E-Flugzeuge: Von wegen Energiewende am Himmel

Beim Kampf gegen den Erzfeind CO2 werden bekanntlich E-Autos diskutiert, gefordert und gefördert, und es gibt wohl keinen deutschen Autokonzern, der nicht so etwas im Portfolio hätte. Das Publikum aber hält sich noch zurück. Es traut dem Frieden und den Versprechungen nicht ganz. Und auch der von der Deutschen Post für seine Auslieferungen eingesetzte elektrische Streetscooter hat die Erwartungen als strategische Geheimwaffe gegen den Verbrennungsmotor nicht erfüllt.

Dennoch bleibt es nicht aus, dass man nun auch im Himmel, so wie auf Erden, den E-Antrieb fordert. Politiker und brave Journalisten lassen sich mit E-Planes ablichten und künden ein neues Zeitalter für den Luftverkehr an.

Zuhauf finden wir Überschriften wie diese:Why the age of electric flight is finally upon us“ (Deutsch: „Warum endlich das Zeitalter der E-Flüge anbricht“, Anm. d. Red.), BBC News.

Ich schlage vor, wir schauen uns das mal an.

Der Preis des Auftriebs

Wenn Sie als Kind den Arm aus dem Autofenster gestreckt haben, dann spürten Sie den Druck des Fahrtwinds. Das funktioniert übrigens auch bei Erwachsenen, die jung geblieben sind. Je nachdem, wie die Hand gedreht wird, wirkt da eine Kraft nach oben oder nach unten, auf jeden Fall aber nach hinten. Die nach oben, auch „Lift“ genannt, ist nützlich für die Fliegerei, damit können wir Maschinen fliegen lassen, die schwerer sind als Luft. Die Kraft nach hinten stört uns, weil sie das Flugzeug abbremst. Sie heißt „Drag“.

Die Tragflächen an einem Flieger will man nun so gestalten, dass sie möglichst viel Lift bei wenig Drag produzieren, mit anderen Worten, man will das Verhältnis Lift / Drag (L:D) so groß wie möglich machen. Darüber haben die Ingenieure viel nachgedacht und herausgefunden, dass dieses L:D umso besser wird, je länger man den Flügel macht und je kürzer das Maß von Vorder- zur Hinterkante der Tragfläche ist, genannt „Sehne“.

Bei Segelflugzeugen finden wir extrem lange Tragflächen mit ganz kurzen Sehnen. Das gibt ein optimales L:D, bis zu Zahlen von 40 oder 50. So ein Segelflieger sinkt bei ruhiger Luft gerade mal einen Meter und kommt 50 Meter voran. Aus guten Gründen haben Motorflugzeuge nicht so schlanke Flügel, aber man kommt dennoch auf ein L:D zwischen 10 und 20. Dabei wird der Drag natürlich nicht nur von den Tragflächen geliefert, sondern auch von Rumpf und Zubehör. Letzteres kann durch glatte, aerodynamische Formen stark gemindert werden – so wie bei Ihrem Sportwagen.

Ein Helikopter, dessen Tragflächen sich nicht geradeaus bewegen, sondern im Kreis, hat ein L:D von 4–5; in dieser Kategorie liegen auch die Drohnen. Und der König der Lüfte und Schrecken der Fische, der Albatros, bringt es bei einer Spannweite von 3,5 Metern auf ein rekordverdächtiges L:D von 20. Egal, wie der Flieger angetrieben wird, durch Muskelkraft, elektrischen Strom oder Benzin, und egal, wie wir ihn „streamlinen“, der Drag der Tragflächen wird immer bleiben. Das ist der Preis, den wir für den Lift bezahlen müssen.

Unterwegs in der Boeing 737

Eine volle Boeing 737 wiegt 70 Tonnen und hat ein L:D von 14. Der Luftwiderstand in Flugrichtung entspricht also 70:14 Tonnen = 5 Tonnen. Das sind, als Kraft ausgedrückt, 50.000 Newton. (Die Zahlen, die Sie hier lesen – außer die 737 – sind übrigens nicht auf das Hundertstel genau, aber das tut der ganzen Betrachtung keinen Abbruch. Denken Sie sich vor jeder Zahl immer ein gedrucktes „etwa“. Lieber ungenau und richtig, als genau und falsch.)

