt, 2005 gegründet vom Freistaat Bayern, dem Luftfahrt- und Rüstungskonzern EADS, Liebherr Aerospace und dem Triebwerkhersteller MTU Aero Engines, versucht augenscheinlich den Mittelweg. Die laut Eigenwerbung "international ausgerichtete Ideenschmiede für die Luftfahrt" stellt, im Gegensatz zu anderen Herstellern, zwar kein radikal gezeichnetes Konzept vor - aber dennoch ein Design, das es bei Passagierjets so noch nie gegeben hat.
Der "Claire Liner" sieht einem herkömmlichen Flugzeug auf den ersten Blick recht ähnlich. Doch wo bei anderen Jets die hochgezogenen Flügelspitzen, die sogenannten Winglets enden, gehen beim "Claire Liner" die Flügel weiter bis zum Heckleitwerk. Das für seine große Stabilität bekannte, sogenannte Boxwing-Design wurde bereits bei Ultraleicht- und Modellflugzeugen angewandt. "Das Konzept ist seit den zwanziger Jahren bekannt und im Windkanal getestet", sagt Ingenieur Gologan zu SPIEGEL ONLINE. Nur bei Passagierflugzeugen wurde es eben noch nie angewandt.
Die Flügelform ist nicht die einzige Neuerung beim Claire Liner. Bei seinen Triebwerken handelt es sich um Turbofans, also um klassische Strahltriebwerke, wie sie in den meisten heutigen Flugzeugen zum Einsatz kommen. Nur dass beim Claire Liner lediglich ein Teil der Triebwerke, nämlich die Schaufelräder, außen am Rumpf sitzen. Die Kerntriebwerke dagegen befinden sich im Innern - und verursachen so weniger Lärm und Luftwiderstand. Auch ihre Abwärme kann so besser genutzt werden. Dadurch sollen sie nicht nur wesentlich leiser, sondern auch um ein mehrfaches effizienter und damit sparsamer arbeiten als herkömmliche Turbofans.
Mit einer relativ geringen Reichweite von rund 3700 Kilometern und einem Fassungsvermögen von mehr als 300 Passagieren sei der "Claire Liner" vor allem für den Verkehr "von Megacity zu Megacity" geeignet, meint Gologan. Angesichts der hohen Effizienz sei das Konzept generell aber auch für Langstreckenflieger geeignet.
Klaus Broichhausen, Vorstandschef von Bauhaus Luftfahrt, hält den "Claire Liner" für zukunftsweisend. Dem Konzept gelinge der schwierige Spagat zwischen geringen Schadstoff- und Lärmemissionen - Propeller sind sparsam und laut, Strahltriebwerke leise und durstig. Die teilweise in den Rumpf integrierten Motoren des Claire Liners könnten deshalb eine Lösung sein, meint Broichhausen.
Das Ziel, die CO2-Emissionen von Verkehrsflugzeugen um 50 Prozent zu senken, sei "aus heutiger Sicht realistisch", sagt Broichhausen im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Ein voll besetzter A380 verbraucht auf 100 Kilometer drei Liter Kerosin pro Kopf. Unser Ziel ist ein Liter." Wie weit man inzwischen auf dem Weg zum 50-Prozent-Ziel sei, lasse sich dagegen kaum sagen. "Bisher handelt es sich nur um Einzeltechnologien", so Broichhausen. "Es ist problematisch, deren Einsparpotentiale einfach zu addieren."
Zumindest werde es am Himmel der Zukunft wohl eine größere Vielfalt geben. "Die Flugzeuge werden stärker auf einzelne Aufgaben optimiert sein", so Broichhausen. Für den Passagiertransport hält er eine relativ klassische Form mit einem Rumpf in widerstandsarmer Haifisch-Form für wahrscheinlich, während er den bevorzugten Einsatz von Nurflüglern eher im Frachtbereich sieht.
"Vela" - der Riesen-Nurflügler
Da ist man beim Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart anderer Meinung. Dort wird am "Vela"-Konzept gebaut und geforscht - einem Nurflügler, bei dem Rumpf und Flügel eins sind. Beim "Very Efficient Large Aircraft" handelt es sich um ein europaweites Forschungsprojekt, in das die Ingenieure große Hoffnungen setzen. Denn Nurflügler haben gegenüber dem klassischen Design mit Rumpf, Flügeln und Leitwerk einige bedeutende Vorteile. Deswegen arbeitet auch die Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg an solch einem Projekt unter dem Namen "AC20.30".
