Solarflugzeug

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Solarflugzeuge werden elektrisch über Solarzellen und Elektromotoren angetrieben. Da sie ihre Energie ausschließlich durch die Sonneneinstrahlung beziehen, benötigen sie keinen fossilen Treibstoff und verursachen somit im Betrieb keine Emissionen (Schadstoffausstoß). Solarflugzeuge sind besonders effektiv in großen Höhen, wo die Sonneneinstrahlung weniger durch die Erdatmosphäre gedämpft wird und keine Abschattung durch Wolken möglich ist. Sie benötigen zur Überbrückung Batterien (Akkumulator) und nutzen einen Teil der Flughöhe als kinetische Energie.

Das erste Solarflugzeug, die Sunrise-I, hob 1974 in Kalifornien ab. In der Zukunft sind mehrere Aufgabengebiete vorstellbar. So sollen unbemannte solargetriebene Flugzeuge u.a. im Langzeiteinsatz als Kommunikationsplattform, zur Grenzüberwachung, als Überwachungs- und Unterstützungsflugzeug bei Waldbränden und zum Precision Farming eingesetzt werden.[1]

Abhängig von der Haltbarkeit der Systemkomponenten und der Solareinstrahlung am Einsatzort können Solarflugzeuge Monate bis Jahre ununterbrochen eingesetzt werden, und zugleich in großen Höhen oberhalb der Dienstgipfelhöhe herkömmlicher Flugzeuge operieren. Damit könnten sie als eine günstigere Ergänzung für in niedrigerer Höhe stationierte Satelliten fungieren. Im Gegensatz zu Satelliten sind Solarflugzeuge frei verlegbar und nicht auf eine bestimmte Umlaufbahn beschränkt.[2] Der Bau solarbetriebener Großraumflugzeuge gilt jedoch selbst bei Verfügbarkeit extrem leistungsfähiger Solarzellen als unwahrscheinlich, da auf solchen Flugzeugen nicht genug Fläche für ausreichend Solarzellen verfügbar ist.[3]

Solarflugzeug Helios

Gossamer Penguin[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gossamer Penguin
Hauptartikel: Gossamer Penguin

Die Gossamer Penguin basierte auf dem muskelkraftbetriebenen Flugzeug Gossamer Albatross. Der Erstflug erfolgte am 7. April 1980. Der solarbetriebene Erstflug folgte am 18. Mai 1980.[4]

Icaré II[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Icaré II

Icaré II ist ein deutsches Solarflugzeugprojekt der Universität Stuttgart aus dem Jahr 1996, am 7. Juli 1996 hat Icaré den Berblinger-Wettbewerb der Stadt Ulm gewonnen.

Pathfinder (Plus) – Centurion – Helios[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Pathfinder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Pathfinder

Pathfinder wurde zu Beginn der 1980er-Jahre für ein Geheimprogramm in den USA entwickelt. Nach einigen Flügen stellte man fest, dass die Technik für tagelange solarbetriebene Flüge noch nicht geeignet war. Daraufhin wurde Pathfinder eingemottet. 1993 wurde es von der Ballistic Missile Defence Organization wieder flugbereit gemacht und 1994 der NASA für ihr ERAST-Programm (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology) überstellt, das die Entwicklung unbemannter Fluggeräte zum Ziel hatte.

Am 11. September 1995 wurde ein erster Weltrekord für solarbetriebene Flugzeuge aufgestellt, als in einem 12stündigen Flug eine Höhe von 15.240 m (50.000 ft) erreicht wurde. Am 7. Juli 1997 wurde dieser Rekord auf 21.802 m (71.530 ft) erhöht. Das war der Weltrekord für propellerbetriebene Flugzeuge und Solarflugzeuge. 1998 entstand aus Pathfinder der Pathfinder Plus.

Pathfinder Plus

Technische Daten:

  • Spannweite: 29,5 m
  • Länge: 3,6 m
  • Masse: 252 kg
  • Nutzlast: 45 kg
  • Geschwindigkeit: etwa 27–32 km/h (17–20 mph)
  • Nennleistung der Solarzellen: 7,5 kW
  • Antrieb: 6 Elektromotoren mit je maximal 1,5 kW
  • Hersteller: AeroVironment, Inc., Monrovia (Kalifornien)

Centurion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Centurion stellt eine Weiterentwicklung des Pathfinder Plus dar.

