Elektroflugzeug

Ein elektrisches Flugzeug ist ein Flugzeug, das von Elektromotoren angetrieben wird. Strom kann mit einer Vielzahl von Verfahren geliefert werden, einschließlich Batterien, Erdstromkabeln, Solarzellen, Ultrakondensatoren, Brennstoffzellen und Energiestrahlern.

Elektrisch angetriebene Modellflugzeuge werden seit den 1970er Jahren geflogen, mit einem unbestätigten Bericht bereits 1957. Sie haben sich seitdem zu kleinen batteriebetriebenen unbemannten Luftfahrzeugen oder Drohnen entwickelt, die im einundzwanzigsten Jahrhundert für viele Zwecke weit verbreitet wurden.

Obwohl bemannte Flüge in einem gefesselten Helikopter auf das Jahr 1917 und in Luftschiffe auf das vorige Jahrhundert zurückgehen, wurde der erste bemannte Freiflug mit einem elektrisch angetriebenen Flugzeug erst 1973 gemacht und die meisten bemannten elektrischen Flugzeuge sind heute noch nur experimentelle Demonstranten. Zwischen 2015 und 2016 absolvierte Solar Impulse 2 eine Weltumrundung.

Design
Bisher wurden alle elektrischen Flugzeuge von Elektromotoren angetrieben, die Schub erzeugende Propeller oder Auftrieb erzeugende Rotoren antreiben. Einige der propellergetriebenen Typen waren Luftschiffe.

Die Mechanismen zum Speichern und Liefern der notwendigen Elektrizität variieren beträchtlich und jeder hat bestimmte Vor- und Nachteile. Die verwendeten Mechanismen umfassen:

Batterien können eine signifikante elektrische Ladung behalten, obwohl ihr Gewicht den erreichbaren Bereich immer noch begrenzt.
Stromkabel werden an eine erdverbundene Stromversorgung angeschlossen.
Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Elektrizität um.
Ultrakondensatoren können eine begrenzte Menge an Energie für kurze Hochleistungsanwendungen speichern
Brennstoffzellen sind Batterien ähnlich, aber ziehen ihre Reaktanten von einer externen Quelle.
Mikrowellenenergie wurde von einer bodengestützten Quelle ausgestrahlt.

Batterien
Batterien sind wegen ihrer relativ hohen Kapazität die häufigste Energieträgerkomponente von Elektroflugzeugen. Batterien waren die früheste Quelle der Elektrizität, zuerst Luftschiffe im neunzehnten Jahrhundert antreibend. Diese frühen Batterien waren sehr schwer, und erst als Technologien wie Nickel-Cadmium (NiCd) wiederaufladbare Batterien in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts aufkamen, wurden Batterien zu einer praktikablen Stromquelle. Moderne Batterietypen umfassen Lithium-basierte und eine Reihe anderer, weniger verbreiteter Technologien. Solche Batterien bleiben heute eine beliebte Energiequelle, obwohl sie immer noch eine begrenzte Lebensdauer zwischen den Ladungen und somit eine begrenzte Reichweite haben.

Batterien werden oft auch zur vorübergehenden Speicherung von Strom aus einer anderen Quelle verwendet.

Stromkabel
Ein elektrisches Stromkabel kann mit einer erdbasierten Versorgung, wie einem elektrischen Generator, verbunden sein. In niedrigen Höhen kann dies den Transport von schweren Batterien verhindern und wurde vom experimentellen Hubschrauber PKZ-1 von Petróczy-Kármán-Žurovec aus dem Jahr 1917 verwendet. Ein solches Schiff muss jedoch an einer Bodeneinrichtung befestigt bleiben, und je höher es fliegt, desto schwerer ist das Gewicht von Kabel muss es damit anheben.

Solarzellen
Eine Solarzelle wandelt das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um, entweder zur direkten Stromversorgung oder zur vorübergehenden Speicherung. Die Leistungsabgabe von Solarzellen ist gering, auch wenn viele miteinander verbunden sind, was ihre Verwendung einschränkt und auch teuer ist. Ihre Verwendung von frei verfügbarem Sonnenlicht macht sie jedoch attraktiv für Anwendungen mit großer Höhe und langer Lebensdauer.

Für Langstreckenflüge erfordert das Halten der Maschine in der Luft die ganze Nacht in der Regel ein Backup-Speichersystem, das während der Stunden der Dunkelheit Energie liefert und während des Tages wieder auflädt.

Ultrakondensatoren
Ein Ultrakondensator kann eine begrenzte Menge an Energie für kurze Hochleistungsanwendungen speichern, wie beispielsweise beim Start, aber aufgrund seiner relativ geringen Speicherfähigkeit ist er nicht als primäre Energiequelle geeignet. Sein Vorteil gegenüber einer kleinen Batterie ist die Fähigkeit, bei höheren Spitzenströmen viel schneller zu laden und zu entladen.

Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle nutzt die Reaktion zwischen zwei Flüssigkeiten wie Wasserstoff und Sauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen. Im Gegensatz zu einer Batterie werden die Flüssigkeiten nicht in der Batterie gespeichert, sondern von außen angesaugt. Dies bietet die Aussicht auf eine viel größere Reichweite als Batterien und experimentelle Beispiele sind geflogen, aber die Technologie hat die Produktion noch zu erreichen.