Jetzt kommt noch etwas mehr Physik: Um einen Gegenstand mit bestimmter Kraft und Geschwindigkeit zu bewegen, brauchen wir eine bestimmte Leistung = Kraft x Geschwindigkeit. Die Kraft bei unserer B737 wissen wir schon, das sind die 50.000 Newton. Ihre Geschwindigkeit ist 250 m/sec. Multipliziert ergibt das eine Leistung von 12.500 Kilowatt. (Das gilt im Reiseflug. Die Triebwerke der B737 müssen bei Bedarf wesentlich mehr leisten als die oben geforderten 50.000 Newton, etwa bei Start und Steigflug.)

Dafür wollen die Triebwerke gefüttert werden. Auf einen Flug von sechs Stunden nimmt man, einschließlich Reserve, Treibstoff für acht Stunden mit. Dann berechnet sich der an Bord notwendige Energievorrat – sei es Kerosin oder elektrischer Strom – folgendermaßen: 12.500 Kilowatt mal 8 Stunden, das sind genau 100.000 Kilowattstunden. (Tatsächlich braucht man mehr, weil die eingespeiste Energie nicht zu 100 Prozent in Antrieb umgesetzt wird, aber so genau wollen wir das jetzt nicht wissen.)

Batterien: Verdammt schwer

Normalerweise ist das Futter für die Motoren in Form von Kerosin an Bord, aber wir wollen ja jetzt elektrisch fliegen. Bauen wir also Elektromotoren an den Flieger und packen Batterien an Bord. Wie viele?

Eine typische Autobatterie hat 12 Volt Spannung und die Kapazität von 80 Amperestunden. Damit hat sie ziemlich genau eine Kilowattstunde gespeichert. Davon bräuchten wir jetzt nur 100.000 in den Flieger zu stellen und los geht’s. Als verantwortungsvolle Piloten checken wir vor Abflug gerade noch das Gewicht, das wir uns da einladen. Eine Batterie hat so etwa 20 kg, wir packen uns also 100.000 x 20 kg = 2.000 Tonnen Batterien ein. Das passt mit den 70 Tonnen Maximalgewicht unserer 737 nicht so recht zusammen!

Zu recht weisen Sie mich jetzt darauf hin, dass diese schweren Bleibatterien von vorgestern seien, und dass Elon Musk für seinen Tesla eine wesentlich leichtere Lösung gefunden hat. Einverstanden, die bringen aber immer noch 6 Kg pro kWh auf die Waage, also 600 Tonnen für den Betrieb unserer Boeing. Und auch die bringen wir in besagten 70 Tonnen nicht unter.

Sie wenden ein, dass es in der Vergangenheit schon immer unerwartete technische Durchbrüche gab, welche die geheiligten Thesen der Vergangenheit Lügen straften. Mag sein, aber hier wäre es nicht unerwartet, sondern herbeigesehnt. Und da kann man sich die Wartezeit nur damit vertreiben, dass man an inkrementellem Fortschritt arbeitet. Wir müssten aber eine Gewichtsminderung der Batterien um den Faktor 20 erreichen, um mit Kerosin gleichzuziehen. Das hört sich verdammt schwierig an.

Ein elektrischer Biber

Jetzt aber halten Sie mir den ultimativen Trumpf vor die Nase, einen Zeitungsausschnitt von „The Guardian“ vom Dezember 2019. Da steht es schwarz auf weiß:

„… Das E-Flugzeug – ein 62 Jahre alter DHC-2 de Havilland Beaver mit sechs Passagieren, die mit einem 750 PS starken Elektromotor nachgerüstet war – wurde von Greg McDougall, Gründer und Geschäftsführer von Harbour Air, pilotiert. 'Für mich war dieser Flug wie das Fliegen einer Beaver, aber es war eine Beaver voller elektrischer Steroids. Ich musste tatsächlich die Leistung zurückdrehen', sagte er nach der Landung. McDougall hatte das Flugzeug kurz nach Sonnenaufgang auf eine kurze Reise entlang des Fraser River in der Nähe des internationalen Flughafens von Vancouver genommen, vor rund 100 Zuschauern. Laut AFP-Journalisten vor Ort dauerte der Flug weniger als 15 Minuten.“

Ein interessanter Artikel. Aber haben Sie auch den letzten Satz gelesen?

Wie funktioniert das? Der Motor leistet 750PS, das sind circa 560 kW. Die brauchte er aber nur zum Start, dann wurde Leistung zurückgenommen – hat er selber gesagt – auf 60 Prozent. Dann hat er also eine viertel Stunde lang 60 Prozent von 560 kW = 336 kW verbraten, macht circa 84 kWh. Und dann ist er gelandet.