  • Spannweite: 62,8 m (206 ft)
  • 14 Elektromotoren
  • Solarzellen mit einer Leistung von bis zu 31 kW
  • Geschwindigkeit: ca. 27–33 km/h (15–18 kn)
  • Baubeginn: 10. Februar 1997
  • Erstflug: 10. November 1998

Ab Januar 1999 wurde das Flugzeug zum Helios-Prototypen umgebaut.[5]

Helios[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: AeroVironment Helios

Benannt nach dem gleichnamigen Sonnengott der griechischen Mythologie, war Helios ein von der NASA und der kalifornischen Firma AeroVironment entwickeltes unbemanntes Leichtflugzeug. Mit diesem Fluggerät gelang es am 14. August 2001 über Hawaii, den Höhenweltrekord für nichtraketengetriebene Flugzeuge zu brechen. Mit einer erreichten Höhe von 29.524 Metern[6] im Horizontalflug wurde der fast 25 Jahre alte Rekord von 25.929 Metern[7] eines SR-71-Blackbird-Spionageflugzeuges übertroffen. Diese Art von Fluggerät soll eine Alternative zu Satelliten darstellen oder auch für Forschungsaufgaben in sehr großen Höhen eingesetzt werden.

Die ersten Testflüge fanden im September 1999 mit Batteriebetrieb statt. Der spätere Rekordflug nutzte ausschließlich Sonnenenergie, was die Spanne in den Gewichtsangaben erklärt. Der Aufstieg dauerte etwa sechs Stunden.

Das 580 kg schwere Fluggerät wurde von 14 Elektromotoren angetrieben. Die Spannweite betrug 75,3 Meter, das sind 10,9 m mehr als bei einer Boeing 747-400.

Auf der Flügeloberfläche waren fast 66.000 Hochleistungs-Solarzellen der Firma SunPower mit einem Wirkungsgrad von 22 Prozent montiert, die bei voller Sonneneinstrahlung 30 kW elektrische Leistung zur Verfügung stellten. Der Preis der verwendeten Solarzellen lag bei knapp 9 Millionen Dollar. Die Fluggeschwindigkeit betrug etwa 30 bis 50 km/h.

Helios stürzte am 29. Mai 2003 bei Hawaii in den Pazifik. Als Absturzursache wird von der NASA ein Problem mit der Steuerung des Flugzeugs und daraus resultierenden strukturellen Schäden angegeben.

Technische Daten:

  • Spannweite: 75,3 m
  • Länge: 3,7 m
  • Masse: 600 bis 929 kg
  • Geschwindigkeit: etwa 30 bis 43 km/h (19–27 mph), 274 km/h oder 170 mph auf Gipfelhöhe
  • Antrieb: 14 Elektromotoren mit je maximal 1,5 kW

Solair[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Solair I[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Solair I ist ein deutsches Solarflugzeugprojekt von 1980, basierend auf dem Serien-Flugzeug Canard 2FL. Es wurde von Günther Rochelt entworfen und konstruiert.

Solair II[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Solair II, Nachfolger von Solair I, begann als Projekt im Jahre 1996 und hatte zum Ziel, ein Solarflugzeug zu entwickeln und zu bauen, das einen höheren Gebrauchswert gegenüber dem Vorgänger besitzt. Dabei orientierte man sich am Segelflugzeugbau. Solair II besitzt ein V-Heckleitwerk, an dessen Flossenspitze je ein Propeller für Vortrieb sorgt. Das Flugzeug wurde in Halbschalen-Sandwichbauweise mit Wabenkernen gefertigt. Es ist mit aufgeladenen Akkus eigenstartfähig. Für den Geradeausflug werden 755 Watt Antriebsleistung benötigt.[8]

  • Flugzeug
    • Spannweite: 20,00 m, Flügelfläche: 17,00 m², Rumpflänge: 6,12 m
    • Rüstmasse: 140 kg
    • Maximale Flugmasse (MTOW): 230 kg
  • Solargenerator
    • Solarzellen: 13,44 m² monokristalline Siliziumzellen
    • maximaler Wirkungsgrad: 17,3 %
    • maximale Leistung (Strahlung 500 W/m²): 1163 W
  • Antrieb
    • Entwickler: Dipl.-Ing. Karl Friedel
    • 2 × Permanent-Magnet Gleichstrommotor mit Druckpropeller (1,46 m Durchmesser) im Leitwerk
    • Nennspannung: je 30 V (Motoren in Reihe geschaltet)
    • maximale Leistung: 2 × 4500 W
    • nach einer Modifizierung wurden 2 × 4 kW-Motoren mit 2-Blatt-Faltpropellern (2 m Durchmesser) mit Blattverstellung eingesetzt
  • Batterien
    • Batterie-Typ: 54 Zellen in Reihe, 2–4 Akkupacks parallel, Nennspannung: 65 V
    • Kapazität: max. 4 × 5,2 Ah = 20,8 Ah, speicherbare Energie: max. 1352 Wh

