Überflieger ins solare Zeitalter

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Die Zeit drängt: Ideale Bedingungen für eine gut gefüllte Solartankstelle herrschen auf der Nordhalbkugel zur Zeit des kalendarischen Sommeranfangs mit kurzen Nächten und tagsüber lang andauernder Sonnenstrahlung. Deswegen laufen die Vorbereitungen auf dem Flugfeld im schweizerischen Payerne auf Hochtouren. Sobald das Wetter ideal ist, soll die „Solar Impulse“ zum 25 Stunden dauernden Non-Stop-Test starten.

Geprüft wird, ob auch unter realen Bedingungen die in den Tragflächen des Flugzeugs integrierten Solarmodule genügend Energie liefern, tagsüber das Flugzeug auf zwölf Kilometer Höhe steigen zu lassen und gleichzeitig die Batterien so weit zu laden, dass es sich über Nacht mit Hilfe der Elektromotoren auf drei Kilometer Höhe halten kann. Neben dem Material, das sich innerhalb des extremen Temperaturunterschieds bewähren muss, ist es gleichzeitig eine Konditionsprüfung der Piloten.

Das Leben sei wie Ballonfahren, philosophiert der Schweizer Bertrand Piccard auf seinen Vortragsreisen: Um einen Ballon steuern zu können, müsse man die typischen Windströme unterschiedlicher Höhen nutzen. Diese erreiche man nur, wenn man Ballast abwerfe. Dasselbe gelte auch für Innovationen. Mit dem Dogma etablierter Technologien könne man nichts Revolutionäres entwickeln.

Bertrand Piccard, Sohn des legendären Tiefseeforschers Jaques Piccard, gelingt es leicht, die technischen Herausforderungen zu schildern und Unternehmen für das Projekt zu begeistern. Hochmotiviert arbeitet beispielsweise der kalifornische Solarmodul-Hersteller Sunpower daran, seine ursprünglich für die Energieversorgung von Satelliten vorgesehenen monokristallinen Solarzellen für die Tragflächen eines Flugzeugs zu optimieren. Dort versucht man gerade, das Gewicht der sowieso schon sehr dünnen Zellen noch weiter zu reduzieren, andererseits die begrenzte Flexibilität der Zellen zu erhöhen. Das Problem: Je dünner eine Zelle ist, desto zerbrechlicher wird sie. Solarmodule für Satelliten sind nur während des Raketenstarts starken Vibrationen ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt ist jedes Modul aber noch gut verpackt. Erst im Orbit entfaltet sich der flexible Träger der Zellen sehr langsam zu einer großen Fläche, um während der gesamten Lebensdauer keine weiteren Erschütterungen mehr ertragen zu müssen.

Tragflächen eines Jumbojets

Flugzeugtragflächen sind jedoch dauerhaften Vibrationen und Bewegungen ausgesetzt. Sogar in mittleren Höhen macht sich die thermische Luftverwirbe lung über Städten, Wäldern und Seen als unangenehmes Schütteln bemerkbar. Die Leichtbauweise, an deren Komponenten sich Entwicklungsabteilungen renommierter Hersteller von Flugzeugen bis zum Konstruktionsbüro von Renn-Yachten beteiligten, erfordert eine extreme Elastizität der Tragflächen. Das bedeutet, dass sich bei einer Spannweite, die der eines Jumbo-Jets entspricht, die Spitzen der Tragflächen während des Fluges einige Meter nach oben biegen. Diesem fliegenden U müssen sich die Solarzellen anpassen, ohne zu brechen. Das gelingt im Fall der Solar Impulse mit einzeln gekapselten, im Flügel integrierten Zellen.

Mit aufgeklebten Zellen experimentierte bereits die NASA. Doch das mit 66.000 Sunpower-Hochleistungszellen und 14 Elektromotoren ausgestattete unbemannte Propellerflugzeug Helios stürzte im Mai 2003 in den Pazifik. Die wahrscheinliche Ursache war ein Ausfall der Steuerung, die eine Flatterbewegung der Tragflächen zur Folge hatte. Durch die starken Biege- und Torsionsbewegungen der Tragflächen lösten sich dabei erste Solarelemente. Das verschlechterte zusätzlich die Aerodynamik der 75 Meter weiten Tragflächenstruktur. Die 500 Kilogramm leichte Helios löste sich bereits in der Luft in Einzelteile auf und stürzte ab.

