Träume wagen

Von einem großen Hangar in der üppigen Schweizer Stadt Payenne zu einem staubigen Flugplatz in Abu Dhabi – die erste Reiseetappe der Solar Impule 2 (SI2) war ein wenig unerquicklich. Das Solarflugzeug wurde in den Bauch einer Cargolux Boeing 747 eingesperrt und wird erst dann wieder Luft unter seinen eigenen Flügeln spüren, wenn es von der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate aus zu seinem bahnbrechenden Flug rund um die Erde aufbricht.

Das SI2-Team geht dabei keine Risiken ein. Das Solarflugzeug hat zwar seine Fähigkeiten bereits bei etlichen Einsätzen über Schweizer Bergen und arabischen Wüsten unter Beweis gestellt. Aber das schiere Ausmaß sowohl der Spannweite als auch des ehrgeizigen Projekts machte es notwendig, jedes kleinste Detail des Rekordflugs sorgfältig zu berechnen. Die Demontage der SI2 für den Transport nahm drei Wochen in Anspruch, die 72-Meter-Flügel wurden in drei Abschnitte geteilt. Und nach Transport und Zusammenbau bestand der erste öffentliche Auftritt der SI2 darin, die Besucher des World Future Energy Summit zu begeistern, der Ende Januar Teil der Abu Dhabi Sustainability Week war.

Um Gewicht zu sparen, fehlt bei der SI2 die Enteisungsanlage. Das macht es unmöglich, von Europa aus zu der geplanten Weltumrundung aufzubrechen. Im Nahen Osten ist der März viel milder, außerdem wurde der Starttermin so geplant, dass das Flugzeug auf seinem Weg nach Osten nicht in den indischen Monsun gerät. Landungen und Starts sollen nachts stattfinden, um Turbulenzen von mehr als 18 Kilometer pro Stunde zu vermeiden, und ein multidisziplinäres Team auf dem Boden wird die bestmögliche Route berechnen.

Die Details zeigen die Akribie, mit der Abenteurer Bertrand Piccard sowie Ingenieur und Pilot André Borschberg seit inzwischen zwölf Jahren an der Weltumrundung mit der SI2 arbeiten. pv magazine stattete dem Solarflugzeug in seinem Schweizer Hangar einen Besuch ab, bevor es seinen Flug nach Abu Dhabi antrat, wo es das Erneuerbare-Energien-Unternehmen Masdar in Empfang nahm.

Technik und Zahlen

Mit ihren 72 Metern Spannweite ist die SI2 breiter als eine Boeing, wiegt aber nur 2,3 Tonnen – etwas mehr als ein großer Pkw. Wäre das Flugzeug aus Polystyrol, wäre es sogar noch schwerer als mit dem jetzt verwendeten Verbundstoff aus Carbonfasern und Honeycomb-Sandwichbauteilen. Auf Flügeln, Rumpf und Leitwerk sind 17.248 monokristalline Siliziumzellen des US-Solarunternehmen Sunpower montiert. Jede Zelle ist gerade mal 135 Mikrometer dick und ein Kompromiss zwischen Leichtigkeit, Flexibilität und – bei 22,7 Prozent Wirkungsgrad – Leistung. „Die Solarzellen haben 250 Quadratmeter Gesamtfläche und eine Gesamtleistung von 45 Kilowatt“, sagt CEO und Mitbegründer von Solar Impulse, André Borschberg, der abwechselnd mit Piccard die SI2 fliegen wird. „Die Solaranlage nutzt Maximum Power Point Tracking von Solarmax, um Gleichstrom von 300 Volt für die vier Gleichstrommotoren und die Lithium-Polymer-Batterien zu erzeugen.“

Die Batterien, entwickelt mit Hilfe von Solvay, Bayer Material Science und Kokam, sind auf 260 Wattstunden pro Kilogramm optimiert. Mit 633 Kilogramm macht das Batteriesystem ein Viertel des SI2-Gesamtgewichts aus und kann 164.580 Wattstunden Energie speichern. „Die Speicher sind das größte Effizienzproblem“, sagt Piccard. „Die von uns eingesetzten Batterien wurden speziell entwickelt, aber sind immer noch zehnmal schwerer als Kerosin. Ich könnte mir vorstellen, dass wir noch 20 Jahre von einer Parität in diesem Punkt entfernt sind. Wir haben jedoch die Hoffnung, dass die SI2-Mission den Impuls für Batterien mit besseren Wirkungsgraden und weniger Gewicht geben kann.“

