Auftrieb für E-Luftschiffe

Doch die mit Helium gefüllten Flugobjekte des Unternehmens sollen künftig noch mehr Aufgaben erfüllen – zum Beispiel bei der Überwachung der Luftqualität in New Mexico. Dazu können die Luftschiffe mit einer Auflösung von ein bis zwei Metern zum Beispiel Emissionen des Klimagases Methan über Erdöl- und Erdgasfeldern aufspüren. Zudem sollen sie präzise das Ausmaß der Luftverschmutzung messen und die Quellen des stark klimawirksamen Gases ermitteln. Um diese Anwendung zu entwickeln, arbeiten die Experten von Sceye mit der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA und dem Umweltministerium von New Mexico zusammen. Weitere künftige Anwendungen könnten sein, drohende Gefahren wie auflodernde Waldbrände aus der Vogelperspektive frühzeitig zu erkennen oder in Seenot geratene Schiffe über dem offenen Meer aufzuspüren.

Strom aus ultraleichten Solarzellen

Ein wichtiger Baustein, um solche Einsätze von Luftschiffen zu ermöglichen, ist die Nutzung des Sonnenlichts als Energiequelle. Sie ermöglicht es den kurz als HAPS bezeichneten (das Kürzel steht für „High-Altitude Platform Station“) unbemannten Flugobjekten, wochen- oder monatelang in der Luft zu bleiben. Dazu haben die Entwickler bei Sceye ihr Luftschiff mit flexibel formbaren und ultraleichten Dünnschicht-Solarzellen ausgestattet. Sie sind auf der Oberseite der Hülle angebracht. Die elektrische Energie, die sie aus dem Sonnenlicht gewinnen, fließt in eine mitgeführte Batterie und lässt sich zum Beispiel verwenden, um eine Funkantenne oder Gasmessgeräte zu betreiben, das Luftschiff zu navigieren oder in einer bestimmten Position zu halten. Dass dieses Konzept funktioniert, hat das Unternehmen bei Testflügen erfolgreich gezeigt.

„Das Thema Luftschiffe liegt im Trend“, meint Christoph Pflaum. Der Ingenieurwissenschaftler ist Professor für Numerische Simulationen mit Höchstleistungsrechnern am Institut für Informatik der Universität Erlangen-Nürnberg und forscht selbst mit seinem Team an der Entwicklung neuer Technologien für die fliegenden Riesen. „Die Zahl der Forscher und Unternehmen, die sich damit beschäftigen, steigt stetig“, berichtet er. Im Fokus steht dabei die Nutzung regenerativer Energiequellen für ein klimaschonendes Fliegen per Luftschiff, vor allem durch solare und elektrische Antriebstechniken – samt einer für die Bedingungen in großer Höhe geeigneten Art der Elektronik und für den Einsatz in Luftschiffen angepasster Batterien.

Spezielle Anforderungen an die Akkus

„Das A und O bei einer solchen Anwendung von Batterien ist die sogenannte gravimetrische Energiedichte“, erläutert Vincent Lorentz, Professor für Elektronik Elektrischer Energiespeicher und Mitglied des Bayerischen Zentrums für Batterietechnik an der Universität Bayreuth. Das bedeutet: Die Batterien müssen in der Lage sein, möglichst viel Energie pro Kilogramm Gewicht aufzunehmen und zu speichern. „Darin unterscheidet sich der Einsatz in Luftschiffen von dem etwa in Elektrofahrzeugen, wo es statt auf das Gewicht vor allem auf das Volumen ankommt“, sagt Lorentz, der auch die Abteilung Intelligente Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen leitet. „Der Bauraum in einem Fahrzeug ist knapp, während ein Luftschiff viel Platz für die Integration von Batterien bietet.“

Ist die Batterie hingegen zu schwer, muss das Luftschiff größer sein – und benötigt dann wegen des größeren Luftwiderstands einen stärkeren Antrieb, um es in der üblichen Flughöhe von 20 oder mehr Kilometern in die gewünschte Position zu bringen und dort zu halten kann. Zudem benötigt das mehr Energie.