Woher hat er die 84 kWh gehabt? Vielleicht von Freund Musk. Eine Standard Tesla-Batterie wiegt 540 kg und lieferte 85 kWh – dann ist sie leer. Eine halbe Tonne „Sprit“ für 15 Minuten Flug!

Reality Check

War das ein guter „Reality Check“ in Sachen E-Flugzeug?

Ich selbst bin zwar nie eine Beaver geflogen, dafür die Beech Bonanza. Sie ist etwas schlanker und hübscher als die Beaver, und schneller. Die sechssitzige A36 hat einen 220 kW 6-Zylinder Boxermotor, den man auf Strecke mit 60 Prozent Leistung fliegt und dabei pro Stunde 50 Liter Flugbenzin verbrennt. Das sind 0,3 Kilogramm Sprit pro Kilowattstunde im Vergleich zu 6 Kilogramm bei der Tesla-Batterie. Anders ausgedrückt, mit den 540 Kilogramm der Tesla-Batterie als Sprit an Bord könnte man über 10 Stunden unterwegs sein, im Vergleich zu 15 Minuten im E-Beaver – am Fraser River entlang.

Und noch etwas: Mit jeder Stunde Flug wird der Tank der Bonanza um 40 Kilogramm leichter. Die Batterien aber bleiben immer so saumäßig schwer, auch wenn sie ganz leer sind. Elektrisches Fliegen ist ein attraktives Thema für Start-Ups, die mit guter PR Investoren ausfindig machen. Das ist eine realistische Zielsetzung. Die Physik aber lässt sich auch von bester PR nicht beeindrucken. „You cannot fool Nature.“

Dieser Artikel erschien zuerst auf Hans Hofmann-Reineckes Blog Think Again sowie im Buch „Grün und Dumm“.

Foto: Bildarchiv Pieterman

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Leserpost

netiquette:

Heinz Gerhard Schäfer / 13.04.2020

@P.Wedder: Es ginge noch besser: Jedes E-Flugzeug schleppt ein Kabel hinter sich her!

Heinz Gerhard Schäfer / 13.04.2020

@Georg Dobler, @Hans Hofmann-Reinecke: Nach Einsteins E=mc2 ist ein leerer Akku etwas leichter als ein voller Akku! Aber ich will nun mal nicht so pingelig sein…. !

Heinz Gerhard Schäfer / 13.04.2020

Ist doch ganz einfach,- der Bundestag beschließt dann einfach mal ein neues (Natur)-GESETZ.

Ralf Pöhling / 13.04.2020

Zitat:“Elektrisches Fliegen ist ein attraktives Thema für Start-Ups, die mit guter PR Investoren ausfindig machen.” Das ist es. Die gleiche Nummer wie beim E-Auto. Oder auch bei solch Themen, wie etwa der künstlichen Intelligenz. Da hat jemand eine halbgare Idee, ist aber sehr gut darin, Investoren damit den Mund wässrig zu machen. Hatte man im Silicon Valley nebst Umfeld schon immer gut drauf. Allerdings war der Output früher etwas praxistauglicher und nicht so abgehoben wie heute. Früher ging es dort viel öfter um Science und weniger um Science Fiction. Es fehlt heutzutage an Praxistauglichkeit. Denn die ist weder beim E-Auto und schon gar nicht beim E-Flugzeug wirklich gegeben. Was einem spätestens dann offenbar wird, wenn man sich vorstellt, dass auch die Landesverteidigung elektrisch betrieben werden würde. Ein Eurofighter oder eine Leopard Panzer mit Elektroantrieb? Vollkommen undenkbar. Allenfalls für Leute, die in ihrer Jugend zu viel Star Trek oder Star Wars geschaut haben. Captain Kirks Communicator als Inspiration für das Mobiltelefon, geht gerade noch so durch. Aber die Enterprise und das X-Wing als Vorbild für realen Flugverkehr? Da lehnt sich jemand zu weit aus dem Fenster.