Solar Challenger[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Erstflug von Solar Challenger erfolgte Ende 1980. Erstmals gelang die Überquerung des Ärmelkanals mit einem Solarflugzeug am 7. Juli 1981.[9]

SolarWorld eOne[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Sommer 2015 gelang die erste Überquerung der Alpen im Rahmen eines Kooperationsprojektes von SolarWorld und PC Aero GmbH. Das Leergewicht ohne Batterien beträgt 120 kg, die Batterien mit einer Leistung von 11 kW machen mit 80 kg einen erheblichen Teil der Masse aus. Als Nutzlast waren 100 kg möglich.[10]

Solar Impulse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Prototyp Solar Impulse HB-SIA bei den ersten Flugversuchen am 3. Dezember 2009 in Dübendorf
Hauptartikel: Solar Impulse

Die Solar Impulse des Schweizers Bertrand Piccard und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat 2016 als erstes Solarflugzeug eine komplette Weltumrundung geschafft. Es ist das erste Solarflugzeug, das auch über Nacht fliegt.[11]

Das Solarflugzeug „Solar Impulse“ absolvierte am 7. April 2010 seinen ersten Testflug. Der von Pilot Markus Scherdel gesteuerte Flug fand rund um den Militärflugplatz Payerne im schweizerischen Kanton Waadt statt.[12]

Am 8. Juli 2010 gelang der erste Nachtflug. „Solar Impulse“ HB-SIA landete nach einem mehr als 24-stündigen Nonstop-Flug auf dem Militärflugplatz von Payerne, von wo aus das Flugzeug tags zuvor gestartet war.[13]

Am 13. Mai 2011 schließlich gelang ein internationaler Solarflug von Payerne nach Brüssel mit einer Flugdauer von 12 h 59 min.[14]

Mit der „Solar Impulse“ gelang am 5. Juni 2012 mit einem 18-stündigen Flug von Madrid in Spanien nach Rabat in Marokko der erste Interkontinentalflug eines mit Solarenergie betriebenen Flugzeuges.[15]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Xian-Zhong Gao, Zhong-Xi Hou, Zheng Guo, Xiao-Qian Chen: Reviews of methods to extract and store energy for solar-powered aircraft. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 44, (2015), 96-108, doi:10.1016/j.rser.2014.11.025.
  • Xiongfeng Zhu, Zheng Guo, Zhongxi Hou: Solar-powered airplanes: A historical perspective and future challenges. In: Progress in Aerospace Sciences 71, (2014), 36–53, doi:10.1016/j.paerosci.2014.06.003.
  • Farivar Fazelpour, Majid Vafaeipour, Omid Rahbari, Reza Shirmohammadi: Considerable parameters of using PV cells for solar-powered aircrafts. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, (2013), 81–91, doi:10.1016/j.rser.2013.01.016.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Solarflugzeug – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Xian-Zhong Gao, Zhong-Xi Hou, Zheng Guo, Xiao-Qian Chen, Reviews of methods to extract and store energy for solar-powered aircraft. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 44, (2015), 96–108, S. 97, doi:10.1016/j.rser.2014.11.025.
  2. Xiongfeng Zhu, Zheng Guo, Zhongxi Hou, Solar-powered airplanes: A historical perspective and future challenges. In: Progress in Aerospace Sciences 71, (2014), 36–53, S. 37, doi:10.1016/j.paerosci.2014.06.003.
  3. Volker Quaschning, Erneuerbare Energien und Klimaschutz. München 2013, S. 358f.
  4. http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html Solar-Power Research and Dryden Flight Research Center
  5. NASA, nasa.gov: Centurion. (Englisch)
  6. http://www.fai.org/fai-record-file/?recordId=7354
  7. http://www.fai.org/fai-record-file/?recordId=3496
  8. solair.de: Solair 2 – Fliegen mit Sonnenenergie
  9. donaldmonroe.com: Fotos
  10. http://www.solarworld.de/konzern/presse/aktuelles/pressemitteilungen/single-pressemitteilung/article/solarworld-eone-einmal-ueber-die-alpen-und-zurueck
  11. solarimpulse.com
  12. aero.de: Solar Impulse hebt zu Erstflug ab
  13. nzz.ch
  14. solarimpulse.com
  15. Solar Impulse“: Solarflugzeug schafft ersten Interkontinentalflug, bei Spiegel Online, 6. Juni 2012