Dieses sogenannte Flattern verursacht Ermüdungsbrüche und ist eins der noch nicht restlos erforschten, gefährlichsten Phänomene der Luftfahrt. Die Forscher und Entwickler versuchen, konstruktionsbedingte Schwächen durch Verstrebungen oder schwere Bauteile auszugleichen. Ein schwerer Motor an der vorausberechneten Amplitudenspitze einer schwingenden Tragfläche wirkt vergleichbar dämpfend, wie der Finger auf einer schwingenden Stimmgabel. Ebenso gelingt das durch systematische Anordnung kleiner Elemente, wie der gekapselten Solarzellen.

Die sogenannte Aeroelastizität des Prototyps testeten Spezialisten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Anfang des Jahres in Zürich. Am komplett zusammengebauten Flugzeug befestigten sie elektromagnetisch steuerbare Aktoren, mit denen sich in unterschiedlichen Frequenzbereichen alle sensiblen Punkte des Prototyps bewegen, verdrehen und stauchen lassen. Besondere Aufmerksamkeit widmeten die Prüfer den mehr als 63 Meter langen Tragflächen und deren Struktur aus sehr leichten Kohlefaser-Kunststoff-Verstrebungen.

In den vier Gondeln für die Elektromotoren finden auch jeweils 100 Kilogramm schwere Lithium-Polymer-Batterien Platz sowie die Elektronik der Laderegelung und des Wandlers für den benötigten Drei-Phasen-Drehstrom. Dieser Wandler entstand ebenfalls im Sunpower-Entwicklungslabor aus speziell für diesen Einsatzzweck modifizierten eigenen Komponenten.

Eine zusätzliche Belastung nicht nur des Gesamtgewichts, sondern auch für den Wirkungsgrad der Motoren entsteht durch das Getriebe, das die Drehzahl der dreieinhalb Meter großen Propeller auf etwa 200 bis 400 Umdrehungen pro Minute reduziert. Die Solar Impulse soll nicht schneller fliegen als 70 Kilometer pro Stunde. Das Untersetzungsgetriebe verleiht der Drehzahl der angetriebenen Propeller eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Windböen.

Ohne Getriebe müsste eine empfindlichere Regelelektronik die plötzlichen Belastungen einzelner Propeller ausgleichen. Je leichter ein Flugzeug ist und je größer dessen Spannweite, desto mehr verhält es sich wie ein Spielball der Lüfte. Schon minimale Verzögerungen der individuellen Motordrehzahlregelung könnten sich gegeneinander aufschaukeln und die Stabilität der Konstruktion zwischen den Motoren belasten.

Tempo im Grenzbereich

Gefährlich sind auch bodennahe Scherwinde, die bereits Piloten konventioneller Flugzeuge das Starten und Landen erschweren, obwohl diese mit einer im Vergleich zur Solar Impulse hohen Geschwindigkeit fliegen. Die Solar Impulse darf hingegen nur mit 70 Kilometern pro Stunde unterwegs sein, damit der Energiehaushalt über Nacht eingehalten werden kann. Die doppelte Geschwindigkeit würde bereits ein Vielfaches der bereitstehenden Energie kosten. Im günstigsten Fall bewegt sich Solar Impulse von der Geschwindigkeit im Grenzbereich zwischen Auftrieb und Strömungsabriss. Der bei Piloten gefürchtete „Stall“ würde das Flugzeug vom Himmel fallen lassen. Die Fliehkraft des trudelnden Solarfliegers würde die fragile Konstruktion zerreißen. Weil sich in Kurven die Strömung an der inneren Tragfläche verlangsamt und hier die Grenze zum gefährlichen „Stall“ und Abschmieren sehr groß ist, darf die Solar Impulse ihre Kurven nur mit höchstens sieben Grad Schräglage fliegen. Das ist nicht viel größer als die Breite eines Daumens bei ausgestrecktem Arm. Gestartet wird also bei Windstille, möglichst noch vor Sonnenaufgang, solange sich in der bodennahen Luft noch keine Thermik entwickelt.

Eine wichtige Voraussetzung ist das Wetter am Start- und Zielort. Es muss möglichst windstill sein. Und auch in den unterschiedlichen Luftschichten, die das Flugzeug während seiner Etappen durchkreuzt, sollte trockene Luft herrschen, denn die Maschine besitzt keinerlei Enteisungstechnik.

Bildet sich Eis auf den Tragflächen, verliert das Flugzeug seine aerodynamischen Eigenschaften und ist im schlimmsten Fall nicht mehr steuerbar. Auch diesen Fall haben die Konstrukteure kalkuliert. Im Notfall kann der Pilot aus einem etwa 15 Kilogramm schweren Rettungssystem eine Rakete abfeuern, die einen riesigen Fallschirm entfaltet, an dem das ganze Flugzeug oder, falls es zerbrechen sollte, wenigstens das Cockpit mit dem Piloten langsam und sicher zu Boden gleitet.

