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Elektrischer Antrieb: Unter Spannung

Elektrischer Antrieb Rolls-Royce unter Spannung

Mit der "Spirit of Innovation", einem NXT-Kit-Flugzeug mit hochgezüchtetem Elektroantrieb, hat Rolls-Royce den Geschwindigkeitsrekord für E-Antriebe pulverisiert – und will nun wichtige Erfahrungen für andere Anwendungen sammeln.

Mehr als 500 PS bei einem Leichtgewicht von 1250 Kilogramm maximaler Startmasse: Die "Spirit of Innovation" ist ein Kraftpaket. Ihre lange, zum Himmel strebende Nase beherbergt ein elektrisches Antriebssystem, das es in sich hat. Es besteht aus drei individuell isolierten YASA-750-R-Elektromotoren auf einer Welle mit einer kontinuierlichen Leistung von je 133 Kilowatt, drei unabhängigen Invertern und drei Batteriesystemen mit einer Kapazität von insgesamt 72 Kilowattstunden.

Leistungsstarkes Batteriepaket

Es ist "das leistungsstärkste Batteriepaket, das je für ein Flugzeug gebaut wurde", so Rolls-Royce. Eine Ladung würde nach Angaben des britischen Triebwerksherstellers für einen Flug von London nach Paris reichen. Doch das ist nicht das Ziel. Der von Rolls-Royce, dem britischen Start-up Electroflight und der Mercedes-Benz-Tochter YASA entwickelte elektrische Antrieb liefert die Power für einen neuen Geschwindigkeitsrekord für Elektroflieger in der Klasse über 1000 Kilogramm: 555 km/h. Diesen Wert erreichte die Spirit of Innovation am 16. November. Der bisherige Rekord lag bei vergleichsweise bescheidenen 342,86 km/h. Er war im März 2017 mit einer Extra 300LE von der mittlerweile zu Rolls-Royce gehörenden Elektro- und Hybrid-Luftfahrtantriebssparte von Siemens aufgestellt worden.

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Bei ihrem Erstflug erreichte die „Spirit of Innovation“ 338 km/h bei relativ niedriger Leistung und ausgefahrenem Fahrwerk.

Projekt ACCEL

Seit dem offiziellen Beginn des Projekts ACCEL (Accelerating the Electrification of Flight) im Jahr 2018 mussten die Ingenieure viele Herausforderungen meistern, um ein rekordfähiges E-Flugzeug zu bauen. Die kleinste war wohl die Modifikation des Rennfliegers. Rolls-Royce wählte die NXT unter anderem deshalb, weil sie vor dem Cockpit viel Raum zur Integration des Antriebs- und Batteriesystems bietet. Die Veränderungen an der Zelle halten sich entsprechend im Rahmen: Das Spornradflugzeug erhielt ein einfach entfernbares Heck, um den Transport auf der Straße zu erleichtern, die Nase wurde wegen der Anforderungen an die Kühlung optimiert und die Motorhaube modifiziert.

Batterie mit Flugzeug als Anhängsel

Eine größere, wenn nicht die größte Herausforderung ist das Gewicht: Allein das Batteriesystem bringt 475 Kilogramm auf die Waage, hinzu kommen noch 200 Kilogramm für den 750-V-Hochspannungsantrieb und 175 Kilogramm für zusätzliche Systeme. Unkenrufe behaupten, die "Spirit of Innovation" sei eine fliegende Batterie, an der ein Flugzeug hängt. Damit die NXT die maximale Startmasse nicht überschreitet, musste Testpilot O’Dell zehn Kilogramm abnehmen.

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Drei Elektromotoren und ein 475 Kilogramm schweres Batteriepack stecken unter der Haube der NXT.

Batteriesystem

Für das Batteriesystem packte Electroflight 6000 zylindrische Lithium-Ionen-Zellen von Murata zu 18 Modulen. Es handelt sich um kommerziell verfügbare Zellen, die sich heute vor allem in Dyson-Staubsaugern und Bosch-Powertools finden. Die spezifische Energiedichte auf Zellebene beträgt 235 Wh/kg (zum Vergleich: Jet-A-Kerosin liegt bei 12 000Wh/kg). Jeweils sechs Module bilden einen Kanal, die so entstehenden drei Kanäle sind durch eine Composite-Schicht physikalisch voneinander getrennt. Jeder Kanal ist mit einem der drei Motor-Inverter-Sets verbunden. Rolls-Royce setzt übrigens auf eine Architektur mit drei Elektromotoren, weil nach eigenen Angaben kein einzelner Motor mit den gewünschten Leistungsmerkmalen verfügbar gewesen sei. Dafür habe man mit der jetzigen Lösung den Vorteil der Redundanz.

