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:

HaJo Wolf / 13.04.2020

@Gudrun Dietzel: “Physik war nie mein Fall, aber bin ich ja auch nie Physikerin geworden.” Merkel ist (angeblich) Dr. der Physik, aber die Physik ist trotzdem nicht ihr Fall, siehe “erneuerbare Energie”. Grundwissen Physik im Gymnasium - bei Merkel (und den Grünen): Fehlanzeige. ... | ... @Hans Hofmann-Reinecke: Ofizielle Antwort der Grünen auf Ihren erhellenden Beitrag: Verwirren Sie uns gefälligst nicht mit Fakten, wir habe unsere Ideologie. ... | ... Solange es keine umweltfreundliche (Herstellung UND Entsorgung), leichte und effektive Speichermöglichkeit für Strom gibt, ist Elektromobilität genauso sinnvoll wie die fernlenkbare Bratkartoffel. Der Schaden, den dieser Unsinn in der deutschen Schlüsselindustrie angerichtet hat, wird zusammen mit dem Lock-down-Schaden irreparabel sein. Das dicke Ende kommt noch. Aber Merkel und ihre linksgrüne Entourage werden keinesfalls zur Verantwortung gezogen werden. Die werden auch Strom haben, wenn Wind und Sonne nicht da sind und die restlichen Stromerzeuger leider nicht genug für das dumme Volk produzieren. Die ignorante Arroganz der herrschenden Klasse (dazu zählen auch Typen wie Musk oder Greta, Schellnhuber, Lesch usw) ist inzwischen genau so wie die der Feudalherrscher im 18. Jahrhundert. “Wenn sie kein Brot haben, sollen sie halt Kuchen essen”- Marie Antoinette fälschlicherweise in den Mund gelegt und zudem falsch übersetzt (Brioche ist kein Brot) malt aber exakt das Bild, das die herrschenden vom Stimm- und Steuerzahlvieh haben. Und das Stimm- und Steuerzahlvieh spielt weiter mit… Wie lange noch? Wann steht das Volk auf?

Günter H. Probst / 13.04.2020

Sie können den e-flyer nur schlecht machen, weil Sie die Erfindung des antigrav (Antigravitations-Schalter) leugnen. Nach Einschalten des antigrav hebt der e-flyer, auch ohne Start- und Landebahn,  bis über die Wolkendecke ab, und dann treiben die Solarzellen den e-flyer voran. Zum Landen wird der antigrav abgeschaltet. Noch einfacher geht e-fliegen, wenn man das Fliegen sein läßt.

Frances Johnson / 13.04.2020

Das ist sehr anschaulich erklärt, herzlichen Dank. Auch die schon vorweggenommenen Einwände sind köstlich.

A.Heinz / 13.04.2020

Ach - natürlich funktionieren E-Flugzeuge ! Die werden von Kobold(en) angetrieben. Hat doch die Obergrüne - die mit Bären immer Böcke schiesst hinreichend erklärt. Wo haben die Kobolde die Energie her? Auch darauf haben die Spitzngrünen längst eine Antwort: Aus den virtuellen Speichern selbstverständlich - fragen sie nur Fr.Dr.Nestle! Sie finden die nicht? Nun, dann ist ja vollkommen klar, dass sie alle nicht genügend gesucht haben. Sie sind aber alle wirklich schwer von Begriff.

B. Schillke / 13.04.2020

@Richard Rosenhain- Wirklich nix verstanden und auch sinnlos zu erklären

Ernst Dinkel / 13.04.2020

Wozu die ganzen sinnlosen Diskussionen? Spätestens wenn Baerböckchen ihren Kobold auspackt, kann der A380 voll-elektrifiziert werden. Noch Fragen, ihr Dilettanten?

A.Heinz / 13.04.2020

Ach - natürlich funktionieren E-Flugzeuge ! Die werden von Kobold(en) angetrieben. Hat doch die Obergrüne - die mit Bären immer Böcke schiesst hinreichend erklärt. Wo haben die Kobolde die Energie her? Auch darauf haben die Spitzngrünen längst eine Antwort: Aus den virtuellen Speichern selbstverständlich - fragen sie nur Fr.Dr.Nestle! Sie finden die nicht? Nun, dann ist ja vollkommen klar, dass sie alle nicht genügend gesucht haben. Sie sind aber alle wirklich schwer von Begriff.

Karla Kuhn / 13.04.2020

J. P. Neumann, Ihr Kommentar erinnert mich an die begnadete Digitalisierungs Staatsministerin Dorothee Bär. Als sie gefragt wurde, was sie denn für Kompetenzen für das Amt mitbringt -soll sie gesagt haben, konnte ich so lesen, sie habe schon immer gerne Videofilme gesehen !  Wenn das stimmt, dann wundert mich bei so einer “Koryphäe” nichts mehr. Die “legendären Flugtaxen” wurden doch auch von ihr vorgestellt, 600 kg wiegt der Akku, VIER Personen sollten darin Platz finden aber keiner darf mehr als 85 kg wiegen. WO sie landen sollten war genauso unklar, wie WO sie abfliegen sollten! Jedenfalls sollten sie die völlig überlasteten Straßen von München entlasten !!  WIE VIEL solche Dinger müßten dann in die Luft gehen ? Tausende ?? Mich würde aber brennend interessoeren, WIE VIELE Millionen STEUERGELDER mit diesen Dingern in den Sand gesetzt wurden ? Scheuer ist Verkehrsminister ( WIESO DARF DER MANN IMMER NOCH MITMISCHEN ??), hat er das mal veröffentlicht ??  Der TRANSRAPID, den MP STOIBER fovorisiert hatte, wurde genauso lächerlich gemacht, wie Stoiber , dabei wäre das DIE Lösung für eine wirklich schnelle Flughafenverbindung gewesen und nach Erfolg, hätte man ihn auch für viele andere Strecken einsetzen können. NUN haben die CHINESEN ihn nachgebaut !  Wie sagte doch Marc Friedrichs so schön ?? INKOMPETENZ ZIEHT INKOMPETENZ AN ?? Da sind Sie auf dem Holzweg Herr Kleinophorst, die BERÜHMTESTE Physikerin und Chemikerin war MARIE CURIE, eine gebürtige Polin, die sogar zwei Nobelpreise erhalten hat, ihr Mann nur einen ! Sie sollten nicht Birnen mit Äpfeln vergleichen !

E Ekat / 13.04.2020

Hier versucht es ein Fachmann mit einer Unterlegung von Fakten, (ich ahne anhand der Angaben, wie und wo ich diesen einsortieren darf, B737, Beech A36). Fakten spielen heutzutage keine Rolle. Man lasse sich nicht in die Irre leiten dadurch, daß eine promovierte Physikerin an der Spitze unserer Republik steht. Ein Pilot muß sich allerdings Fakten stellen. Schon für viele Wissenschaftler gilt das nicht, weil diese garnicht mehr wissen, was Wissenschaft ist. Hingegen jene, die es noch wissen halten den Mund. Für all jene, die sich etwas auskennen ist dies ein schöner Artikel. Vielen Dank dafür. Die anderen freuen sich darauf, das Universum zu besiedeln. Träumen muß ebenfalls möglich sein. Aber die Träumer haben eine Diktatur errichtet.

Uwe Heinz / 13.04.2020

@ Herr Kunze: Ich weiß nicht, ob Sie diesen Satz erfunden haben, aber ich habe Ihn mir aufgeschrieben und werde dafür sorgen, ihn durch häufigen Gebrauch zum Kulturgut zu machen!

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