Das Cockpit ist übrigens ein Meisterstück der Wärmedämmung. Auch bei minus vierzig Grad Außentemperatur soll darin die Temperatur nicht unterhalb von plus zehn Grad sinken, und selbst die Scheiben bleiben klar. Der Pilot wärmt sich selbst innerhalb eines für Jetpiloten üblichen, modifizierten Thermoanzugs. Aus Sauerstoffkartuschen erhält er über eine Maske sein Atemluft-Gemisch und ernährt sich mit bewährter Astronautenkost. Eine Toilette ist für die einzelnen Etappen nicht vorgesehen, sondern nur ein Urin-Beutel.

Kampf gegen den Schlaf

Nur ein Problem haben Bertrand Piccard und André Borschberg noch gemeinsam mit Charles Lindbergh, der im Jahr 1927 nach 33 Stunden und 32 Minuten als erster Mensch den Ozean fliegend überquerte: wach zu bleiben. Beinahe wäre Lindbergh während seiner Ozeanüberquerung schlafend abgestürzt. Piccard und Borschberg üben etwas Ähnliches, wie es Leonardo da Vinci und Thomas Alva Edison bereits erfolgreich praktizierten: Um mehr Zeit für ihre kreative Arbeit nutzen zu können, teilten sie ihren Tag in drei oder vier kreative Phasen ein, zwischen denen sie jeweils 20 Minuten lange Schlafphasen einlegten.

Schlafen werden die beiden Piloten jedoch nicht, sondern nur meditativ ruhen. Geweckt werden sie entweder von dem eingeschalteten Autopiloten, der sich mit einem Rüttelmechanismus meldet, sobald sich die Fluglage der Solar Impulse kritisch verändern sollte, oder von der Bodenstation, die per Satellit über einen Lautsprecher im Cockpit einen lautstarken Weckruf erschallen lassen kann. Per Telemetrie übermittelte medizinische Daten verraten der Bodenmannschaft, ob die Piloten nur ruhen oder versehentlich eingeschlafen sind.

Über denselben Kanal durften Interessierte bereits die ersten Testflüge live im Internet verfolgen und sollen auch später dabei sein.

Der Flugplan sieht vor, dass die auf Tragflächen und Höhenleitwerk geklebten 11.628 monokristallinen Siliziumzellen mit ihrem Wirkungsgrad von 22 Prozent in der Lage sind, die Lithium-Polymer-Batterien aufzuladen, während gleichzeitig die vier Motoren von ungefähr 30 Kilowatt Leistung die 1.600 Kilogramm schwere Solar Impulse mit nur 70 Kilometer pro Stunde Höchstgeschwindigkeit auf eine Höhe von neun bis zwölf Kilometer ziehen.

Diese Höhe soll der Pilot auch nach Abschluss der Testphase im übernächsten Jahr, während der offiziellen Weltumrundung, jeweils vor Sonnenuntergang erreichen, um die durch die großen Tragflächen günstige Gleitzahl von 1:35 auszunutzen. Diese Formel bedeutet, dass Solar Impulse im reinen Segelflug pro 1.000 Meter Höhenverlust eine Strecke von 35 Kilometern zurücklegt. Im Segelflug würde die Maschine theoretisch eine neun Stunden lange Nacht überstehen. Die Piloten hoffen, die Solar Impulse bis zum Sonnenaufgang mit Motorunterstützung auf mindestens 3.000 Meter Höhe zu halten und bis zum Sonnenuntergang wieder mit geladenen Batterien die Gipfelhöhe zu erklimmen. Für eine eventuelle Notlandung sei jeder Flughafen geeignet, auf dem auch ein Airbus landen könne.

„Es ist die größte Erfindung des

21. Jahrhunderts, fossile Energien zu ersetzen“, sagt Bertrand Piccard und greift weit zurück in die Geschichte der Luftfahrt: „Bevor Charles Lindbergh den Ozean überquerte, glaubte niemand daran, dass eines Tages Flugzeuge gebaut würden, in denen einige hundert Menschen gemeinsam dieselbe Strecke fliegen.“ Motorflugzeuge sollen, so seine Vision, einst abgelöst werden durch Solarflugzeuge. Das inzwischen 70-köpfige Solar-Impulse-Team fokussierte sich deswegen auf die Lösung der zurzeit technisch schwierigsten Aufgabe: den Beweis zu erbringen, dass bald auch andere und eines Tages möglichst alle fossilen Energieträger durch erneuerbare Energie ersetzt werden können. Dies will Bertrand Piccard während der auf allen Kontinenten geplanten Zwischenlandungen verkünden: „Die Idee war gestern, heute haben wir das Flugzeug, morgen ist es eine Botschaft für den Umweltschutz.“