„Besonders wichtig ist darüber hinaus das Batteriemanagementsystem – und eine dafür geeignete Elektronik“, fügt Lorentz hinzu. Eine Herausforderung dabei ist der geringe Luftdruck: „Der beträgt in 20 Kilometer Höhe nur etwa 60 bis 80 Hektopascal“, stellt der Bayreuther Forscher fest. Am Erdboden ist der Luftdruck etwa 15-mal so groß. „Eine Kühlung der elektronischen Bauteile mit Luft ist unter solchen Bedingungen nicht möglich“, sagt Lorentz. „Daher braucht es andere Lösungen wie Wärmeröhren oder Heat Pipes – Wärmeübertrager mit einem Rohr aus Kupfer.“

Extreme Temperaturschwankungen

Ein weiteres Problem sind die Temperaturen. „Die ideale Temperatur für den Betrieb eines Lithium-Ionen-Akkus liegt bei 15 bis 20 Grad Celsius“, sagt der Wissenschaftler. Doch die Temperatur in großer Höhe schwankt stark – je nach Sonneneinstrahlung etwa zwischen minus 55 und bis zu plus 40 Grad Celsius. Deshalb müssen die Akkus mitunter beheizt werden, damit sie nicht einfrieren – beispielsweise mit der Abwärme aus der Elektronik. „Wenn die Lithium-Ionen-Batterien einfrieren würden, hätte das Luftschiff keinen elektrischen Strom mehr.“ Daher packen die Konstrukteure das Batteriesystem eines Luftschiffs in leichtes Dämmmaterial ein, das die Temperatur der Zellen möglichst im positiven Bereich hält.

Und es gibt noch weitere, für große Flughöhen typische Herausforderungen – etwa die kosmische Strahlung. Sie besteht aus energiereichen Teilchen, die aus dem Weltraum auf die irdische Lufthülle prasseln – und erst in tieferen Schichten der Atmosphäre durch Luftmoleküle abgefangen werden. In der Elektronik des Batteriemanagementsystems kann die kosmische Strahlung zu tückischen Fehlern führen, wie Vincent Lorentz erklärt: „So wird beim Laden der Batterien ständig deren aktuelle elektrische Spannung gemessen und mit einem eingestellten Sollwert verglichen.“ Der darf nicht überschritten werden, da die Batterie sonst Schaden nehmen kann. „Die Strahlung kann dazu führen, dass der Sollwert durch elektronische Störimpulse heraufgesetzt wird“, sagt der Forscher. „Dann lädt das System die Batterie fälschlich bis weit über den eigentlich maximal zulässigen Wert der Spannung hinaus auf – was so zu einem gefährlichen Zustand führen kann.“ Um das zu verhindern, müssen zusätzliche Kontrollmechanismen in die Überwachung integriert werden.

Lorentz und sein Team haben außerdem ein Open-Source-Batteriemanagementsystem geschaffen, das für Sicherheit sorgt, wenn es doch einmal zu einem Defekt bei den Batterien kommt. „Ist bei einem Auto die Batterie defekt, trennt der Bordcomputer selbsttätig die Verbindung zur Batterie und stoppt den Wagen, bevor es zu einem Brand kommen kann“, erläutert der Wissenschaftler. „Bei einem Luftschiff aber darf die Elektronik eine defekte Batterie nicht einfach abschalten – sonst wäre das Luftschiff außer Kontrolle und es könnte gegebenenfalls zu einem vielleicht tödlichen Crash kommen“, sagt Lorentz. Daher sorgt eine von seinem Team am Fraunhofer IISB entwickelte Technik dafür, dass bei einer Störung die Entscheidung über das Abschalten oder Weiterbetreiben der Batterie automatisch von der elektronischen Steuerung zu einer Flugleitstelle am Boden übertragen wird. „Dort beurteilt dann ein Mensch die Situation und entscheidet“, betont Lorentz.

