Elektrische und solarbetriebene Luftschiffe für einen klimafreundlichen Luftverkehr - Transforming Economies

Prof. Dr. Christoph PflaumFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Die Luftfahrt hat einen steigenden Anteil an der Erzeugung klimaschädlicher Emissionen. Aus diesem Grund ist die Entwicklung klimafreundlicher Techniken in der Luftfahrt in naher Zukunft dringend geboten.

Aktuelle Forschungsarbeiten der Arbeitsgruppe von Prof. Pflaum an der FAU zusammen mit Prof. Jocher an der TUM zeigen, wie emissionsfreies Fliegen mit Luftschiffen möglich ist und wie schnell der Transport von Gütern und Personen mit innovativen Luftschiffen wäre.

Luftschiffe für einen klimafreundlichen Luftverkehr

Als technische Grundlage diente ein vollstarres Luftschiff in der Größe der LZ129, R101 oder der USS Akron, welche vor etwa 90 Jahren in Deutschland, England und den USA gebaut wurden. Die USS Akron wurde dabei mit nicht brennbarem Helium betrieben und transportierte auf einer Fahrt sogar mehr als 200 Personen.

Innovativ wäre die Verwendung von extrem leichten, effizienten, flexiblen Solarzellen und Lithium-Ionen-Batterien, wie sie zurzeit in Elektroautos verwendet werden. Die zugehörigen Technologien wurden erst in den letzten 15 Jahren entwickelt.

In der diesjährigen Veröffentlichung wird zum Beispiel dargestellt, dass der Flug eines solchen Luftschiffes im Wesentlichen zwei Tage von New York nach London und drei Tage von London nach New York brauchen würde.

Für den Transport der meisten Güter wäre dies eine völlig ausreichende Flugzeit. Aber auch für den Personentransport wäre ein solcher Flug stark kompetitiv zu einem Flug mit klassischen Flugzeugen.

Der Grund hierfür ist, dass elektrische Luftschiffe extrem leise sind und sogar deutlich mehr Platz pro Person zur Verfügung stellen als ein Flugzeug oder ein Zug. Zum Beispiel enthielt das Luftschiff LZ129 bequeme Schlafkabinen und großzügige Aufenthaltsräume. Das Luftschiff R101 enthielt einen komfortablen zweistöckigen Speisesaal.

Luftschiffe: keine Emissionen während des Fluges

Entscheidend ist der Vergleich des Energieverbrauchs und des CO₂-Ausstoßes eines elektrischen Luftschiffes mit Solarzellen zu einem Flugzeug mit herkömmlichen Technologien.  Es konnte gezeigt werden, dass während des Fluges eines innovativen Luftschiffes keine klimaschädlichen Gase entstehen.

CO₂ entsteht nur indirekt dadurch, dass die Batterien des Luftschiffes vor dem Start aufgeladen werden müssen.

• Die CO₂ Emissionen betragen nur zwischen ein und fünf Prozent von denen eines herkömmlichen Flugzeuges.
• Aus ökonomischer Sicht ist wichtig, dass die Treibstoffkosten nur 0.25 bis 2.5 Prozent von denen eines Strahlflugzeuges betragen.

Die genauen Werte hängen davon ab, on man einen Mittelstecken oder Langstreckenflug betrachtet und ob es sich um einen Personen oder Gütertransport handelt. Zum Beispiel könnte man bei einem Mittelstreckenflug wesentlich mehr Personen transportieren als bei einem Langstreckenflug, da bei einem Flug über Nacht Schlafkabinen und mehr Nahrungsmittel benötigt werden.

Angenommen wurde daher der Transport von 100 Personen beim Langstreckenflug und 200 Personen beim Mittelstreckenflug.

Landverbrauch der Luftschiffe

Als ein Argument gegen Luftschiffe wurde in der Vergangenheit oft die Größe eines Luftschiffes angegeben. Ein Luftschiff mit einer Länge von 245 Metern und einer Höhe von 45 Metern macht auf jeden Fall einen wesentlich größeren Eindruck als ein Flugzeug, auch wenn dieses wegen seiner Flügel breiter ist.  