Pionierarbeit für die Photovoltaik

Wie Piccard betont, wurde die SI2 nicht entwickelt, um kommerzielle Flüge mit solarbetriebenen Flugzeugen in den Bereich des Möglichen zu rücken. Aber sie soll die Wahrnehmung dafür verändern, was mit Photovoltaik und Speichertechnologien möglich ist. „Die Solar Impulse soll keine Passagiere befördern, sondern Nachrichten“, so Piccard. „Die Welt braucht neue Wege, um die Lebensqualität der Menschen zu verbessern. Saubere Technologien und erneuerbare Energien sind dazu ein wichtiger Schlüssel.“ Angesichts einer 40-jährigen Geschichte sind solarbetriebene Flüge nicht neu. Piccard zufolge galt jedoch die Energiespeicherung – also die Fähigkeit, auch nach Sonnenuntergang in der Luft zu bleiben – bislang als unüberwindbare Hürde. „Um das solare Fliegen auszureizen, war immer das Fliegen in der Nacht die große Herausforderung“, sagt Piccard. „Wir sind erst seit Kurzem in der Lage, Flugzeuge mit Speichern auszustatten, die für diese Herausforderung geeignet sind.“

Die ersten Flüge mit der Solar Impulse führten Piccard und Borschberg 2013 quer durch die USA, etwa ein Jahr nach ihrem ersten Interkontinentalflug zwischen Marokko und Spanien. Das neue Projekt ist größer, was Umfang und Anspruch betrifft, und geht bei Energiespeicherung, Effizienz, Pilotenausbildung und Flugzeugbau an die Grenzen.

Piccard umrundete 1999 als erster Mensch die Erde nonstop in einem Heißluftballon. Er schildert, wie bei diesem historischen Flug die Begrenzungen zutage traten, die mit der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen einhergehen. „Die Idee für Solar Impulse baut auf der Ballon-Weltumrundung auf. Denn bei diesem Flug wurde der Begriff des endlichen Kraftstoffs Realität. Während der letzten Etappe dieser Reise sanken unsere Reserven auf zwei weitere Stunden Flug. Wir haben es geschafft, aber dieser Moment hat meine Angst vor einer Abhängigkeit von Kraftstoff befeuert. Da habe ich mir selbst versprochen, dass ich das nächste Mal ohne Treibstoff um die Welt fliegen werde.“

Piccard zufolge hätten schon die Ägypter fliegen können, wenn sie gewollt hätten. Die Technik sei vorhanden gewesen, aber nicht das Denken. „Im 20. Jahrhundert haben wir schließlich versucht zu fliegen. Und dann, innerhalb von nur 60 Jahren nach dem ersten Flug, waren wir auf Nord- und Südpol, auf dem Boden des Marianengrabens und auf dem Mond. Bei Innovationen geht es darum, alte Überzeugungen abzuschütteln und jene Menschen herauszufordern, die behaupten, etwas sei nicht möglich. Dann ist man frei und kann neue Lösungen finden. Unsere Zweifel sind unser Ballast – wir müssen sie über Bord werfen, um weiterzukommen.“

Der Flug der Solar Impulse 2

Spätestens im März soll die SI2 in Abu Dhabi zu ihrer Weltumrundung aufbrechen. Der Zeitplan geht von vier bis fünf Monaten mit rund 20 bis 25 Flugtagen aus. Die SI2 soll dabei bis zu fünf Tage und Nächte am Stück fliegen, ohne Treibstoff und mit nur einem Piloten. Borschberg und Piccard haben trainiert, in 20-Minuten-Etappen zu schlafen; dabei helfen eine Reihe von Selbsthypnose-Techniken, Meditation und Yoga.