Bei einem konventionellen Flugzeug erzeugt der Rumpf vor allem Luftwiderstand, während nur knapp die Hälfte der gesamten Oberfläche des Jets für Auftrieb sorgt. Beim Nurflügler sind es rund 97 Prozent - weshalb die Triebwerke wesentlich kleiner ausfallen können, was wiederum den Spritverbrauch senkt und den Lärm verringert. "Auch die Lastenverteilung ist besser als bei einem herkömmlichen Flugzeug", erklärt Bernd Kautt von der Uni Stuttgart.
Allerdings hat auch der Nurflügler einige Nachteile, die zum Teil banal wirken, im kommerziellen Luftverkehr aber hohe Hürden darstellen. "Vela" etwa, das bisher nur als Modell existiert, soll im Original eine Spannweite von etwa 100 Metern erreichen. Das wären nicht nur 20 Meter mehr als beim A380, sondern auch 20 Meter mehr, als die derzeitigen Beschränkungen auf internationalen Flughäfen zulassen.
Auch wie die rund 700 Passagiere, die "Vela" einmal fassen soll, überhaupt an Bord kommen sollen, ist fraglich. Denn während ein A380 entlang seines gesamten Rumpfs mehrere Türen öffnen kann, sind die Einstiegsmöglichkeiten bei einem Nurflügler begrenzt. Zudem sitzen die Passagiere wesentlich breiter verteilt im Rumpf. Wenn "Vela" sich in die Kurve legt, "kann es für die Passagiere in den äußeren Sitzreihen leicht um zehn Meter auf und ab gehen", sagt Kautt. Keine angenehmen Aussichten für Zeitgenossen, die leicht luftkrank werden.
Auch dürfte es im Innern von der Nurflügler recht düster zugehen. In den Genuss von Tageslicht, geschweige denn einer schönen Aussicht, kommen ebenfalls nur die Passagiere in den Außenreihen. Möglicherweise könne man da auch gleich auf Fenster verzichten, meint Kautt. "Vom Standpunkt des Ingenieurs gesehen stören sie ohnehin nur." Denkbar wäre, im Innern Monitore zu installieren, die einen Blick nach draußen ermöglichen. "Die Frage ist, wie schnell sich die Passagiere an so etwas gewöhnen."
DLR-Airbus mit Brennstoffzelle
Eine interessante Technologie wird derzeit im neuen Forschungsflugzeug des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) getestet. Im Frachtraum des Airbus A320 ATRA ("Advaned Testing and Research Aircraft"), vor zwei Jahren für 18 Millionen Euro gekauft, haben Techniker eine Brennstoffzelle eingebaut. "Wir setzen auf ein Wasserstoff-Sauerstoff-System", erklärt DLR-Mitarbeiter Josef Kallo. Das bedeutet, dass in der Brennstoffzelle die mitgeführten Gase Wasserstoff und Sauerstoff verbrannt werden. Die Produkte: Strom fürs Bordnetz des Flugzeugs - und Wasser. "Wenn Sie eine Salzmischung zusetzen, können Sie das sogar als Trinkwasser verwenden", sagt Kallo.
Eingesetzt wird die Zelle als eine Art Notstromaggregat, das in Sekundenschnelle einspringt, wenn durch einen Defekt in der Luft die Stromversorgung über die Turbinen ausfällt. Bisher kommt dazu eine Staudruckturbine (Fachjargon: "Ratte") zu Einsatz. Sie soll unter anderem aus dem Fahrtwind Strom für das Hydrauliksystem des Flugzeugs erzeugen - und so verhindern, dass die Maschine unsteuerbar wird. Diese Aufgabe könnte in Zukunft die Brennstoffzelle übernehmen.
Das 20-Kilowatt-System ist für eine Stunde Betrieb ausgelegt. Der Treibstoff dafür muss ein Flaschen mitgeführt werden: Zwei für den Wasserstoff und zwei für den Sauerstoff - etwas größer als die von Tauchern verwendeten - sind im Flugzeugrumpf verstaut. Das Wasser wird ein einem Tank gesammelt, der etwa doppelt so groß wie ein Schuhkarton ist. Die Techniker haben das System bereits mehrfach erfolgreich im Flug getestet - unter anderem auf dem Weg vom Airbus-Werk in Toulouse zur Luftfahrtmesse ILA nach Berlin, wo der Forschungsflieger gezeigt wurde.
Geht es nach den DLR-Ingenieuren, soll die Brennstoffzelle in absehbarer Zeit auch das Hilfstriebwerk ersetzen, ein Gastriebwerk, das den Flieger am Boden mit Strom für die Bordelektronik versorgt. Der Betrieb eines ganzen Flugzeugs über Brennstoffzellen ist für die nächsten Jahrzehnte dagegen keine realistische Option.
