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

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Christa Born / 13.04.2020

Naturgesetze sind halt einfach nur doof! Sie haben keinen Humor und sie lassen sich nicht durch Gebete oder Wünsche oder Tänze oder Beschwörungen beeindrucken. Deshalb mögen viele die Physik halt nicht, gerade eben wir Frauen. Sie sind einfach typisch männlich. Wäre die Physik ein wenig toleranter, ich meine flexibler, ein wenig weniger stur, dann würden wir sie auch mehr mögen, die Naturgesetze. Aber so? Nein, ich lehne sie ab! Für mich kommen sie nicht in Frage!

Alex Müller / 13.04.2020

Richard Feynman hat es nach der Explosion des Space Shuttle auf den Punkt gebracht: “For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for Nature cannot be fooled”. Elektrisch fliegen könnte man ggf aber trotzdem, mithilfe der am Boden eher sinnlos teuren Brennstoffzellen-Technologie. Ob man damit aufgrund des eher schlechten Gesamtwirkungsgrades am Ende günstiger kommt, ist allerdings eine noch zu klärende Frage. Interessant ist in dem Zusammenhang auch der Disput zwischen der Zeitschrift Aerokurier und dem Müncher Startup Lilium, die sich anschicken, das Tesla der Lüfte zu werden.

CZECH ALEX / 13.04.2020

Leute freut euch! Wir kriegen jetzt plötzlich E-Flugzeuge geschenkt und der Himmel färbt sich dann endlich Rautengrün. Was die grünen Rautenengel mit zu uns bringen, ist wertvoller als Gold. Also ich kenne kein Volk (darf man noch sagen) auf diesen Planeten, dass seit 2015 mit so vielen Gnaden beschenkt wurde, wie die schon länger hier lebende Spezies

B. Klebelsberg / 13.04.2020

Warum so negativ, so wenig hoffnungsvoll ?  Modellflugzeuge sind schon lange mit Li Akkus unterwegs. Und man kann da auch kleine Legofigürchen reinsetzen. Bei mir sitzen da Altmaiers ,Merkels, Habecks und Baerbocks und weitere Pfeifen drin. Ich lass die immer 5 Minuten fliegen bis zum Absturz. Muss man doch nur hochskalieren, dann kann man die in Echt reinsetzen.

A. Kaltenhauser / 13.04.2020

Es ist die Mühe nicht wert, die Problematik eines E-Fluges detailliert auszuarbeiten. Er kann/wird so nicht funktionieren und die Verfechter werden trotzdem (wie) immer noch Ausflüchte finden. Airbus will in etwa 20 Jahren zumindest ein Hybridmodell entwickelt haben. Vor mehr als 30 Jahren habe ich eine BEAVER geflogen und auch die größere Otter, als Wasser-/Amphibienflugzeug. Auch Nischenprodukte wie eine “Diesel”-Cessna und einen mit VW-Motor angetriebenen Kleinsthubschrauber. Es wurde schon immer viel versucht. Nur das Wenigste setzte sich durch, obwohl hier zumindest eine techische Machbarkeit bestand ...

Daniel Oehler / 13.04.2020

Immer diese bösen Realisten, die den visionären Glauben der Jünger der Energiewende mit Fakten zerstören wollen. Mir kommen die Krokodilstränen. Akkus sind schwer. Und bei der Luftfahrt muss man Gewicht sparen. In der nicht so guten alten Zeit wurden die Passagiere vor dem Flug gewogen. Solange keine leichten Energiespeicher in Kombination mit leichten Elektromotoren zur Verfügung stehen, fliegen elektrische Flugzeuge nur in den Träumen aus Wolkenkuckucksheim. Ein weiterer Unfug im Sektor Elektromobilität sind Oberleitungen auf Autobahnen für E-LKWs. Oberleitungen funktionieren am besten da, wo die Fahrzeuge mit Schienen spurgeführt sind. Straßenfahrzeuge mit Oberleitung gibt es in Form von Trolleybussen.  Die hat man überall in Deutschland abgeschafft, weil die Fahrzeuge teuer sind und die Höchstgeschwindigkeit technologisch bedingt zu niedrig ist. Bei schneller Fahrt würden die Stromabnehmer der E-Busse bei der nächsten Unebenheit von der Leitung fliegen. Vorteil des E-Motors sind: kein Getriebe notwendig, sehr hohe Drehzahl, beim Bremsen arbeitet der Motor als Generator und speist Strom in die Oberleitung. Kurz: ideal für Bahnen, aber auf der Straße und in der Luft derzeit nicht zu gebrauchen

