Mit der Sonne die Erde umrunden

Nach dem gelungenen 26-Stunden-Flug im letzten Sommer will Solar Impulse als weltweit erstes bemanntes Solarflugzeug, das sich auch über Nacht in der Luft halten kann, zum Flug rund um den Globus aufbrechen. Bertrand Piccard und André Borschberg wollen damit nicht nur die Öffentlichkeit für die Förderung erneuerbarer Energien sensibilisieren, sondern auch ein Zeichen setzen für eine konsequente Energieeffizienz. Ein technischer Blick hinter die Verschalung des erfolgreichen Prototyps HB-SIA und auf die nächsten Etappen.

Entstanden ist die Idee von Solar Impulse 1999 und zwar am Ende von Bertrand Piccards drittem und schliesslich erfolgreichem Versuch, die Erde im Ballon zu umrunden. Als er zusammen mit seinem Co-Pilot Brian Jones nach knapp 20 Tagen und 45755 Kilometern in der Breitling Orbiter 3 auf ägyptischem Boden landete, blieben von den beim Start in Château-d’Oex zugeladenen 3,7 Tonnen Propan gerade noch 40 Kilogramm übrig. Die Abhängigkeit von diesem fossilen Energieträger wurde damit in der Endphase der Mission besonders augenfällig. Aus diesem Grund versprach sich Bertrand Piccard, den Globus ein weiteres Mal zu umrunden – jedoch völlig ohne Treibstoff und ohne Schadstoffemissionen.

Nach einer ermutigenden Machbarkeitstudie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) gab Bertrand Piccard im November 2003 sein jüngstes Vorhaben öffentlich bekannt und im Juni 2004 gründete er zusammen mit seinem Projektpartner André Borschberg die Solar Impulse SA. Weitere grosse Meilensteine waren bisher der Jungfernflug des ersten Prototyps HB-SIA im Frühling 2010 sowie der erste Nachtflug im vergangenen Sommer.

Im Tagesverlauf steigen und sinken
Wer das Flugzeug elegant durch die Lüfte fliegen sieht, gerät leicht in Versuchung anzunehmen, der Flieger könne problemlos unendlich lange der Sonne folgen. Doch dem ist nicht so. Damit das Solarflugzeug sich über 24 Stunden mit Sonnenergie selber antreiben kann, müssen fundamentale Voraussetzungen erfüllt sein. Neben guten meteorologischen Bedingungen gehört dazu insbesondere das Einhalten eines klar vorgegebenen Tagesablaufs: Im Normalfall erzeugen die Solarzellen knapp eine Stunde nach Sonnenaufgang genügend Strom, damit das Flugzeug – bereits seit dem Vortag oder länger in der Luft – mit seinem Steigflug und dem Wiederaufladen der Batterien beginnen kann. Bis am Nachmittag wird das Flugzeug auf 8000 bis 9000 Meter steigen und seine Akkumulatoren vollständig laden. Sobald die Sonne untergeht, schaltet der Pilot die Motoren aus und geht in den Gleitflug über. Dank seiner gewaltigen Spannweite von gut 63 Metern und dem tiefen Gewicht verfügt das Flugzeug über ausgezeichnete Gleiteigenschaften. Mit einer Gleitzahl von 35 sinkt es während der Nacht bis auf ungefähr 1500 m ü. M. Nun startet der Pilot die Motoren wieder und hält mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 70 km/h die Flughöhe bis zum erneuten Sonnenaufgang.

