Dieser Tage machen einmal wieder Elektroflugzeuge von sich reden. Wie immer in solchen Fällen mit dem Gestus “das hat es noch nie gegeben”. Nun, das stimmt nicht. Die Militky MB-E1, eine umgebaute Brditschka HB-3, flog zum Beispiel schon 1973 rein elektrisch. (Und ich bin heute wirklich froh, dass das hier kein Podcast ist.)
Freilich nur mit der vor 42 Jahren verfügbaren Batterietechnik, den damals noch neuen Nickel-Cadmium Akkus. Es reichte für Flüge von bis zu 14 Minuten Dauer (je nach Quelle). Über die Geschwindigkeit im Flug und die Reichweite habe ich aber nichts gefunden. Das Konzept des Flugzeugs war dabei ausgesprochen einfach. Man ersetzte mit möglichst wenig Aufwand den Verbrennungsmotor der HB-3 durch einen Elektromotor und die Batterien. Mehr nicht.
Modernere Elektroflugzeuge wie der Airbus E-Fan haben natürlich bessere Batterien und sie sind auch von Anfang an auf möglichst große Effizienz getrimmt. Zum Beispiel benutzt der E-Fan vor dem Start einen normalen Radantrieb um auf Geschwindigkeit zu kommen. Denn bei sehr langsamen Geschwindigkeiten haben Propeller und Düsentriebwerke* ganz ähnliche Probleme mit der Effizienz wie Raketentriebwerke.
(*) In diesem Fall ein Mantelpropeller, aber physikalisch ist das alles eine Soße
Anstatt dem Flugzeug kinetische Energie zu geben und es zu beschleunigen, geben sie erst einmal der Luft jede Menge kinetische Energie und wirbeln dabei verdammt viel Wind auf. Das wird besser, wenn sich das Flugzeug schneller durch die Luft bewegt – dann kommt man der Idealsituation etwas näher, in der sich das Flugzeug einfach nur von der Luft abstößt. Das gleiche Problem könnte man natürlich auch mit einer Seilwinde lösen, wie sie beim Start von Segelflugzeugen vom Boden verwendet wird. Oder ganz sportlich, mit einem Dampfkatapult wie auf einem Flugzeugträger.
Jedenfalls kommt der E-Fan zur Zeit auf eine Flugdauer von 40 Minuten, also ungefähr 3 mal so lang. Welch Zufall. Denn die verwendeten Lithium-Ionen-Akkus haben auch die dreifache Energiedichte.
Die Energiedichte des Treibstoffs spielt für Flugzeuge eine unglaublich wichtige Rolle. Um so mehr Energie im Treibstoff, um so besser ist die Reichweite. Die Verhältnisse sind dabei erstaunlich konstant. Im freien Flug verbraucht ein gut gebautes Flugzeug, egal wie groß, wenn es mit der optimalen Geschwindigkeit fliegt, immer das gleiche. Nämlich etwa 0,4kWh Energie, um eine Tonne Gewicht einen Kilometer weit zu befördern. Diese optimale Geschwindigkeit hängt im wesentlichen von der genauen Geometrie und dem Gewicht ab. Liegt aber bei Linienflugzeugen durchaus bei den über 800km/h, mit denen sie fliegen.
Wie man auf diese recht erstaunliche Erkenntnis kommt, kann man im entsprechenden Kapitel im technischen Anhang von “Without Hot Air” hier nachlesen. Das allerletzte Wort ist dort noch nicht gesprochen. Aber die aerodynamische Effizienz von Flugzeugen ist schon ziemlich gut und mehr als ein paar Prozent wird man dort nicht mehr heraus holen können.
Jedenfalls ist es eine hilfreiche Erkenntnis, denn damit können wir ausrechnen, wie weit ein Flugzeug fliegen kann. Batterien haben zur Zeit im allerbesten Fall eine Energiedichte von 250 kWh pro Tonne, aber nur, wenn man eine schnelles Absinken der Kapazität in Kauf nimmt. In der Formel E verwendet man 200kg schwere Batterien mit 28kWh Kapazität (also 140kWh pro Tonne) um die ganze Saison damit zu fahren.
Wenn ein Flugzeug zur Hälfte des Gewichts aus den derzeit besten Lithium-Ionen Akkus besteht, kann ein 1t schweres Flugzeug bestenfalls 125kWh Energie mitnehmen. Das entspräche einer Reichweite von etwa 300km und gilt auch für viel größere Flugzeuge. Wenn 2/3 des Gewichts aus Batterien bestehen, kommt man auch auf 400km. Aber irgendwo dort ist das Ende der Fahnenstange erreicht. Als Männerspielzeug ist es super. Für Kurzstreckenflüge eine denkbare Alternative. Aber über den Atlantik wird man mit Batterien nicht kommen.
Korrektur: Das stimmt so noch nicht ganz. Man kann versuchen die Gleitzahl des Flugzeugs noch etwas zu verbessern. Die Beträgt bei normalen Flugzeugen etwa 20, bei Segelflugzeugen erreicht man 30-60. Die Gleitzahl geht linear in die Formel ein, so dass man die Reichweite damit tatsächlich noch etwas verbessern kann.
Natürlich kann man versuchen bei der Reichweite etwas zu mogeln. Ein auf langsame Geschwindigkeit optimiertes Flugzeug kann mit Rückenwind viel weiter fliegen als ohne. Ein Motorsegler kann Thermik und Aufwinde ausnutzen und sich so bei passenden Verhältnissen über die Alpen quälen. Schön für die Schlagzeilen, wie es gestern der “e-Genius” machte. Aber schlecht für alle Gegenden und Tageszeiten ohne passende Auf- und Rückenwinde. (Und auch das waren nur 320km.)
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