Ausgeklügelter Schutz gegen Batteriebrand

Das Temperaturmanagement der Batterien ist eine weitere Herausforderung. Dass die Batterien auch bei einer kontinuierlichen, schnellen Entladung (C-Koeffizient 8C) nicht die vom Hersteller empfohlenen Temperaturen überschreiten, dafür sorgt eine komplexe, aktive Flüssigkeitskühlung mit neun separaten Kreisläufen und zwei maßgeschneiderten, mehradrigen Kühlern. Die Zellen eines Batteriemoduls sind auf den zwei Seiten einer nur einen Millimeter dünnen Kühlplatte angebracht. Zulässig ist eine Erwärmung der Batterien um bis zu 80 Grad Celsius. Das Kühlsystem kann auch zur Vorwärmung genutzt werden, um optimale Effizienz vom Start an zu liefern oder um eine schnelle Aufladung zu ermöglichen.

Gehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoffen

Untergebracht ist das Batteriesystem in einem zweiteiligen Gehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Es ist nach Angaben von Electroflight eine der komplexesten Komponenten des Antriebssystems und erfüllt zwei Funktionen: Einerseits ist es Teil der Primärstruktur der Flugzeugzelle, an ihm sind direkt die Motoren angebracht. Andererseits dient es als Schutz im Falle einer Batterie-überhitzung und eines Feuers (thermal runaway). An der Innenseite ist das Gehäuse mit einem nicht näher spezifizierten, brandhemmenden Material versehen. Zudem sorgt ein Ausblassystem für eine inerte Atmosphäre. Tests mit einem skalierten, repräsentativen Submodul haben nach Angaben von Rolls-Royce belegt, dass es einem Feuer zehn Minuten standhält.

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Das britische Start-up Vertical Aerospace setzt für sein eVTOL auf einen elektrischen Antrieb von Rolls-Royce.

Auf absehbare Zeit eine Utopie

Auch wenn elektrische Antriebe gerade für die General Aviation Vorteile haben – beispielsweise eine höhere Effizienz als Verbrennungsmotoren, ein geringeres Gewicht und kein CO2-Ausstoß am Nutzungsort –, so hat das ACCEL-Team doch mit zahlreichen Eigenschaften der Batterien zu kämpfen, die vor allem für ein Hochleistungsflugzeug suboptimal sind. Dazu gehört unter anderem, dass sich die Spannung von Lithium-Ionen-Batterien unter Last verringert und dass bei niedrigeren Ladezuständen nicht die volle Leistung abrufbar ist. Kurzum: Batterien sind weniger effizient, je mehr Energie man ihnen entnimmt. Für große Passagierflugzeuge – ein Feld, in dem Rolls-Royce traditionell tätig ist – bleiben batterieelektrische Antriebe auf absehbare Zeit eine Utopie.

Urbane Luftmobilität

Wozu dann dieser ganze Aufwand? Immerhin investieren die Projektpartner rund sechs Millionen Pfund (sieben Millionen Euro), davon kommen etwa 60 Prozent vom britischen Staat. Es geht darum, die Grenzen dieser Antriebstechnik auszuloten und bereit zu sein, sobald die Batterien besser werden. "Die fortschrittliche Batterie- und Antriebstechnologie, die für dieses Programm entwickelt wurde, bietet spannende Anwendungsmöglichkeiten für den Markt der urbanen Luftmobilität und kann dazu beitragen, dass ‚Jet Zero‘ Realität wird", so Warren East, CEO von Rolls-Royce, nach dem Erstflug der "Spirit of Innovation".

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Rolls-Royce kooperiert mit APUS und Tecnam im Bereich hybrid- elektrischer Antriebe.

Technisch herausfordernde Programme

ACCEL ist nicht das einzige Projekt, mit dem sich Rolls-Royce für den Zukunftsmarkt elektrische Lufttaxis und hybrid-elektrische Zubringer-Flugzeuge fit machen will. Der britische Triebwerkshersteller liefert unter anderem das elektrische Antriebssystem für den pilotengesteuerten Senkrechtstarter von Vertical Aerospace, kooperiert mit Tecnam und Widerøe bei der Entwicklung des vollelektrischen Passagierflug- zeugs P-Volt und mit dem deutschen Luftfahrtentwicklungsbetrieb APUbeim Bau eines hybrid-elektrischen Flug- Demonstrators auf der Basis einer M250-Hubschrauberturbine. Technisch herausfordernd sind auch diese Programme. Aber immerhin sollen sie keinen Weltrekord brechen.

Technische Daten

E-NXT "Spirit of Innovation”

Zelle: Modifiziertes Kit-Flugzeug Sharp Nemesis NXT
Besatzung: 1
Länge: 7 m
Spannweite: 7,3 m
Antrieb: 3 x YASA-750-R-Elektromotor mit insgesamt 400 kW Dauerleistung (750 kW Spitzenleistung), Li-Ion-Batteriesystem mit 72 kWh
Max. Startmasse: 1250 kg
Reichweite: 290 km
Höchstgeschw.: > 480 km/h
Erstflug: 15. September 2021

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