Daher wurde in der Veröffentlichung auch der potentielle Landverbrauch von Luftschíffen untersucht. Gezeigt hat sich, dass der Landverbrauch der Luftschiffe beim Parken nicht größer ist als der von Zügen mit weitreichenden Gleiskörpern. Der entscheidende Unterschied ist jedoch, dass der Parkplatz von Luftschiffen im Wesentlichen Grasland sein kann.

Aus ökologischer Sicht kann der Landverbrauch von Luftschiffen daher nicht als problematisch eingeschätzt werden.

Flugzeit von Luftschiffen

Für eine heutige Anwendung von elektrischen Luftschiffen mit Solarzellen ist die Abschätzung der Flugzeit von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund wurden geeignete Algorithmen entwickelt, die eine optimale Flugroute und optimale Lade- und Entladezyklen der mitgeführten Batterie berechnen.

Die dadurch minimierte Flugzeit wurde abhängig von realen Winddaten zu unterschiedlichen Jahreszeiten berechnet. Dabei wurde auch der genaue Einstrahlwinkel des Sonnenlichts, abhängig von der Tageszeit und die Ausrichtung des Luftschiffes, entsprechend seiner Flugrichtung berücksichtigt.

Die zugehörigen Ergebnisse wurden veröffentlicht und zeigen zum Beispiel, dass ein Flug mit nur einer Übernachtung innerhalb von zwei Tagen von New York nach London möglich ist. Des Weiteren zeigen die Berechnungen, dass technisch auf jeden Fall eine Luftfahrt möglich ist, die mindestens so klimafreundlich ist wie der Transport durch Züge.

Dieses klimafreundliche Verhalten von Luftschiffen hängt mit der effizienten Nutzung von Solarenergie zusammen. Auf Grund der extrem großen Oberfläche eines Luftschiffes können Solarzellen von einer Fläche bis zu 13.000 Quadratmeter direkt auf das Luftschiff installiert werden. Die gewonnene Energie braucht danach nicht über lange Strecken transportiert werden, was zu zusätzlichen Kosten führt. Stattdessen wird die gewonnene Energie direkt in elektrisch angetriebenen Propellern genutzt oder für einen Nachtflug in einer mitgeführten Batterie gespeichert.

Klimafreundliche Luftschiffe werden bereits gebaut

Für einen zukunftsorientierten und klimafreundlichen Luftverkehr ist Entwicklung innovativer Luftschiffe in naher Zukunft notwendig.  Einen wichtigen Beitrag hierfür liefern die aktuellen Forschungsarbeiten der Firma LTA Research in den USA, welche vom Google-Mitgründer Sergey Brin finanziert wird. Diese Firma baut eine Serie von vollstarren Luftschiffen von 80 bis 180 Metern Länge (Pathfinder 1 bis Pathfinder 3).

Während die Flugeigenschaften von Pathfinder 2 in Kalifornien gerade getestet werden, wird schon das längste dieser drei Luftschiffe in Ohio gebaut. LTA Research ist jedoch nicht das einzige Unternehmen, welches wieder vollstarre Luftschiffe wie vor 90 Jahren baut. Ein weiteres Unternehmen ist Flying Whales aus Frankreich.

Die Anwendung dieser Luftschiffe sind vielfältig. Möglich ist der Transport von schweren Lasten, der Transport von Gütern wie Früchten zu oder von entlegenen Orten oder natürlich allgemein ein klimafreundlicher Transport mit Hilfe einer direkten Nutzung von Sonnenenergie. 

Die technische Entwicklung von elektrischen Luftschiffen und deren Anwendungen werden Ende September 2023 auf der Tagung International Conference On Electric Airships in Nürnberg diskutiert. Also in einer Stadt, in der schon 1909 Graf Zeppelin mit seinem Luftschiff auf dem heutigen Zeppelinfeld landete.

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