Das Lebensziel des als “Schneider von Ulm” bekanntgewordenen Fliegerpioniers Albrecht Ludwig Berblinger war ein Flug mit selbstgebauten Flügeln, mit denen er wie ein Vogel fliegen wollte. Doch er landete in der Donau – unter dem Spott der Ulmer Bürger. Das war im Jahre 1811. Seine Idee lebte weiter, und heute trägt ein Wettbewerb der Stadt Ulm seinen Namen: Im Turnus von zwei Jahren wird für “Innovationen auf dem Gebiet der allgemeinen Luftfahrt” der in der internationalen Fachwelt hoch anerkannte Berblinger-Preis vergeben. 1996 war ein “praxistauglicher Solar-Motorsegler” gefordert, der selbständig startet, allein mit Sonnenenergie fliegen und noch einige weitere Anforderungen erfüllen mußte.
Sieger waren die Flugzeugbauer der Universität Stuttgart mit ihrem Solarsegler “Icaré”. Der Name erinnert an Ikarus, den tollkühnen Flieger der griechischen Sage, der bei seiner Flucht vor dem Minotauros mit seinen Vogelarmen der Sonne zu nahe kam. In der Hitze schmolz das Wachs, das die Vogelfedern zusammenhielt – und er stürzte in die Tiefe. Der zweite Teil des Namens bezeichnet den ägyptischen Sonnengott Re – ein Hinweis auf die Quelle für die Energie des Flugzeugs.
Hintergrund und eigentlicher Ursprung des Projektes Icaré war die physikalische Frage: Welche Kräfte sind nötig, um wie ein Vogel in der Luft zu schweben? Sinkgeschwindigkeit, Gewicht und Flügelfläche sind ausschlaggebende Größen bei der Berechnung des Energieaufwands. Doppeltes Gewicht zum Beispiel erfordert 2,83fache Leistung. Deswegen braucht ein Vogel so wenig und ein Jumbo so viel Leistung.
Ein Ergebnis der Rechnungen: Der Mensch wird nie fähig sein, wie ein Vogel zu fliegen. Das liegt hauptsächlich an seiner schlechten “Leichtbau-Qualität”. Unsere Muskelkraft reicht einfach nicht aus, um unseren schweren Körper fliegen zu lassen, auch wenn wir die besten Vogelflügel dafür hätten.
Und wieso schaffen das die Vögel? Erste Überlegungen dazu stammen von dem Ingenieur Otto Lilienthal. Er war ein Meister der Beobachtung. In seinem Buch: “Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst” von 1889 hat er in vielen Zeichnungen festgehalten, wie die Flügel beim Auf- und Abschlag immer leicht gedreht sind: Die Vorderkante eilt etwas voraus. Ebenso machen es Insekten, wie ein Versuch zeigt: Dabei werden auf die Flügel von Heuschrecken winzige Metallspulen geklebt. Im Windkanal beginnen sie zu fliegen, sobald sie einen Luftzug spüren. Bei der Bewegung im Magnetfeld wird in den Spulen Strom induziert, wodurch sich die Flügelbewegung genau messen läßt. Das Ergebnis: Auch bei Heuschrecken kommt der Vortrieb durch ein genau dosiertes Drehen beim Auf- und Abschlag des Flügels zustande.
Um alle Bewegungen und Kräfte im Labor genau studieren zu können, hat Dr. Wolfgang Send am Institut für Aeroelastik der DLR in Göttingen Experimente an einem Rundlaufgerät gemacht, bei dem ein einfaches Vogel- Modell im Kreis fliegt. Ein Motor sorgt für die Schlagbewegung der Flügel. Die Luftkräfte verformen die Flügel elastisch: Es entsteht die von Lilienthal beobachtete Drehung. Das Problem ist, die Kräfte gerade so weit in Drehung umzusetzen, daß ein optimaler Schub entsteht. Vögel können das – eine flugfähige Imitation ist bis heute jedoch nicht gelungen.
