E-Flugzeuge und Drohnen: Elektrisch durch die Luft

Was klingt wie eine Vision aus ferner Zukunft, kann schon in wenigen Jahren Wirklichkeit werden: Denn die Mobilität der Zukunft ist auch in der Luft elektrisch, davon ist etwa die Unternehmensberatung Roland Berger überzeugt: „Die Frage ist nicht mehr, ob, sondern wann elektrisch angetriebene Flugzeuge Normalität sein werden.“ In Europa und in aller Welt stehen schon dutzende Flugprojekte in den Startlöchern. Knapp 70 verschiedene Modelle hat Roland Berger untersucht, die alle bis spätestens 2030 abheben sollen.

Elektrische Autos und Nutzfahrzeuge sind bereits auf unseren Straßen unterwegs. In Zukunft können zunehmend auch E-Flugfahrzeuge wie zum Beispiel sogenannte Multicopter – Drohnen mit mehreren Rotoren – zum Einsatz kommen. Elektrische Luftfahrzeuge erhalten ihre Antriebsenergie dabei von einer Batterie an Bord, die mit Strom aufgeladen wird. Kleinere Modelle wie Drohnen fliegen rein elektrisch, größere Flieger für mehr als 15 Personen sind bislang auf eine zweite Energiequelle angewiesen.

Elektrisch betriebene Fluggeräte lohnen sich vor allem für die Umwelt. Herkömmliche Flugzeuge pusten laut deutschem Umweltbundesamt rund 214 Gramm Treibhausgase pro Personenkilometer in die Luft. Bei einem Auto (!) mit Verbrennungsmotor sind es nur 140 Gramm. Zwar haben die Emissionen der einzelnen Flieger durch verbesserte Technik abgenommen – gleichzeitig ist jedoch die Zahl der gesamten Flugkilometer deutlich gestiegen. Denn in Zukunft werden immer mehr Passagiere in der Luft unterwegs sein: Nach Angaben des Statistikportals Statista waren es 2017 weltweit erstmals vier Milliarden. Aufgrund der Covid-19 Pandemie ist diese Zahl jedoch auf knapp über 1,7 Milliarden Fluggäste in 2020 gesunken. Nichtsdestotrotz ist für 2021 ein 35-prozentiger Anstieg auf 2,4 Milliarden Passagiere prognostiziert.

Bislang war die Luftfahrt für etwa 2,4 Prozent aller CO2-Emissionen weltweit verantwortlich. Bis 2040 könnte sich dieser Anteil durch die häufigeren Flüge weltweit vervierfachen, wie die Internationale Zivilluftfahrtorganisation ICAO errechnet hat. CO₂ ist jedoch nicht der einzige Stoff, den Flugzeuge ausstoßen. So entstehen etwa auch Stickoxid, Wasserdampf und Feinstaub. Die Emissionen wirken sich nicht nur auf die Umwelt aus, sondern beeinträchtigen auch die Gesundheit der Menschen.

Dem gegenüber stehen ambitionierte Ziele der Luftfahrtindustrie: Bis 2050 soll der CO₂-Ausstoß um 75 Prozent abnehmen. Für die Airlines werden die Emissionen in naher Zukunft zudem teuer: Die Mitglieder des IACO verpflichteten sich, ihre CO₂-Emissionen auszugleichen, sie müssen dazu Emissionseinheiten kaufen. Anders ausgedrückt: Wer weniger Abgase in die Luft pustet, als er dürfte, kann einer anderen Fluggesellschaft das Recht verkaufen, entsprechend mehr Emissionen zu produzieren. Auch der von Flugzeugen verursachte Lärm soll bis 2050 um 60 Prozent abnehmen. Vor allem Start und Landung führen derzeit noch zu einer massiven Lärmbelästigung.

Wie lassen sich diese Ziele erreichen? Eine Möglichkeit sind elektrisch betriebene Luftfahrzeuge. Sie sind wesentlich leiser, denn den Vortrieb beim Start liefern nicht länger laute Düsentriebwerke, sondern geräuscharme Elektromotoren. Nachtflugverbote wären damit nicht länger notwendig. Außerdem entstehen bei den E-Modellen, anders als bei konventionellen Fliegern, keine Emissionen. Wenn der Strom aus erneuerbaren Energien stammt, fliegen sie komplett CO₂-neutral. Ein weiterer Vorteil: Elektrische Motoren sind weniger reparaturanfällig. Sie bestehen aus deutlich weniger Bauteilen und benötigen weder Öl noch Kühlwasser und auch keine Auspuffanlagen oder Getriebe. Dadurch sind weniger Wartungen nötig. Elektroantriebe leisten das gewünschte Drehmoment zudem bei jeder Luftdichte, Temperatur und Drehzahl. Das ermöglicht sicherere Flüge.