Radikale Gewichtsoptimierung
Die grösste Herausforderung für das Entwicklungsteam stellte zweifellos die Gewichtslimite dar. Trotz seiner gigantischen Spannweite, die gleich gross ist wie die eines Airbus A340, wiegt der Prototyp HB-SIA nicht mehr als 1600 Kilogramm. Gefragt waren deshalb bisher unerreichte konstruktive und aerodynamische Eigenschaften. Zwar griff Solar Impulse bei vielen Komponenten auf Produkte aus industrieller Herstellung zurück, doch sämtliche Einzelteile wurden in den eigenen Labors und Werkstätten einer rigorosen Gewichtsoptimierung unterzogen. Abgesehen vom Rumpf und den Tragflächen galt dies insbesondere auch für die Solarzellen, die Batterien, die Motoren sowie die Technik zur Navigation und Kommunikation. In vielen Fällen wurde in enger Zusammenarbeit mit den Herstellern geprüft, wie bei jedem einzelnen Komponenten unnötige Elemente weggelassen und Funktionen vereinfacht werden konnten. Damit ist Solar Impulse nicht nur ein Innovationstreiber erneuerbarer Energien, sondern auch ein mustergültiges Projekt für Energieeffizienz.

Die Flügel als aerodynamische Solaranlage
Für die Energieversorgung setzt Solar Impulse auf monokristalline Silizium-Rückseitenkontakt-Solarzellen von Sunpower. Das US-amerikanische Unternehmen ist ein führender Hersteller von Solarzellen und hat bereits 2001 das unbemannte Solarflugzeug Helios der Nasa ausgerüstet. Insgesamt sind 11628 einzelne Solarzellen installiert worden: 10748 auf dem Flügel und 880 auf dem horizontalen Stabilisator. Daraus ergibt sich eine Fläche von 216 Quadratmeter. Die pseudoquadratischen Solarzellen haben eine Kantenlänge von 12,5 Zentimeter, sind durchschnittlich 145 Mikrometer dick und erreichen einen Wirkungsgrad von 22 Prozent. Pro Quadratmeter erzeugen sie bis zu 1000 Watt, über 24 Stunden sind es im Durchschnitt 250 Watt. Gesteuert werden sie mit Hilfe eines MPP-Trackers der Sputnik Engineering AG. Auf der HB-SIA sind momentan acht leicht unterschiedliche Modelle von Solarzellen eingebaut, damit sich die beste Variante eruieren lässt. Noch effizienter als die verwendeten Solarzellen wären solche aus Galliumarsenid, wie sie in der Raumfahrt oft eingesetzt werden. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent, doch sind sie zu schwer für das Solarflugzeug.

Da die Solarzellen fest mit dem Flügel verklebt sind und sich somit seinem aerodynamischen Profil anpassen, strahlt die Sonne nie gleichzeitig alle Zellen im optimalen Einstrahlungswinkel an. Die Stärke der Einstrahlung variiert nicht nur nach Sonnenstand, sondern auch aufgrund der Fluglage. Für längere Strecken ist es deshalb möglich, dass sich die Flugroute nach dem Sonnenstand richten muss.

Gewichtige Energiespeicher
Zur Zwischenspeicherung der Solarenergie verwendet Solar Impulse vier Lithium-Polymer-Batterien. Sie bestehen aus je 70 Akkumulatoren, wiegen je 100 Kilogramm und verfügen über eine Energiedichte von 240 Wh/kg. Sie alleine sorgen also bereits für einen Viertel des Gesamtgewichts. Die Batterien hängen zusammen mit den Motoren in isolierten Gondeln unterhalb der Flügel. So wird nicht nur ihr Gewicht gut verteilt, sondern auch die eigene Abwärme sowie die der Motoren gezielt dazu genutzt, die Temperatur der äusserst empfindlichen Batterien möglichst konstant zu halten. Ein Steuersystem sorgt zudem dafür, dass die Akkumulatoren jeweils alle gleichzeitig geladen werden und Beschädigungen durch Überladen, Tiefentladen oder zu hohe Ströme unter allen Umständen verhindert werden können.

Zuverlässiger Antrieb mit 6 kW
Den Antrieb des Flugzeugs stellen vier bürstenlose Elektromotoren des Neuenburger Unternehmens ETEL sicher. Anstelle des sonst für die Stromwendung üblichen mechanischen Kommutators mit Bürsten ist somit zwar eine zusätzliche elektronische Schaltung notwendig. Dafür sind die bürstenlosen Elektromotoren sehr zuverlässig, verzeichnen kaum Abnützung und haben einen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Bei Solar Impulse leisten sie maximal 4000 Umdrehungen pro Minute. Ein Getriebe begrenzt die Drehzahl der Propeller auf höchstens 400 Umdrehungen pro Minute und erhöht die Kraftübertragung. Die Flugzeugmotoren erzeugen im Durchschnitt eine Leistung von 6 kW bzw. 8 PS, was über die gesamte Antriebskette gerechnet einem Wirkungsgrad von 12 Prozent entspricht.

