Wie Flugzeugtriebwerke in 20 bis 30 Jahren aussehen, weiß momentan keiner so genau. Sicher ist nur, dass die ehrgeizigen Ziele des Strategiepapiers "Flightpath 2050" der EU-Kommission und der Luftfahrtindustrie mit den heutigen Antrieben und Flugzeugkonfigurationen kaum erreichbar sind. 2050 sollen die Kohlenstoffdioxid-Emissionen im Vergleich zu typischen Flugzeugen aus dem Referenzjahr 2000 pro Passagierkilometer um 75 Prozent gesunken sein, der Stickoxid-Ausstoß um 90 Prozent und der wahrgenommene Lärmpegel um 65 Prozent.
Luftfahrt mit CO2-neutralem Wachstum
Politik und Industrie untersuchen deshalb auch ungewöhnliche Wege, um der Luftfahrt ein CO2-neutrales Wachstum zu ermöglichen. Rein elektrisch, da sind sich Forschung und Industrie größtenteils einig, werden Verkehrsflugzeuge innerhalb der nächsten 30 Jahre sehr wahrscheinlich nicht fliegen können. Die Energiedichte von Batterien im Vergleich zu Kerosin ist noch viel zu gering.
Hybrid-elektrische Antriebe als Zwischenlösung
Zumindest als Zwischenlösung wären hybrid-elektrische Antriebe denkbar. Die Kombination aus Gasturbinen und elektrischen Motoren könnte hinsichtlich Reichweite, Nutzlast und Flexibilität mit heutigen Triebwerken vergleichbare Werte bieten. Allerdings sind viele Fragen ungeklärt: Wie lassen sich die Nachteile des höheren Gewichts kompensieren? Inwieweit verbessern verteilte elektrische Antriebe die Aerodynamik? Wie müsste ein dazu passendes Flugzeug aussehen? Kurzum: Wie viel Treibstoff würden hybrid-elektrisch angetriebene Flugzeuge tatsächlich einsparen?
IMOTHEP und FUTPRINT50
Zwei europäische Forschungsprojekte beschäftigen sich seit Anfang des Jahres mit dem Potenzial und der technischen Machbarkeit hybrid-elektrischer Antriebe: IMOTHEP (Investigation and Maturation of Technologies for Hybrid Electric Propulsion, auf Deutsch: Untersuchung und Ausreifung von Technologien für hybrid-elektrische Antriebe) und FUTPRINT50 (Future Propulsion and Integration: Towards a Hybrid Electric 50-Seat Regional Aircraft, auf Deutsch: Künftige Antriebe und Integration: In Richtung eines hybrid-elektrischen 50- sitzigen Regionalflugzeugs). Die Projekte werden im Rahmen des EU-Förderprogramms Horizon 2020 finanziell unterstützt.
Luftfahrtforschungsorganisation ONERA
Ziel von IMOTHEP ist es, einen industrieübergreifenden Technologie-Fahrplan für die Entwicklung hybrid-elektrischer Antriebe für die kommerzielle Luftfahrt zu erstellen. Geleitet wird das Projekt von der französischen Luftfahrtforschungsorganisation ONERA. Beteiligt sind 33 Unternehmen, Institute und Hochschulen, darunter die großen europäischen Luftfahrzeughersteller Airbus und Leonardo, Triebwerkshersteller wie Safran und MTU Aero Engines, aber auch die renommierte französische Ingenieurshochschule Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace in Toulouse, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Universität Braunschweig. Partner sind zudem Forschungseinrichtungen aus Kanada und Russland, zum Beispiel das Zentrale Aerohydrodynamische Institut (ZAGI).
Konfigurationen für Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge
Nach Angaben der ONERA ist das Kernelement von IMOTHEP eine Untersuchung entsprechender Antriebsstränge in Verbindung mit neuartigen Flugzeugarchitekturen. Der Fokus liegt dabei auf Konfigurationen für Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge. Dabei sollen die Leistungsdaten und der Treibstoffverbrauch modelliert und mit konventionellen Flugzeugen und Technologien verglichen werden, die die Forscher für das Jahr 2035 extrapolieren. Untersucht werden sollen auch die für die Entwicklung hybrid-elektrischer Antriebe nötigen Infrastrukturen und Software-Werkzeuge sowie der Bedarf an Technologiedemonstratoren und regulatorischen Veränderungen. Das auf vier Jahre angelegte Projekt erhält 10,4 Millionen Euro von der EU.
Hybrid-elektrisches Regionalflugzeug
Ergänzend dazu beschäftigt sich FUTPRINT50 mit einem hybrid-elektrischen Regionalflugzeug, das zwischen 2035 und 2040 in Dienst gestellt werden könnte. Mit einer Kapazität von 50 Sitzen entspricht es von der Größe her einer Embraer 145. Das Projekt legt den Fokus auf Schlüsseltechnologien für hybrid-elektrische Antriebsstränge: die Energieerzeugung und -speicherung sowie das Wärmemanagement.
Geringere Infrastrukturkosten als mit Bahn oder Auto
Wie bei IMOTHEP sollen aber auch hier der Antrieb und die Integration in ein neues Flugzeugdesign ganzheitlich untersucht werden. Hybrid-elektrische Regionalflugzeuge könnten nach Angaben des Projektteams neue, flexible Routen zwischen kleineren Städten ermöglichen, und zwar zu geringeren Infrastrukturkosten als mit Bahn oder Auto. Der brasilianische Flugzeughersteller Embraer gehört zu den 13 Partnern des Projekts, das von der Universität Stuttgart koordiniert wird. FUTPRINT50 läuft bis Ende 2022 und erhält EU-Gelder in Höhe von 4,7 Millionen Euro.
Hürden für hybrid-elektrisches Fliegen
Wie Antriebe von Verkehrsflugzeugen in 20 bis 30 Jahren aussehen, werden IMOTHEP und FUTPRINT50 zwar nicht klären können. Aber zumindest werden die beiden Projekte dazu beitragen, vorhandene technologische Ansätze und bestehende Hürden für hybrid-elektrisches Fliegen zu identifizieren.