„Als Piloten müssen wir so nachhaltig sein wie das Flugzeug selbst“, sagt Borschberg. „Das bedeutet: kein Koffein, keine Stimulanzien.“ Aus Sicherheitsgründen werden die Piloten nur über Meeren oder Seen schlafen und über Land wach bleiben. Das lediglich 3,8 Kubikmeter große Cockpit hat keine Heizung und ist drucklos.

Das Leben des Piloten hängt von einer hochdichten Wärmedämmung, der Sauerstoffversorgung und einem Überwachungssystem ab, das Anomalien bei Winkeln und Autopilotfunktionen des Flugzeugs erkennt. Borschberg und Piccard wollen die vier- bis fünftägigen Etappen abwechselnd fliegen, so dass immer nur ein Pilot an Bord ist.

Die maximale Flughöhe der SI2 beträgt 8.500 Meter, die Höchstgeschwindigkeit 140 Kilometer pro Stunde – viel langsamer als alle kerosingetriebenen Jets. Interessant ist, dass sich die Piloten mit einigen technischen und navigatorischen Fragen nicht befassen müssen: Da die SI2 keinen Treibstoff verbraucht, bleibt ihr Schwerpunkt immer gleich.

Die Route wird von Abu Dhabi aus nach Osten führen, über den indischen Subkontinent, Japan und den Pazifik zur US-Westküste. Von dort aus soll der Flug über New York, den Atlantik und Europa zurück nach Abu Dhabi gehen, wo die SI2 etwa im Juli dieses Jahres erwartet wird.

„Die SI2 ist wie ein fliegendes Labor“, sagt Piccard. „Sie zeigt nicht nur die Effizienz der Solartechnik und regt die Fantasie an, sondern wird uns auch sehr viel beibringen, nachdem wir im März gestartet sind. Im Moment ist schwer vorherzusagen, welche Möglichkeiten sich ergeben werden oder wie die Solar Impulse 3 aussehen wird, bevor wir die Erdumrundung nicht erfolgreich abgeschlossen haben. Es kann sein, dass wir danach höher fliegen werden oder schneller oder dass wir die Erde nonstop umrunden. Wie wir all das erreichen können, werden wir erst wissen, wenn diese Mission erfüllt ist.“

Kasten: Die Innovationen

„Wir mussten uns über jeden Zentimeter der SI2 Gedanken machen, bevor wir mit ihrem Bau beginnen konnten“, sagt Abenteurer Bertrand Piccard. Das bedeutete die Entwicklung einer Reihe von Materialien und Technologien speziell für dieses Flugzeug – viele davon werden bereits in anderen Anwendungen eingesetzt.

Die Photovoltaikanlage selbst ist eines der eher herkömmlichen Teile der SI2. Sunpower hat 17.248 seiner Maxeon-Solarzellen für das Projekt geliefert. Die Zellen haben einen Wirkungsgrad von 22,7 Prozent und sind nur 135 Mikrometer dick, was sie extrem leicht und flexibel macht.

Der belgische Chemiekonzern Solvay hat eine Reihe von Kunststoffen, Folien, Fasern, Beschichtungen und Schmierstoffen für die SI2 entwickelt und mit Bayer daran gearbeitet, die Batterien leichter zu machen. Trotzdem trägt dieses unverzichtbare Teil des Puzzles, die von Kokam erfundenen Lithium-Polymer-Batterien, am stärksten zum Gewicht des Flugzeugs bei. In jeder Propeller-Box stecken 150 Kilogramm Speicher.

Dassault Systèmes hat eine 3D-Modellierungssoftware für das gesamte Projekt zur Verfügung gestellt; ABB, Schindler und Omega steuerten Innovationen und Know-how bei. Von dem insolventen Schweizer Wechselrichterproduzenten Solarmax stammt die MPPT-Technologie, die den Gleichstrom für die vier bürsten- und sensorlosen Motoren mit 94 Prozent Wirkungsgrad optimiert. „Die Zukunft des Antriebs ist elektrifiziert. Im Gegensatz zu Kerosin geht beim Einsatz von DC-Motoren sehr wenig Energie als Wärme verloren“, sagt Piccard.