Historischer Jungfernflug: Zum ersten Mal ist ein Flugzeug mit einem Antrieb ohne Propeller oder Düsen geflogen – eine Weltpremiere. Denn das unbemannte Ultraleichtgefährt wird vom Ionenwind angetrieben – einer durch Elektroden erzeugten Ionisierung der Luft. Diese Antriebstechnik galt bisher als zu ineffektiv und schwach, der Jungfernflug widerlegt dies nun. Zwar wiegt der Prototyp nur wenige Kilogramm, aber der erfolgreiche Test könnte nun Wege zu einer Weiterentwicklung dieser Technik eröffnen.
Mit den ersten Gleitflügen von Otto Lilienthal vor gut 120 Jahren eroberte der Mensch zum ersten Mal den Luftraum. Wenig später absolvierten Flugpioniere wie die Gebrüder Wright und Gustav Weißkopf die ersten Motorflüge. Heute ist die Luftfahrt längst Alltag. Doch ob Düsenjet, Elektroflugzeug oder die solargetriebene Solar Impulse 2: Allen gemeinsam ist, dass sie von beweglichen Bauteilen angetrieben werden – Propellern, Rotoren oder Turbinen.
„Star Trek“ lieferte die Inspiration
Doch jetzt hat sich erstmals ein Flugzeug in die Lüfte erhoben, das keinerlei bewegliche Bauteile besitzt – und komplett lautlos fliegt. Beim Jungfernflug legte der Prototyp mit fünf Metern Flügelspannweite und rund 2,5 Kilogramm Gewicht problemlos 60 Meter zurück – mehr Platz war in der Flughalle nicht. „Das ist der allererste Motorflug eines Flugzeugs ohne bewegliche Teile im Antriebssystem“, sagt Projektleiter Steven Barrett vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Die Inspiration zu diesem ungewöhnlichen Flugobjekt lieferten dem Forscher die Raumfähren in der Science-Fiction-Serie „Star Trek“. „Ich dachte mir, es müsste doch möglich sein, Flugzeuge zu bauen, die keine Propeller oder Turbinen haben“, so Barrett. „Stattdessen sollten sie wie diese Shuttles lautlos gleiten, angetrieben von einem bläulichen Leuchten.“
Schub durch einen ionisierten Luftstrom
Doch wie macht man aus Science-Fiction Wirklichkeit? Möglich wurde dies mit einer Antriebstechnologie, die schon in den 1920er Jahren erdacht worden ist, dem sogenannten elektroaerodynamischen Schub oder auch Ionenwind. Bei diesem werden die Gasteilchen der Luft durch eine positive Elektrode am Flügelvorderrand ionisiert. Beim Prototyp besteht sie aus mehreren horizontal gespannten Drähten.
Diese geladenen Luftteilchen werden von einer negativen Elektrode am Hinterrand des Flügels angezogen. Weil die Ionen auf ihrem Weg zudem mit weiteren Luftmolekülen kollidieren und ihre Energie dabei weitergeben, entsteht ein Luftstrom – der sogenannte Ionenwind. „Dieser Ionenwind erzeugt eine Schubkraft, die der Richtung des Ionenflusses entgegenwirkt“, erklären die Forscher.
Jungfernflug erfolgreich
„Obwohl es schon eine ganze Reihe von Vorschlägen für Flugzeuge mit elektroaerodynamischem Antrieb gab, ist keines davon je geflogen“, sagen Barrett und seine Kollegen. Einer der Gründe: Bisher galt der Ionenwind-Antrieb als viel zu ineffektiv, um größere Flugobjekte in die Luft zu bringen. Doch die Forscher gaben sich damit nicht zufrieden und nutzten eine computergestützte Optimierungsmethode, um ein flugfähiges Ionenwind-Gefährt zu entwickeln.
Mit Erfolg: Beim Jungfernflug in einer großen Halle flog ihr Prototyp in rund eineinhalb Metern Höhe rund 60 Meter weit – mehr Platz war in der Sporthalle nicht. „Wegen des begrenzten Platzes mussten wir ein Bungee-Seilsystem nutzen, um das Flugzeug innerhalb von nur fünf Metern bis auf fünf Meter pro Sekunde zu bringen“, berichten die Forscher. Dann aber setzte der Effekt des Ionenwind-Antriebs ein, der Prototyp stieg selbstständig weiter in die Höhe und flog mit knapp fünf Meter pro Sekunde weiter.
Optimierungen nötig – und machbar
Noch sind das Ionenwind-Flugzeug und sein Antrieb nicht sonderlich effektiv, wie auch Barrett einräumt. „Uns ging es ja erst einmal darum zu beweisen, dass ein Ionenwind-Flugzeug überhaupt fliegen kann“, so der Forscher. Vor allem die Umwandlung der elektrischen Energie in Schub müsse noch deutlich optimiert werden. Bisher bekommt der Prototyp den nötigen Strom aus Lithium-Akkus von 600 Watt Leistung, die mithilfe eines Hochspannungskonverters 40.000 Volt Spannung erzeugen.
Von dieser elektrischen Energie werden aber bisher nur rund 2,5 Prozent in Schub umgesetzt. Das aber liege auch daran, dass der Prototyp noch nicht die optimale Flügelspannweite habe. „Flugzeuge mit einer Effizienz von fünf Prozent sind auch mit der aktuellen Technologie leicht machbar“, so Barrett und sein Team. Ihre Modellrechnungen legen zudem nahe, dass sich der Wirkungsgrad solcher Ionenwind-Antriebe mit steigender Geschwindigkeit stark erhöht: Bei einem Flugtempo von 300 Metern pro Sekunde läge er bereits bei 50 Prozent.
Weg zu leiseren und umweltfreundlicheren Flugzeugen
„Diese Technologie eröffnet uns neue und noch unerforschte Möglichkeiten für Flugzeuge, die leiser und dank fehlender beweglicher Teile auch mechanisch einfacher sind“, sagt Barrett. „Hinzu kommt, dass sie keine Verbrennungs-Emissionen ausstoßen.“ In naher Zukunft sehen die Forscher erste Anwendungen des Ionenwinds vor allem bei Drohnen. Später jedoch könnte dieser Antrieb auch bei großen Passagier- und Frachtmaschinen zum Einsatz kommen. Kombiniert mit herkömmlichen Antrieben könnte der Ionenwind dann den Treibstoffverbrauch dieser Flugzeuge deutlich senken.
„Noch ist es ein weiter Weg bis dahin“, sagt Barrett. Er und sein Team wollen nun erstmal die Effizienz ihres Ionenwind-Flugzeugs weiter steigern. Außerdem arbeiten sie an Designs, bei denen die Elektroden in den Flügel eingelassen sind – das soll die Sicherheit und Aerodynamik verbessern. „Wichtig ist, dass wir jetzt wissen, dass diese Art des Antriebs machbar ist“, so der Forscher. (Nature, 21018; doi: 10.1038/s41586-018-0707-9)
(Massachusetts Institute of Technology, 22.11.2018 – NPO)