Lilienthal hatte einen wichtigen Konstruktionsfehler bei seinen Schlagflügeln gemacht: Statt aus vielen Einzelteilen hätten sie aus einem Stück bestehen müssen. Vom idealen Mechanismus eines Vogelflügels blieb er weit entfernt – auch deswegen gingen seine Schwingenflug-Versuche schief.
Doch angenommen, es gäbe eine ideale Konstruktion – würde man dann nicht doch wie ein Vogel davonfliegen können? Berechnungen haben ergeben, daß für das Fliegen eines 70 Kilogramm schweren Menschen mit einem Flugapparat, der die idealen Eigenschaften von Vogelflügeln hat, eine Leistung von 670 Watt nötig ist. Zum Vergleich: Ein ruhig sitzender Mensch leistet etwa 80 Watt zur Aufrechterhaltung seiner Lebensvorgänge. Bei gemächlichem Gehen beträgt die Leistung etwa 150, bei einem Belastungs-EKG 250 Watt, ein Radsportler leistet 450 Watt, die menschliche Spitzenleistung, zum Beispiel eines 100-Meter-Sprinters, beträgt 650 Watt.
Es fehlt also gar nicht viel, und wir könnten uns mit künstlichen Vogelflügeln in die Lüfte schwingen. Doch das gilt unter idealen Bedingungen – und auch die beste Technik ist immer noch meilenweit entfernt von der optimalen Konstruktion eines echten Vogels.
Erfolgreich war Lilienthal mit seiner Konstruktion von Gleitern – den Vorläufern unserer heutigen Drachenflieger. Er ist über 2000mal damit in die Luft gegangen, bis 300 Meter weit. Doch nach den Gleitern mit starren Flügeln schlug er einen Irrweg ein: Er wollte auch den Antrieb mit den Flügeln realisieren. Hätte er die Erzeugung des Auftriebs von der des Vortriebs getrennt, wäre ihm der Erfolg sicher gewesen, denn geeignete Motoren gab es damals schon. Lilienthal wäre der erste Motorflieger geworden. So aber wurden es die Gebrüder Wright über ein Jahrzehnt später.
Mit schlagenden Flügeln zu fliegen, also mit vereintem Auf- und Vortrieb, bleibt wohl für immer ein Privileg der leichtgebauten Vögel. Wir Schwergewichte müssen beides trennen: Die starren Schwingen sorgen für den Auftrieb, ein Propeller, angetrieben etwa mit den Beinmuskeln, sorgt für den Vortrieb. Dazu gab es viele erfolgreiche Experimente: Mit Flugzeugen von etwa 30 Meter Spannweite in extremer Leichtbauweise, insgesamt rund 32 Kilogramm schwer, hielten sich die Piloten mit Muskelkraft in der Luft.
In seiner Doktorarbeit “Die Auslegung von Flugzeugen mit geringstem Antriebsleistungsbedarf” (Institut für Flugzeugbau, Stuttgart, 1992) hat der Düsseldorfer Peer Frank die theoretischen Grundlagen dazu behandelt, ein Flugzeug nach seinen Plänen gebaut – und wurde bester Europäer in dieser “Disziplin”. Er brauchte ungefähr 250 Watt zum Fliegen, das heißt so viel wie ein Jogger zum Laufen.
Das Solarflugzeug Icaré benötigt etwas über ein Kilowatt, um oben zu bleiben. Dazu mußte es extrem leicht gebaut werden. Prof. Ernst Messerschmid, D1-Astronaut und beim Berblinger-96-Wettbewerb der Stadt Ulm als Jury-Mitglied mit von der Partie: “Das Flugzeug, war geringfügig schwerer geworden als geplant, aber das ist typisch beim Flugzeugbau. Wichtig war, daß es trotzdem flog. Und dafür bekamen die Stuttgarter Ingenieure den Berblinger-Preis.”