"Solar Impulse" - Fliegen mit der Kraft der Sonne
Bliebe noch ein anderer Energieträger: die Sonne. "Es ist nicht verrückt, ein Flugzeug zu bauen, das Tag und Nacht ohne einen einzigen Tropfen Öl fliegen kann", lautet das Credo von Bertrand Piccard. "Verrückt ist es, weiterhin zu glauben, dass wir weiterhin eine Million Tonnen Öl pro Stunde verbrauchen und unseren Planeten zerstören können."
Tradition verpflichtet. Schon seit früher Kindheit war Betrand Piccard gewohnt, das Außergewöhnliche zu denken. Großvater Auguste war mit einem Stratosphärenballon fast 17 Kilometer hoch in die Erdatmosphäre vorgedrungen und mit seinem Bathyscaph an der tiefsten Stelle des Ozeans getaucht; auch Vater Jaques machte sich mit dem Tauchboot "Trieste" in die Tiefen der Weltmeere auf. Bertrand hingegen schwärmt fürs Fliegen. Mit einem Ballon umkreiste er im Frühjahr 1999 die Erde, nun arbeitet er an einem revolutionären Solarflugzeug: "Solar Impulse" heißt es - und soll in drei Jahren mit fünf Zwischenstopps um die Welt fliegen.
Erste Probeflüge soll seine zwei Tonnen schwere Ein-Mann-Maschine schon im kommenden Jahr absolvieren. Vor zwei Wochen stiegen Piccard und sein Kompagnon André Boschberg im schweizerischen Dübendorf schon einmal für jeweils 25 Stunden in das Cockpit eines Simulators - um in einem virtuellen Probeflug am Boden weitere Informationen für das Flugzeugdesign zu sammeln.
Mit 80 Metern hat "Solar Impulse" ungefähr dieselbe Spannweite wie ein A380 - vor allem, um möglichst viel Platz für Solarzellen zu bieten. Entwickelt wurde das Konzept an der Technischen Hochschule Lausanne. Die Ingenieure mussten gleich eine ganze Zahl von Problemen überwinden: für die Konstruktion sind zum Beispiel extrem leichte Kohlefaser-Verbundwerkstoffe nötig, außerdem hocheffiziente Solarzellen (200 Wattstunden pro Kilogramm) und Lithium-Akkus. Schließlich soll der Sonnenflieger auch nachts unterwegs sein können.
Finanzkräftige Sponsoren, darunter der Chemiekonzern Solvay, Uhrenfabrikant Omega und die Deutsche Bank, zahlen für die Entwicklung - und dürfen sich im Fall eines erfolgreichen Jungfernfluges über globale Medienpräsenz freuen. Auch der Luftfahrtverband IATA will sich mit dem Projekt schmücken und hat eine Kooperationsvereinbarung unterzeichnet: "Wir arbeiten beide an der Luftfahrt der Zukunft ohne Kohlendioxidemissionen", sagt IATA-Chef Giovanni Bisignani. "Solar Impulse ist einer der Bausteine, um das möglich zu machen."
Adaptive Rotorblätter für leise Hubschrauber
Bei Hubschraubern wird in Zukunft wohl nur wenig Kerosin zu sparen sein, der Lärm aber lässt sich durchaus reduzieren. Das laute Knattern der Helikopter wird nicht etwa durch die Motoren, sondern durch die Rotorblätter ausgelöst. An deren Spitzen entstehen bei der Drehung spiralförmige Wirbel.
Fliegt der Hubschrauber geradeaus, hält sich der Lärm in Grenzen. Doch ausgerechnet im Landeanflug wird der Effekt zum Problem: Verliert der Helikopter an Höhe, trifft jedes Rotorblatt auf die Wirbel des Vorgängers und verursacht so ein lautes Knallen. "Da Polizei- und Rettungshubschrauber meist in dicht besiedelten Gebieten fliegen, ist die Lärmbelästigung ein wichtiges Thema", sagt Christina Gotzhein, Sprecherin des europäischen Hubschrauber-Herstellers Eurocopter.
Der Weltmarktführer hofft, das Problem mit sogenannten adaptiven Rotorblättern zu lösen. Kleine, bewegliche Keramikplättchen sollen dafür sorgen, dass sich die Kanten der Rotorblätter stets in der optimalen Lage befinden - "wie die Flügelspitzen von Vögeln", sagt Gotzhein. Bei Testflügen habe man eine Absenkung des Lärmpegels um 50 Prozent gegenüber konventionellen Rotoren erreicht. Auch die Vibrationen, denen die Passagiere ausgesetzt sind, sollen so drastisch reduziert werden.
Die Eurocopter-Ingenieure hoffen, die adaptiven Rotorblätter bis zum Jahr 2012 oder 2013 zur Serienreife zu bringen. "Inzwischen geht es darum, die Elektronik kompakter zu gestalten", sagt Gotzhein, "damit sie nicht zu Lasten der Zuladung des Hubschraubers geht."