Mikrowellen
Die Energieübertragung von elektromagnetischer Energie wie Mikrowellen, wie bei einem Stromkabel, erfordert eine erdgebundene Stromquelle. Im Vergleich zu einem Stromkabel trägt die Kraftübertragung jedoch viel weniger Gewicht, wenn die Höhe zunimmt. Die Technologie wurde an kleinen Modellen demonstriert, wartet aber auf praktische Entwicklung.

Geschichte

Pioniere
Die Verwendung von Elektrizität für den Antrieb von Flugzeugen wurde erstmals während der Entwicklung des Luftschiffes, das in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts stattfand, erprobt. Am 8. Oktober 1883 flog Gaston Tissandier das erste elektrisch angetriebene Luftschiff. 292 Im folgenden Jahr flogen Charles Renard und Arthur Krebs La France mit einem stärkeren Motor. 306 Sogar mit der anhebenden Kapazität eines Luftschiffes, benötigten die schweren Akkumulatoren die Speicherung der Elektrizität schränkt die Geschwindigkeit und Reichweite solcher frühen Luftschiffe stark ein.

Für eine angebundene Vorrichtung, wie beispielsweise eine Luftbeobachtungsplattform, ist es möglich, den Halteseil hochzufahren. Um eine praktikablere Lösung als die damals verwendeten schwerfälligen Ballons zu schaffen, wurde 1917 der österreichisch-ungarische Elektro-Hubschrauber Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ-1 geflogen. Er hatte eine speziell konstruierte 190 PS (140 kW) Elektromotor von Austro-Daimler und erhielt seine Stromversorgung von einem erdgebundenen Gleichstromgenerator. Allerdings waren die Elektromotoren für solche Anwendungen noch nicht stark genug und der Motor brannte bereits nach wenigen Flügen aus.

Im Jahr 1909 soll ein elektrisches Freiflugmodell acht Minuten geflogen sein, aber dieser Anspruch wurde 1957 vom Erbauer des ersten aufgezeichneten elektrischen ferngesteuerten Modellflugs bestritten. Die Leistungsdichte für den elektrischen Flug ist selbst für kleine Modelle problematisch .

Im Jahr 1964 flog William C. Brown bei Raytheon einen Modellhubschrauber, der die gesamte für den Flug benötigte Leistung durch Mikrowellenenergieübertragung erhielt.

Erste Prototypen
Der Erfolg in einem Flugzeug voller Größe würde nicht erreicht werden, bis Nickel-Cadmium (NiCad) -Batterien entwickelt werden, die ein viel höheres Speicher-Gewichts-Verhältnis als ältere Technologien haben. Fred Militky und Heino Brditschka bauten 1973 einen Brditschka HB-3 Motorsegler zu einem Elektroflugzeug, dem Militky MB-E1, um. Es flog nur 14 Minuten, um als erstes bemanntes Elektroflugzeug aus eigener Kraft zu fliegen.

Nahezu parallel zur NiCad-Technologie entwickelt, wurden Solarzellen auch langsam zu einer praktikablen Stromquelle. Nach einem erfolgreichen Modelltest im Jahr 1974 fand am 29. April 1979 der weltweit erste offizielle Flug in einem solarbetriebenen, bemannten Flugzeug statt. Der Mauro Solar Riser nutzte Photovoltaikzellen, um 350 Watt bei 30 Volt zu liefern. Diese luden eine kleine Batterie auf, die wiederum den Motor antrieb. Die Batterie allein war in der Lage, den Motor nach einer 1,5-stündigen Ladung für 3 bis 5 Minuten anzutreiben, wodurch er eine Gleithöhe erreichte.

Unter der Leitung von Freddie To, einem Architekten und Mitglied des Kremer Preiskomitees, wurde der Solar One von David Williams entworfen und von Solar-Powered Aircraft Developments produziert. Ein Flugzeug vom Typ eines Motorseglers, das ursprünglich als pedalbetriebenes Flugzeug gebaut worden war, um das Überqueren des Kanals zu versuchen, erwies sich als zu schwer, um von Menschenkraft angetrieben zu werden. Dann wurde es mit einem Elektromotor mit aufgeladenen Batterien zu Solarenergie umgebaut vor dem Flug durch eine Solarzellenanordnung auf dem Flügel. Der Erstflug von Solar One fand am 13. Juni 1979 im Lasham Airfield, Hampshire, statt.

Nach einem erfolgreichen, von Menschen betriebenen Flug ermöglichte ein relaunter Kremer-Preis der Crew, Energie vor dem Start zu speichern. In den achtziger Jahren wurde in mehreren solchen Konstruktionen die durch Pedalieren erzeugte Elektrizität gespeichert, einschließlich des Massachusetts Institute of Technology Monarch und der Aerovironment Bionic Bat.

Der von Günther Rochelt entwickelte Mensch Solair 1 flog 1983 mit deutlich verbesserter Leistung. Es verwendete 2499 Flügelsolarzellen.

Das deutsche solarbetriebene Flugzeug „Icaré II“ wurde 1996 vom Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart entworfen und gebaut. Projektleiter und oft Pilot des Flugzeugs ist Rudolf Voit-Nitschmann der Leiter des Instituts. Das Design gewann 1996 den Berblinger-Preis, den EAA-Sonderpreis in Oshkosh, die Goldene Daidalos-Medaille des Deutschen Aeroclubs und den OSTIV-Preis in Frankreich im Jahr 1997.

Unbemannte Luftfahrzeuge
Die Pathfinder