Projektleiter Prof. Rudolf Voit-Nitschmann von der Universität Stuttgart ergänzt: “Will man Flugzeuge mit minimalem Antriebsbedarf bauen, ist Solarenergie das, was sich von Natur aus anbietet.” Doch dieses Naturangebot in praxistaugliche Technik umzusetzen, erforderte ein Höchstmaß an technischem Wissen und Können, an High-Tech, Einfallsreichtum und Engagement. So entstand in zweijähriger Entwicklungs- und Bauzeit ein Flugzeug, das neue Maßstäbe im Leichtbau setzte. Die meisten der Anforderungen bewegten sich an der Grenze des Machbaren.
Die Flugzeug-Struktur wiegt nur 165 Kilogramm – die Hälfte eines vergleichbaren Serien-Segelflugzeugs. Icaré hat eine Spannweite von 25 Metern, trägt am Heck einen Elektromotor, der eigens an der Universität Braunschweig entwickelt wurde. Er wiegt zusammen mit Propeller und zugehöriger Elektronik nur 15 Kilogramm. Die Energie zum Starten bis auf 450 Meter Höhe liefern Akkus, danach reicht der Sonnenstrom aus 21 Quadratmetern Solarzellen auf Flügeln und Höhenleitwerk aus, um die Höhe zu halten.
Hinter der Arbeit an Icaré steckt nicht nur der sportliche Ehrgeiz der Forscher, Herausforderungen zu meistern oder Wettbewerbe zu gewinnen. Es geht um mehr: Mit der an diesem Solarflugzeug erprobten Technik will man hochfliegende Forschungsplattformen bauen, die Satelliten und Ballons Konkurrenz machen.
Die Aufgaben reichen von Erd- und Wetterbeobachtungen über Atmosphärenforschung bis zu Messungen zur Ozon- und Treibhaus-Problematik. Zum Beispiel: chemische und physikalische Messungen in der oberen Atmosphäre, Erforschung und Vorhersage von tropischen Stürmen, Wetterdaten-Erfassung, Verteilung von CO2 und Methan, Auswirkung hochfliegender Überschall-Flugzeuge auf die Stratosphäre, Instrumententests für Satelliten, Beobachtung von Vulkanausbrüchen und Großbränden, Relaisstationen und Verbindungen für die Telekommunikation.
Bisher fehlte es an geeigneten Fluggeräten für solche Aufgaben. Ballons erreichen zwar diese Höhen und können auch große Nutzlasten transportieren, sie sind aber den Winden ausgeliefert. “Normale” Flugzeuge kommen kaum 20 Kilometer hoch, und ihre Flugdauer ist durch den Treibstoff-Vorrat begrenzt. Satelliten sind extrem teuer.
In diese Bresche können Solarflugzeuge springen, hochfliegende, unbemannte Forschungsflugzeuge. Tagsüber fliegen sie auf große Höhen und speichern außerdem Solarenergie, die ihnen nachts für einen langsamen Sinkflug zur Verfügung steht.
Das Ziel ist, das Flugzeug immer oben zu lassen, beliebig lange auf einem großen Kreis – Tage, Wochen, vielleicht Monate. Wie theoretische Arbeiten und Icaré gezeigt haben, ist das mit der Fortentwicklung heutiger Technologie erreichbar.
“Unsere Flugzeugbauer sind gerade dabei”, erklärt Ernst Messerschmid, “Modelle für eine solche Forschungs-Plattform am Rechner zu erstellen. Wenn wir heute einen Auftrag dazu bekämen, könnten wir in etwa drei Jahren starten. Dazu müßte es aber auch genügend Interessenten geben, die uns ihre Meßgeräte anvertrauen. Ich hoffe, daß viele Institute von dieser preiswerten Möglichkeit Gebrauch machen werden, die hohe Atmosphäre zu erforschen.”
Wolfram Knapp