Da die Propeller der HB-SIA im Vergleich zu solchen gewöhnlicher Propellerflugzeuge sehr langsam drehen, mussten die Ingenieure für die zwei Propellerblätter ein spezielles Profil entwickeln. Entstanden sind schliesslich vier Propeller aus Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 3,5 Metern. Hergestellt hat sie die Decision SA. Die Firma hat bereits beim Bau der Segelyacht Alinghi mit der EPFL zusammengearbeitet und auch Bauteile für den Rumpf sowie die Flügel der HB-SIA hergestellt.

Ständiger Kontakt zum Boden
Aufgrund der Leichtigkeit sowie der empfindlichen Beschaffenheit des Flugzeugs muss der Pilot während des Flugs jegliche meteorologischen Störungen wie Wolkenfelder, Turbulenzen und Gewitter vermeiden. Damit er das Flugzeug jederzeit stabil in der Luft und auf Kurs halten kann, stehen ihm an Bord eine Reihe von Instrumenten zur Verfügung: zwei elektronische Fluginstrumentensysteme (EFIS), zwei Computer zur Energieregelung (Solarzellen, Batterien, Motoren), ein mit einem GPS gekoppelten Funkgerät, ein Geschwindigkeits- und Höhenmesser, ein Kompass und eine in Zusammenarbeit mit Omega entwickelte LED-Anzeige zur Kontrolle des Seitenneigungswinkels sowie der Flugrichtung.

Für die geplanten Flüge über längere Strecken im Ausland soll künftig eine zusätzliche Kommunikationslösung zur Verfügung stehen, mit der der Pilot einen ständigen Kontakt zur Crew am Boden aufrechterhalten kann. Über sie soll er Sprechverbindungen aufbauen, Videos streamen und Wetterbilder empfangen können. Ebenfalls über diese Leitung werden regelmässig mehr als 100 Messwerte ins Kontrollzentrum übermittelt. Von den Motorentemperaturen über die Spannung der Akkumulatoren bis hin zur Position des Flugzeugs sowie seine Rotation um die Längs-, Quer- und Vertikalachse.

5 statt über 20 Kilogramm für die Kommunikation
Da kein bestehendes Produkt einen solchen Informationsaustausch zwischen Flugzeug und Boden sicherstellen kann, engagiert sich Swisscom als Telekommunikationspartner und entwickelt momentan eine entsprechende Kommunikationslösung. Das Team von Swisscom Innovations arbeitet seit einem Jahr mit sieben Personen an einem System, das höchstens fünf Kilogramm wiegen darf. Verfügbare Lösungen mit einem weit geringeren Funktionsumfang liegen bei über zwanzig Kilogramm. Weitere Anforderungen sind ein durchschnittlicher Strombedarf von nicht mehr als 50 Watt, während Datentransfers maximal 100 Watt. Alle im Cockpit montierten Komponenten müssen Temperaturen bis minus 10 Grad Celsius standhalten, ausserhalb der Kabine angebrachte Teile sogar solchen bis minus 40 Grad Celsius. Erschwerend kommt hinzu, dass der Luftruck auf 8000 bis 9000 m ü. M. ungefähr noch einem Drittel des Luftdrucks auf Meereshöhe entspricht. Bei elektronischen Bauteilen, die nicht speziell für die Luftfahrt zertifiziert sind, besteht deshalb die Gefahr, dass Lufteinschlüsse expandieren und zu Beschädigungen führen.

