Drei Entwürfe für das Flugzeug der Zukunft – und ein überraschender Favorit

Großkonzerne wie Airbus, aber auch viele kleine Start-ups arbeiten derzeit an Konzepten für die Flugzeuge von morgen. Diese sollen zugleich das Klima schonen und wirtschaftlich wettbewerbsfähig sein. Seit vier Jahren entwickeln auch 20 Forschungsinstitute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR gemeinsam im Projekt Exact (Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies) solche Entwürfe.

Das Ergebnis: «Es ist möglich, die Klimawirkung des Luftverkehrs deutlich bei gleichzeitiger wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit zu reduzieren», schreibt das DLR. Am 7. und 8. Mai wurden die Ergebnisse 170 Teilnehmenden aus Industrie und Forschung vorgestellt.

Kosten steigen nicht

Sowohl der vollständige Lebenszyklus der Flugzeuge als auch der Prozess der Gewinnung, des Transports und der Bereitstellung regenerativer Treibstoffe wurde in der Analyse der Klimaverträglichkeit neuer Flugzeugkonfigurationen berücksichtigt. So konnten die Forschenden die Konzepte mit dem ökologisch und ökonomisch größten Potenzial finden.

«Über die Erkenntnisse möchten wir uns mit Flugzeugbauern, Zulieferern und anderen Forschungseinrichtungen austauschen», sagt Björn Nagel, Direktor des Hamburger DLR-Instituts für Systemarchitekturen in der Luftfahrt. «Bei der Erforschung ökologischer Flugzeugkonzepte zeigt sich, dass die Auswirkung der Luftfahrt auf das Klima um mindestens 80 Prozent reduziert werden kann und die Kosten dabei nicht steigen.»

Überraschender Favorit

Als vielversprechendste, emissionsarme und wirtschaftliche Flugzeugkonzepte für die Kurz- und Mittelstrecke für 250 Fluggäste haben sich drei herauskristallisiert. «Was auf den ersten Blick vielleicht überraschen mag, ist die Tatsache, dass das batterie-elektrische Hybrid-Konzept am allerbesten abgeschnitten hat», sagt Exact-Leiter Daniel Silberhorn.

«Aufgrund der hohen Masse der Batterien und der eher geringen Reichweiten, galt der Betrieb mit Batterien bislang eher als vielversprechend für kleinere Flugzeuge bei dem Einsatz auf der Kurzstrecke», so Silberhorn. «Tatsächlich ermöglicht die Plug-in-Hybrid-Architektur aber, dass auch größere marktrelevante Flugzeuge damit angetrieben werden können.» Eine nachhaltige Produktion mit sehr hohen Recyclingrate sowie eine lange Lebensdauer der Batterien seien dabei zentrale ökologische Randbedingungen.

Turboprop im Vorteil

«Geringe Produktionskosten und eine schnelle Ladefähigkeit gewährleisten die Wirtschaftlichkeit des Flugzeugs», erklärt der Forscher. Batterie-elektrisch betrieben könnte solch ein Flugzeug 500 Kilometer zurücklegen, hybrid-elektrisch dank dem zusätzlichen Einsatz nachhaltiger Treibstoffe sogar bis zu 2800 Kilometer.

Das zweite Konzept ist ganz einfach ein Turbopropflugzeug. Im Vergleich zu Jet-Antrieben verringert dabei schon bei fossilen Treibstoffen «die Wirkung auf das Klima um mehr als 40 Prozent, beim Einsatz von nachhaltigen Treibstoffen würde sich die Auswirkung auf das Klima noch weiter reduzieren», so das DLR. Die Reichweite: ebenfalls 2800 Kilometer.

Spezielle Brennkammer

Sowohl das Plug-in-Hybrid-Flugzeug als auch die Turboprop haben 6-Meter-Propeller und Gastrubinen mit 11 Megawatt Leistung und speziellen Brennkammern für einen geringen Ausstoß an Ruß und Stickoxiden. Das Turboprop-Flugzeug verfügt über zwei dieser Gastrubinen, der Hybrid-Flieger nur über eine, dazu aber drei Elektromotoren mit je 4 Megawatt Leistung, wie auf Abbildungen des DLR zu erkennen ist.

Die Batterien sind in Hülsen untergebracht, haben eine Kapazität von 11 Megawattstunden und wiegen insgesamt 27 Tonnen. «Damit am Flughafen keine Zeit verloren geht, müssen die Batterien innerhalb von 20 bis 30 Minuten geladen werden können», so das DLR.

Klappbare Flügelspitzen

Beide Konzepte haben eine Reisefluggeschwindigkeit von 750 Kilometern pro Stunde und ein «Klimawirkungsreduktionspotenzial» von 65 bis 95 Prozent verglichen mit heutigen Flugzeugen derselben Passagierklasse. Das Hybrid-Flugzeug hat einen Energieverbrauch von 9 Kilowattstunde pro Person pro 100 Kilometer, verglichen mit einem Wert von 15 bei einem E-Auto. Die Turboprop erreicht 14. Beim Hybrid stellen die Forschenden 5 bis 15 Prozent geringere Betriebskosten in Aussicht, bei der Tubroprop 0 bis 10 Prozent.

Ein wichtiges Details teilen sich die beiden ersten Konzepte mit dem dritten: 42 Meter breite, hochgestreckte Flügel, die für besseren Auftrieb und effizienteren Flug sorgen. Um die Spannweite am Flughafen auf 36 Meter zu reduzieren, werden die Spitzen hochgeklappt.

Knackpunkt bei Wasserstoff

Der dritte Entwurf heißt «Wasserstoff-Mild-Hybrid». Dazu schreiben die Forschenden: «Wasserstoff-betriebene Flugzeuge können die Klimaauswirkungen um mindestens 80 Prozent reduzieren.» Ob sie allerdings auch wirtschaftlich attraktiv seien, hänge wesentlich von den Produktionskosten für Wasserstoff und synthetisches Kerosin ab. «Brennstoffzellen zur Unterstützung auf dem Rollfeld, im Sinkflug oder der Bordsysteme hätten eine deutliche Emissionsminderung bis 1500 Kilometer Reichweite zur Folge», so das DLR.

Auch dieser Entwurf hat eine Reichweite von 2800 Kilometern, aber eine höhere Reisefluggeschwindigkeit von 835 Kilometern pro Stunde. Das Reduktionspotenzial für die Klimawirkung liegt bei 65 bis 95 Prozent, der Energieverbrauch bei 18 Kilowattstunde pro Person pro 100 Kilometer. Die Betriebskosten könnten um 5 bis 10 Prozent sinken.

Brennstoffzellen helfen

Möglich machen sollen dies die Wasserstofftanks im Heck. Sie habe ein Gesamtvolumen von etwa 60 Kubikmetern. Zudem gibt es an den Flügelwurzeln ein sogenanntes Mild-Hybrid-Brennstoffzellen-System, das eine minimale Unterstützung der beiden wasserstoffbetrieben Gasturbinen liefert und dem Entwurf seinen Namen gegeben hat.

In der oben stehenden Bildergalerie sehen Sie die drei Entwürfe mit allen Details. Ein Klick aufs Bild öffnet die Galerie in Vollansicht.