Bernhard Idler / 13.04.2020

Beim E-Auto ist es ja nicht viel anders, hohes Gewicht und niedrige Energiedichte, dazu dauert es Stunden zum Nachladen, nicht Minuten wie ein Kraftstofftank mit der vier- bis zehnfachen Reichweite. Und dann die Kosten: Die Akkus eines E-Autos kosten allein mehr als ein normales Auto (und sind alle paar Jahre hinüber wie in unseren Smartphones und Computern). Da ist kaum Handarbeit drin; die sind so teuer, weil sie große Mengen an Rohstoffen und vor allem Energie bei der Herstellung benötigen. Diese Energie wird aber bei der Einstufung als “zero emission” ebensowenig berücksichtigt wie die Erzeugung des Stroms zum Laden (schon gar nicht die Rohstoffe und die Entsorgung des Giftmülls). Ein rein politisches-sozialpädagogisches Projekt; man will die überlegene, efffizientere, auch neuere Technik Verbrennungsmotor verbieten, um die Uralttechnik Batterieauto (war zu Kaisers Zeiten marktführend) durchzusetzen. E-Auto-Befürworter erwarten den Durchbruch immer in ein paar Jahren, wenn das Batteriewunder endlich geschehen ist. Doch sind geringe Energiedichte und die anderen Nachteile der Akkus physikalisch bedingt. Die Physik beugt sich aber nicht den Beschlüssen einer Ethikkommission, besetzt mit Pädagogen und Bischöfen (kein Scherz). Beim Fliegen zeigt sich lediglich die Unterlegenheit der Technik drastischer.

Harald Schierle / 13.04.2020

Vielleicht macht die Hybridlösung Sinn, wobei nur Start und Landung elektrisch geflogen wird, damit wäre immerhin das Lärmproblem gelöst. Dann würde deutlich, wie umweltfreundlich die Fliegerei ist. Wenn ich von Düsseldorf nach München will, muss mir nämlich niemand 600 km Autobahn in die Landschaft bauen oder gar 600 km Bahngleise. Wenn man sich überlegt, wie das die Landschaft kaputt macht…

Richard Rosenhain / 13.04.2020

@ B. Schillke: Ihre einzige Strategie besteht offenbar darin, andere Leute für dumm zu erklären. Dabei gehen Sie auf meine Aussage nicht ein. Es ist schlicht Blödsinn, Naturgesetze als Parameter zu bezeichnen. Offenbar haben Sie nicht den Hauch einer Ahnung, was ein Parameter in einer mathematischen Funktion, mit der man ein Naturgesetz beschreibt, überhaupt IST. Lassen wir es bleiben, es ist vertane Liebesmüh.

Volker Altenähr / 13.04.2020

Das sind doch kleinliche Überlegungen eines engstirnigen Ingenieurs. Ich schlage vor, dass die von Herrn Habeck vorgeschlagenen Coronaräte (vulgo Coronasowjets) sich auch den altmodischen physikalischen Gesetzen zuwenden : Newton ist ja nun wirklich alt und auch Ohm und Ampere ist nun wirklich überholt. Diese Räte sollten mehrheitlich die Gesetze reformieren (“wir sind mehr”). Dann wirds schon klappen mit dem e-Flugzeug.

Achim Kaussen / 13.04.2020

Hallo zusammen, @C.Meier: Gerade im Modellflug hat der E-Antrieb die letzten 15 Jahre alles aufgemischt ... weil er technisch ueberlegen ist, nicht weil es irgendwelche Vorschriften gab. Extrem hohe Leistung, extrem hohe Zuverlaessigkeit, sehr gut regelbar, keine Oelversifften Modelle. Letztes Jahr auf der 3D-Masters (inoffiziele Hubschrauber WM) gab es noch einen einzigen Verbrenner, und da konnte man vor lauter Qualm das Modell kaum noch erkennen. Der Schwachpunkt, kurze Akkulaufzeit, spielt in dieser Sparte keine Rolle. Die Profis brauchen 5 Minuten fuer ihr Programm, und die Normalos fliegen so um die 10-15 Minuten, danach ist der Akku leer und die Konzentration weg. Nach 30 - 80 Zyklen, je nach Nutzung, ist der Akku Sondermuell, Geld spielt aber beim Hobby, speziell in dieser Bereich, keine grosse Rolle. Von der Handhabung her sind LiPo Zellen sicher beherrschbar, sofern man sich an die technischen Standards haelt. Die Horrogeschichten von abgebrannten Wohmobilen durch amoklaufende Akkus stammen aus den Anfaengen, als die Jungs noch nicht so richtig wussten, was sie da taten. Gruss

Dr. Mephisto von Rehmstack / 13.04.2020

Aber dann hat sie doch recht, unsere Redakteurin von der Süddeutschen, Frau Gammelin (ist das Dänisch, dann will ich es lieber nicht übersetzen), wenn sie ihr Unverständnis äußert, warum wir nicht endlich in Speichertechnologie investieren;  das da noch keiner drauf gekommen ist!

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