Virtueller Flug über den Atlantik

Solche Sicherheitssysteme sind eine Voraussetzung für ein Comeback von Luftschiffen im Flugverkehr. Welches enorme Potenzial für den Klimaschutz die neuen Luftschiff-Technologien entfalten können, haben die Erlanger Forscher im Team um Christoph Pflaum belegt – durch eine theoretische Studie, deren Resultate sie im März 2023 veröffentlich haben. Für die Studie haben die Forscher in Erlangen die Emission von klimaschädlichem CO₂ sowie den Energieverbrauch beim Flug mit einem Solarluftschiff mit den entsprechenden Werten bei einem konventionellen Flugzeug verglichen – auf besonders häufig genutzten Flugrouten: über den Nordatlantik zwischen London und New York sowie zwischen Madrid und der Insel Gran Canaria.

„Wir sind von früheren kommerziellen Passagierluftschiffen wie dem 1937 verunglückten Zeppelin ‚Hindenburg‘ ausgegangen und haben auf dieser Basis ein hypothetisches, elektrisch betriebenes Luftschiff entworfen“, berichtet Pflaum. „Dieses am Rechner generierte Fluggerät hat einen starren Rahmen sowie eine von dünnen und biegsamen Solarzellen überzogene Oberfläche und ein Paket von Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher.“ Der Strom für den elektrischen Antrieb des Luftschiffs soll ausschließlich aus Sonnenlicht erzeugt werden.

Die Größe der Batterien und die Bedeckung der Hülle mit Solarzellen wählten die Forscher so, dass Mittel- und Langstreckenflüge möglich sind. Zur Berechnung der Flugzeiten nutzten sie reale Wetterdaten von 2019 sowie die zeitabhängige Sonneneinstrahlung auf den betrachteten Flugrouten. Reiseroute und Batterienutzung passten die Forscher in der Simulation so an, dass die Flugzeiten möglichst kurz ausfielen. Dann ermittelten sie die Reisezeiten mit Passagieren oder Waren an Bord. „Zudem analysierten wir unter anderem den CO₂-Ausstoß und die Betriebskosten“, erklärt Pflaum.

Nur ein Bruchteil an Emissionen

Das Ergebnis: „Die CO₂-Emissionen eines solar betriebenen Luftschiffs, die nur durch das Aufladen der Batterien vor dem Flug entstehen, betragen je nach Start- und Zielort sowie nach der Art der Nutzung nur 1 bis 5 Prozent der Emissionen eines herkömmlichen Flugzeugs“, sagt der Wissenschaftler, der als Grundlage für die Berechnung den aktuellen Strommix in Deutschland verwendet hat. „Der geschätzte Energieverbrauch pro Kilometer beläuft sich auf gerade einmal 0,5 bis 2,5 Prozent dessen, was ein Jet benötigen würde.“

„Mit Blick auf die Nachhaltigkeit sind Luftschiffe somit ein interessanter Lösungsansatz, da die Reise mit einem innovativen, mit Solarzellen versehenen Luftschiff während des Flugs vollständig emissionsfrei ist“, resümiert der Forscher. Für die Nutzung von Sonnenenergie seien Luftschiffe prädestiniert, da sie auf ihrer Außenhaut riesige Flächen für die Integration von Solarzellen bieten. Hinzu kommt, dass rund zwei Drittel der klimaschädlichen Wirkung des heutigen Luftverkehrs gar nicht durch die CO₂-Emissionen verursacht werden, sondern durch andere Abgase und durch Kondensstreifen, die sich beim Flug mit einem Düsenflugzeug bilden und die Wärmeabstrahlung von der Erde ins All hemmen.

Andere technische Lösungen fehlen

„Eine klimafreundliche Luftfahrt sollte daher während des Flugs jede Art von Emissionen vermeiden“, mahnt Pflaum. „Und das ist mit herkömmlichen Flugzeugen nur schwer zu erreichen – selbst, wenn zum Antrieb statt Kerosin und Verbrennungstriebwerken mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen genutzt werden.“ Für Langstreckenflüge existiere derzeit keine technische Lösung. Zum Starten eines klassischen Großraumjets müssten die Brennstoffzellen extrem stark sein. Zudem ist der Energieverbrauch auf langen Strecke enorm, und im Jet ist kein Platz für ausreichend große Wasserstofftanks. Ein Luftschiff bietet dafür genug Raum. Und wegen des Auftriebs durch das Traggas benötigt es beim Start keinen starken Schub aus Brennstoffzellen.