Ulla Schneider / 13.04.2020

Wundervoll, ich lerne Physik. Danke! Noch was. Erinnern Sie sich an Colani? Der Strömungsfachmann? Ach was haben sie über den gelacht. So genial, nichts für Deutschland. Deswegen ging auch er fort. Ich habe in den 70ern nach Councilman Leistungskurse Schwimmen und Schwimmunterricht gegeben. Councilman hatte, bezügl.  der Strömungslehre im Wasser ein tolles Buch herausgegeben. Auch da ging es um die Form der Hand, der Arme und Beine. Spannend war das Erfolgserlebnis meiner damaligen Jungens (Jungengymnasium). Beim Ausprobieren im Windkananal stellten sie fest, dass die Finger etwas geöffnet sein müssen ( Wirbelbildung zwischen den Fingern). Somit war der Widerstand grösser und man konnte das Wasser besser weg schaufeln. Gleichzeitig war für den Armbereich und Beinbereich der Widerstand kleiner zu halten, damit man wie ein Delphin durchs Wasser schoss. Armbewegung beim Brustschwimmen nach unten ziehen in Form eines Herzens, Beinschlag schmaler. Bei Freistil ebenfalls. Den Armzug unterhalb des Wassers dicht am Körper lassen. USW. Ja,ja, meine Jungens konnten das schon 75 und- einige waren dicht an den Deutschen Meisterschaften.Heute seh ich davon nichts mehr, ausser im allgemeinen Leistungstraining für Meisterschaften.  Das hat jetzt nichts mit batteriebetriebenen Flugzeugen zu tun. Aber wenn die das schon nicht einmal mehr wissen, dann gut Nacht…...

Richard Rosenhain / 13.04.2020

@ B. Schillke: Ich habe Sie sehr gut verstanden. Sie wissen nicht, was ein Parameter ist und dass man damit keinen Wirkungszusammenhang beschreiben kann und werfen anderen vor, dass sie ungebildet seien. Was gibt es daran nicht zu verstehen?

Johannes Schumann / 13.04.2020

Abgesehen davon, dass Batterien einfach zu schwer sind, sind Batterien auch nicht so schnell geladen wie ein Kerosintank. Für 100000 kWh in einer 2 Stunden aufladen, was ja schon zu viel Zeit ist, müssen 50000 kW über die Leitung. Wie soll das gehen? 1000 V angelegen, dann braucht man 50 kA, um auf die genannte Leistung zu kommen. Oder man entwickelt. 50 kV-Anschlüsse, dann braucht man immer noch 1000 Ampere.  Das Kabel möchte ich sehen, das 1000 Ampere überträgt. Über den Daumen gepeilt, dürften das ca. 500 mm² Durchschnittsfläche sein, also ein Kabel von 25cm Durchmesser. Die Rohstoffpreise wären auch enorm und dann noch das Gewicht. Man bräuchte wieder Maschinen, die so ein Kabel auch noch anstöpseln. Und 50 kV sind ja Hochspannung und lebensgefährlich. Wie geschrieben: Wenn man wirklich 2 Stunden das Flugzeug am Boden halten will. Das Gate wird man nicht so lange blockieren wollen. Will man draußen und nicht am Gate die Strombetankung machen, muss man sehr viel Kabel verlegen.

Charles Brûler / 13.04.2020

Das wird schon gut gehen. Wie bei der Energiewende. Einfach mal anfangen. Dann sehen wir weiter

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