Für die Datenübertragung haben sich die Entwickler von Swisscom für das satellitengestützte Breitbandnetzwerk von Inmarsat entschieden. Alle anderen Anbieter können entweder keine globale Abdeckung sicherstellen oder verfügen wie Iridium nur über geringe Bandbreiten. Mit dem Service Swift Broadband von Inmarsat sind bis zu 432 kbit/s möglich. Doch weil dazu eine vier Kilogramm schwere Antenne nötig wäre, muss sich Solar Impulse mit einer theoretischen Datenübertragungsrate von 332 kbit/s begnügen. Effektiv werden es bis zu 300 kbit/s sein.

Kürzlich eingetroffen im Prüflabor von Swisscom in Ostermundigen ist die weltweit leichteste Kommunikationseinheit für Swift Broadband von der südafrikanischen Firma Cobham Satcom. Sie wiegt in der Originalversion sieben bis acht Kilogramm. Für Solar Impulse wurde das Produkt weiter abgespeckt, zum Beispiel durch den Verzicht auf gewisse Schnittstellen. Nun wiegt die Einheit mit Antenne, Verstärker und Modem noch rund vier Kilogramm. Hinzu kommen 800 Gramm für das Display mit einer Auflösung von 1024 x 768 Pixel (Extended VGA), die CPU, den Flashspeicher und die Tastatur. Weitere 50 Gramm wiegen die Webcam und die selber entwickelte Telefonsteuerung mit Headset-Anschluss für Sprachverbindungen. Sämtliche Komponenten werden in den eigenen Labors von Swisscom ausgedehnten Temperatur-, Luftdruck- und Strahlungstests unterzogen. Dabei ausgeschieden sind Geräte wie der Amazon Kindle, ein Subnotebook oder auch ein Mini-Monitor zur Montage am Helm des Piloten. Momentan feilen die Entwickler von Swisscom unter Hochdruck an letzten technischen Details. Denn Mitte März soll die Kommunikationslösung fertig sein und in die HB-SIA eingebaut werden. Ab Mai folgen voraussichtlich erste internationale Flüge, wo Solar Impulse auf die neue Kommunikationslösung angewiesen sein wird.

Noch effizienter, noch längere Strecken
Während die HB-SIA im Frühjahr also erstmals über die Schweizer Grenze hinausfliegt, arbeiten die Ingenieure von Solar Impulse intensiv an der Entwicklung eines neuen Modells, mit dem in Zukunft mehrtägige Flugeinsätze, die Überquerung des Atlantiks und schliesslich auch die Weltumrundung in Angriff genommen werden soll. Für dieses zweite Flugzeug, die HB-SIB, rechnen die Entwickler mit noch dünneren Solarzellen. Erwartet wird eine Stärke von 100 bis 110 Mikrometer. Zudem wird sich ihr Wirkungsgrad noch steigern lassen. Weitere Verbesserungen sind auch bei den Batterien absehbar. Neben der Optimierung bisheriger Komponenten erwägt das Team von Bertrand Piccard und André Borschberg auch noch einen grossen Schritt in eine andere Richtung: Wenn das Flugzeug tagsüber sogar auf 12000 Meter steigen könnte, wären die meteorologischen Einflüsse kleiner und die Luftströme stabiler. So könnte das Flugzeug längere Strecken auf einmal fliegen. Ebenfalls die Reichweite erhöhen würde ein zweiter Pilot an Bord. Beide Varianten sind jedoch mit beträchtlichen Herausforderungen verbunden. Für den Flug auf über 10000 Meter wäre eine Druckkabine nötig und nicht nur eine Sauerstoffversorgung wie bisher. Zusammen mit einem zweiten Piloten würde dies zu einer beträchtlichen Gewichtserhöhung führen. Zurzeit beschäftigen sich die Ingenieure genau mit diesen Fragen, rechnen verschiedene Varianten durch und wägen Vor- und Nachteile ab. Noch ist jedoch offen, wohin genau die technische Reise führt. Wer sich über die spannende Entwicklung auf dem Laufenden halten will, findet auf der Website von Solar Impulse sowie in der speziell für das Projekt eingerichteten Rubrik auf Bluewin jeweils aktuelle Informationen zu dieser spektakulären Flugmission.

www.solarimpulse.com
www.swisscom.ch/solarimpulse

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