Wie ein Langstreckenflug per Luftschiff und ganz ohne fossile Brennstoffe gelingen kann, will ein Team von französischen Forschern und Entwicklern demonstrieren – mit der Umrundung der Erde an Bord des „Solar Airship One“. An der Technik für dieses Luftschiff haben die Pioniere des Start-up-Unternehmens Euro Airship aus Pau in Südwestfrankreich mehr als zehn Jahre lang gefeilt. Nun haben sie mit seinem Bau begonnen. Das Luftschiff soll über 150 Meter lang und mit 53 Millionen Liter Helium gefüllt sein. Angetrieben wird es elektrisch: tagsüber durch Strom aus Solarmodulen auf seiner Hülle, nachts durch Brennstoffzellen. Wird der dafür mitgeführte Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt, fliegt das Luftschiff ohne Klimagasemissionen. 2026 soll es zur großen Tour abheben.

Den aktuellen Größenrekord bei Luftschiffen hält der „Pathfinder 1“, den die kalifornische Firma LTA Research and Exploration (das Kürzel LTA steht für „Lighter than Air“) aus Mountain View im Silicon Valley entwickelt hat. Das federleichte Flugschiff misst vom Bug bis zum Heck etwa 125 Meter. Damit übertrifft es alle anderen derzeitigen Luftschiffe – ist aber nur halb so groß wie die beiden größten je gebauten Luftschiffe. Eines davon war der 1936 in Dienst gestellte Zeppelin LZ 129 „Hindenburg“, der am 6. Mai 1937 bei der Landung in Lakehurst bei New Jersey in Flammen aufging.

Die neuen Luftschiffe aus Kalifornien werden mit einem Elektromotor ausgestattet sein und sollen künftig zudem über Solarzellen für die Energiegewinnung verfügen. Als Anwendung hat die Firma LTA unter anderem Einsätze zur Versorgung von Menschen in Krisengebieten oder nach einer Naturkatastrophe wie einem Erdbeben im Visier. Ähnliche Anwendungsperspektiven sieht das französische Unternehmen Flying Whales aus Suresnes bei Paris, das mit „LCA60T“ ebenfalls ein solar-elektrisch betriebenes Luftschiff entwickelt.

Doch auch für die Passagierluftfahrt bieten die neuen Luftschiff-Technologien eine Perspektive. So will das britische Unternehmen Hybrid Air Vehicles dem Schattendasein von Luftschiffen ein Ende bereiten. Die Forscher und Ingenieure der Firma mit Sitz bei London arbeiten an hybriden Luftschiffen für den zivilen Flugverkehr. Nach anfänglichen Schwierigkeiten zahlt sich das inzwischen aus: Der schwedische Reiseveranstalter Ocean Sky Cruises will den 92 Meter langen und 42 Meter breiten Airlander 10, der Platz für 48 Passagiere bietet, bald für „Luftkreuzfahrten“ zum Nordpol nutzen. Und die spanische Fluggesellschaft Air Nostrum hat zehn Exemplare des Luftschiffs bestellt, die sie ab 2026 im Flugverkehr über Spanien einsetzen will. Betrieben werden die Hybridluftschiffe zunächst per Dieselmotor, künftig aber wohl durch einen Elektroantrieb.

Für Christoph Pflaum weist das in die richtige Richtung. „Elektrische Luftschiffe sind extrem leise und bieten Passagieren mehr Freiraum als ein Flugzeug oder Zug“, sagt er. Zudem gebe es immer mehr Menschen, die wegen des Klimawandels nicht mehr mit klassischen Jets fliegen wollten. Der Erlanger Forscher sieht daher einen großen Markt für einen Güter- und Personentransport mit Luftschiffen und ist fest von deren Rückkehr überzeugt – wenn die technische Entwicklung weiter vorangetrieben und gefördert wird. „Ich gehe davon aus, dass sich solche Investitionen rentieren“, meint Pflaum. „Denn innovative Luftschiffe mit Solarzellen sind eine machbare Technologie, die sehr klimafreundlich ist und vergleichsweise wenig Energie verbraucht.