Damit bieten elektrische Luftfahrzeuge zahlreiche Vorteile. Die Treibstoffkosten und die Regulierungen treiben die Elektrifizierung von Flugzeugen weiter voran. Im Jahr 2035 könnten deshalb mehr als 45 Prozent aller Flugzeugantriebe zumindest teilweise elektrisch sein.

Dennoch: Die Evolution in der Luftfahrt ist technisch nicht einfach umzusetzen. Airbus-Chef Tom Enders bezeichnete das elektrische Fliegen als eine der „größten industriellen Herausforderungen unserer Zeit“. Bis der gesamte Flugverkehr elektrisch betrieben wird, dürften Jahrzehnte vergehen. Zunächst soll der E-Antrieb bei Multicoptern zum Einsatz kommen, die Waren oder einzelne Passagiere in Städten transportieren. Bereits 2025 könnten sie von kleinen Landeplätzen starten, da sie senkrecht in die Luft steigen. Danach folgen wohl Regionalflieger auf Strecken bis zu 1.200 Kilometern. Bis Langstreckenflugzeuge abheben, wird es noch länger dauern.

Nicht nur die Technik, auch die Flugobjekte selbst bergen Herausforderungen: Durch elektrische Drohnen und Lufttaxis wird individueller Luftverkehr in Massen erst möglich. Wären aber einmal zu viele Drohnen in Städten unterwegs, bräuchte es zusätzlich Regulierung, um die Sicherheit zu garantieren – etwa auf Verkehrswegen und Landeplätzen. Erschwerend kommt hinzu, dass viele E-Lufttaxis autonom fliegen sollen. Die Behörden müssen sich dann um Vorschriften zu Mindestabständen kümmern, um Kollisionen zu vermeiden.

Bislang sind vor allem unbemannte Drohnen unterwegs – als Spielzeuge oder Transportgeräte für Kameras. Diese besitzen ohnehin einen E-Antrieb, müssen also nicht erst elektrisch werden. In naher Zukunft werden immer mehr Multicopter beziehungsweise VTOLs fliegen. Die Abkürzung steht für „Vertical Take-off and Landing“, da sie senkrecht starten und landen. Es gibt für VTOLs mehrere Einsatzmöglichkeiten: Mit kleineren Ausführungen werden Waren transportiert, mit großen vielleicht bald wir selbst.

Die ersten Lieferdrohnen kündigte der US-Versandhändler Amazon 2013 unter dem Namen „Prime Air“ an. Sie können Pakete von bis zu 2,5 Kilo über Strecken bis 16 km transportieren. Auch Google, DHL, UPS, DPD, Boeing sowie das chinesische Unternehmen JD.com arbeiten an Konzepten für E-Drohnen im Paketdienst. In Japan, Dubai, Singapur, der Schweiz und anderen Ländern laufen bereits erste Tests. In den USA hat die Luftfahrtbehörde FAA den Einsatz von Transportdrohnen unter strengen Auflagen erlaubt. Aber: Die Drohnen dürfen nicht in dicht besiedelte Gebiete – was Paketzustellungen nach Hause unmöglich macht. In Deutschland gibt es noch keine Zulassung für Lieferungen durch die Luft.

Später werden Elektro-Multicopter nicht nur Waren transportieren, sondern auch Passagiere. Erste Flugtaxis könnten schon 2025 kommerziell unterwegs sein, schätzt Porsche Consulting. Zehn Jahre später soll es schon 23.000 geben, die mit dem Passagiertransport einen Umsatz von 32 Milliarden US-Dollar erzielen. Laut der Studie könnte ein zehnminütiger Flug vom Münchner Flughafen in die Innenstadt knapp 100 Euro kosten. Derzeit entwickeln mehrere Firmen Konzepte für Flugtaxen. Einige erinnern an Hubschrauber, andere an kleine Flugzeuge. Die Bedienung der Luftfahrzeuge soll ganz einfach über einen oder zwei Joysticks möglich sein.

Dubai möchte in naher Zukunft Passagierdrohnen als Taxis einsetzen – und arbeitet dafür mit dem deutschen Startup Volocopter aus Bruchsal zusammen. Das E-Flugtaxi „Volocopter 2X“ hob 2017 zu einem unbemannten Testflug ab, 60 Meter über dem Emirat. Auch andere Unternehmen bauen bereits Flugtaxen: CityAirbus arbeitet an einem Flugtaxi für vier Personen und bereits 2023 will Uber den Lufttaxi-Dienst „Uber Air“ in US-Städten starten sowie entsprechende Landeplätze betreiben. Als Lufttaxi gedacht ist außerdem „Jet“ des Startups Lilium Aviation aus der Nähe von München. In die Carbon-Kapsel passen zwei Passagiere. China elektrifiziert bereits Autos in großer Stückzahl – kein Wunder, dass aus dem Land ebenfalls ein E-Flugtaxi stammt: Der vier mal vier Meter große „Ehang 184“ hat Platz für einen Passagier. An einer Hybrid-Elektrodrohne arbeitet der britische Autobauer Rolls-Royce: Hier soll eine Gasturbine den Strom erzeugen. Der Fünfsitzer könnte 2025 in Serie gehen.

