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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Georg Dobler / 13.04.2020

Das mit dem gleichbleibenden Gewicht der Batterien von Start bis Landung dürfte sich noch als Haupthindernis erweisen. Wir wissen doch, dass Flugzeuge, die nach dem Start ein Problem feststellen und zum Flughafen zurückkehren, vor der Landung gewaltige Mengen Kerosin ablassen müssen weil das Flugzeug und die Fahrwerke eine Landung bei vollem Treibstoffgewicht nicht aushalten würden. Das heisst ein elektrisches Flugzeug müsste von Beginn an auf “Landungsgewicht” konzipiert werden, was das Ganze erst nach einer revolutionären Reduzierung des Batteriengewichtes realistisch erscheinen lässt. Die Batterien dürfen nur soviel wiegen wie ein kleiner Teil der Füllmenge der bisherigen Kerosintanks. Also sehr wenig.

Karsten Dörre / 13.04.2020

Hier kann ich dem Autor folgende Denkaufgabe geben. Was ist der Motor technischer Fortschritte? Auswahlantworten: Die erfolgreiche Nutzung für… A Ideologie, B Politik, C Militär. Wenn man die richtige Antwort weiß, geht auch ein Licht auf, welchen Stellenwert Elektroantrieb hat und in Zukunft haben wird.

Steffen Huebner / 13.04.2020

Sehr anschauliche Beschreibung des Unsinns, welcher auch unter unser aller rotgrüner Oberphysikerin auch in Deutschland verzapft wird. Es hatte sicher seinen Grund, wenn man statt in der Forschung auf dem Abstellgleis einer FDJ- Funktionärin landet - Schadensverhütung?

B. Schillke / 13.04.2020

Das es Naturgesetze gibt, daß kann man den grünversiften Gutmenschen nicht beibringen. Für diese Leute sind Gesetze nur dazu da gebrochen zu werden. Das führen sie uns ja täglich auch vor! Daß man aber Naturgesetze nicht brechen/umgehen kann, begreifen die nicht. Vielleicht sollte man in Zukunft nicht von Naturgesetzen sprechen, sondern von Naturparametern. Ach so ich vergaß, das ist den bildungsfernen, gehirgelähmten Gutmenschen ja nicht zu vermittel, was Parameter sind. Bestimmt habe sie das Wort ja auch noch nie gehört.

Emmanuel Precht / 13.04.2020

HA! In jedem der Flügel stecken 200 B-Bock-Kobolde. Das ist nachhaltig und schaltet auch jede Flugphysik ab. Mit 400 BBK kann man 20 Stunden fliegen. BBKs sind völlig frei von Gewicht und bei korrekter Platzierung liefern sie 51,51% an Eigenauftrieb. Das größte Problem ist die Landung weil der Flieger so ausgestattet einen Auftriebsbeiwert von fast 8 aufweist und Wirbelschleppen völlig abgeschaltet bleiben. Zur Reynolds-Zahl sind bislang keine Erkenntnisse vorhanden, da müssen noch Forschungen angestellt werden, was die Freigabe von weiteren Forschungsmillionen erfordert. @ C.Meier: Froh ist wer Kolm und/oder Wallach hat. Ich bin froh! Wohlan…

Dr, Inge Frigge-Hagemann / 13.04.2020

In Zeiten, in denen MINT-Fächer sowohl in Schulen wie in Hochschulen zugunsten von ‘Geschwätzwissenschaften’  eher unbeliebt sind, ist diese ideologische Denk- und Handlungsweise nicht verwunderlich - eben “grün und dumm”.

Wolfgang Sauer / 13.04.2020

Sehr gut zusammengefasst Herr @EugenRichter. In den frühen 80er Jahren hatte ich bei der damaligen Firma BBC ( eine der Vorgängerfirmen der heutigen ABB) in Heidelberg für die Entwicklung von Batterien für eAutos beworben, welche kurz vor dem Durchbruch ständen! Zum Glück bin ich dann woanders gelandet. Aber anscheinend ist auch damals schon eine kompetente Ingenieurfirma dem politischen Wunschdenken auf den Leim gegangen. Batterien ( nicht Akkus ) mit ca. 1500 km Reichweite fur PKW oder nukleare Akkus mit quasi unendlicher Reichweite könnten tatsächlich irgendwann den Durchbruch bringen, aber das dauert sicher noch etwas.

Wolfgang Nirada / 13.04.2020

Ein so intelligentes Volk das selbst dann noch ein freundliches Gesicht macht wenn Rente, Währung, Ersparnisse, Zukunft seiner Kinder, die innere Sicherheit den Bach runter gehen, das jubelnd am Bahnsteig steht und IS-Schlächter, Vergewaltiger, Messermänner und arbeitsscheue Analphabeten das Land fluten, das Miris, Remmos und Domplattengrabscher viel viel netter als AfD-Wähler findet, das bei einem Anruf des “Enkels” (komischerweise mit rumänischen Akzent - egal!) eine Plastiktüte mit jedem gewünschten Betrag vor die Tür hängt oder aus dem Fenster wirft, das sich seine Politiker strikt nach dem höchsten Peinlichkeitsfaktor erwählt - so ein Volk bestellt sich demnächst auch ein Flugtaxi und singt beim Warten: “2x3=4 Widdewiddewitt trallalla und hoppsassa…” Unter Garantie!!!

Helmut Driesel / 13.04.2020

  Korrekterweise wäre noch anzumerken gewesen, dass man fairerweise nur Propellermaschinen vergleichen kann. Und da wäre es nützlich, zu wissen, ob und wieviel Gewicht durch den Umstieg von Kerosin auf Elektro motorseitig eingespart werden kann. Das braucht seine Zeit, aber rentable Kurzstreckenflüge sind bestimmt in 10 Jahren machbar. Es ist keine elegante Sache, sich permanent an der Physik hochzuziehen und gleichzeitig die Fortschritte in den Laboren klein zu reden. In der Raumfahrt wird beabsichtigt, alle Verkabelung durch Breitbandtechnik zu ersetzen (wie beim Internet) und die elektrische Energie wird direkt in den tragenden Strukturen gespeichert. Die ersten solchen Dinger sollen in fünf Jahren fliegen. Und da sind ja auch noch die geheimen amerikanischen Militärlabors, die bisher noch jedes Problem gelöst haben. Man sollte da nicht so pessimistisch sein. Eine ganz andere Frage ist es, ob und zu welchen Zwecken überhaupt geflogen werden muss. Gibt es sinnhaltige Gründe, in einem halben Tag um die halbe Erde zu düsen? Außer weil man es kann?

Rudhart. M. H. / 13.04.2020

Nicht schlecht, wenn Sie jetzt noch Ihr verdammtes Denglish durch die urdeutschen Begriffe , die es seit Otto L. dafür gibt, ersetzten , wäre es allerdings noch besser. Lift und Drag - ich schmeiß mich weg !

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