Die geplanten E-Lufttaxis unterscheiden sich in puncto Reichweite stark: Sie schaffen zwischen 16 und 300 Kilometer – was für den innerstädtischen Verkehr genügen dürfte. Die Modelle erreichen dabei eine Geschwindigkeit zwischen 130 und 320 km/h. Nur das Hybrid-Luftfahrzeug von Rolls Royce ist schneller und fliegt weiter: Der noch unbenannte VTOL fliegt bis zu 400 km/h schnell und sagenhafte 800 Kilometer weit.

Viele der Lufttaxis sollen entweder ganz autonom unterwegs sein oder zumindest die Möglichkeit dazu bieten. Der Volocopter etwa kann von einem Piloten gesteuert werden oder autonom durch die Luft schweben. Andere Modelle wie der chinesische „Ehang 184“ fliegen ausschließlich autonom.

Unternehmen und Startups arbeiten nicht nur an eher kleinen Flugtaxis, sondern auch an elektrischen Flugzeugen, die mehrere Passagiere transportieren können. Im Regionalverkehr sollen sie bereits in wenigen Jahren eingesetzt werden. Langstreckenflüge mit Elektrofliegern hingegen liegen noch in weiterer Zukunft.

Konkrete Pläne für elektrische Flugzeuge hat Easyjet: Gemeinsam mit dem US-Startup Wright Electric will das Unternehmen E-Flieger für bis zu 150 Passagiere bauen. Sie sollen ab 2027 starten. In Planung ist auch der Flieger „Alice“ des israelischen Startups Eviation. Er bietet insgesamt neun Passagieren Platz. An Bord ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit 900 kWH. Schon serienreif ist hingegen der zweisitzige Elektro-Flieger der slowenischen Firma Pipistrel. Mit einem 50-kW-Elektromotor und einem 21-kWh-Akkupaket ausgestattet, kann dieser etwa eine Stunde lang fliegen.

Einige Unternehmen setzen wegen der derzeit noch geringen Batteriekapazitäten vorerst auf einen Hybrid-Antrieb. Airbus etwa baut in Zusammenarbeit mit Rolls Royce und Siemens ein Mittelstreckenflugzeug für 100 Passagiere: Der „e-Fan X“ wird mit drei Gasturbinen und einem Elektromotor betrieben. Siemens arbeitet am 2-mW-Motor, Rolls-Royce liefert die Gasturbine. Diese erzeugt den Strom, der dann in einer Batterie gespeichert wird. Zwischen 2025 und 2030 könnte der Jet kommerziell starten.

Das britische Startup Starling hat einen Hybrid-Jet vorgestellt, der wie der Volocopter senkrecht startet und landet. Damit könnte er als fliegender Bus in Großstädten zum Einsatz kommen. Die elektrischen Propeller befinden sich im Rumpf. In der Luft stellen sich die Triebwerke senkrecht, ein Diesel-Triebwerk hilft bei der Beschleunigung.

Die elektrischen und Hybrid-Flugzeuge könnten nach heutigem Stand Flüge innerhalb Europas oder der USA problemlos bewältigen. Sie werden den Plänen zufolge Reichweiten zwischen 540 und 1.200 Kilometern erreichen.

In kerosinbetriebenen Flugzeugen werden beim Start die hohen Leistungen der Düsentriebwerke gebraucht – in großer Höhe hingegen nur noch eine geringe Leistung. E-Luftfahrzeuge verzichten hingegen komplett auf Verbrennungsmotor und Düsenantrieb. Stattdessen beziehen sie ihre Energie aus Strom, den sie in Batterien an Bord speichern und der an Motor und Rotoren weitergegeben wird. Bei Hybridflugzeugen unterstützen beim Start Batterien mit zusätzlicher Energie.

Ein rein elektrisches Flugzeug bezieht seinen Strom aus Batterien. Bei der Maschine des israelischen Unternehmens Eviation sind es etwa Aluminium-Luft-Batterien, die an Heck und Flügelspitzen sitzen. Diese wiegen jedoch 2.700 Kilogramm, die gesamte Maschine bringt 5.400 Kilogramm auf die Waage. Dass die Batterien häufig noch zu schwer sind, ist ein wichtiges Kriterium für Flugzeugbauer: Jedes Kilogramm weniger bedeutet eine höhere Kraftstoff-Effizienz. Eine weitere Herausforderung für E-Luftfahrzeuge ist die noch geringe Leistungsdichte der Batterien: Sie können nur drei Prozent der Energie speichern, die in einem Kilo Kerosin steckt.

Ebenfalls knifflig: Elektroflieger können ihre Akkus nicht so einfach aufladen wie ein E-Auto. Denn dieses steuert einfach eine E-Ladestation an und bleibt dort, je nach Modell, mindestens eine Stunde stehen. Bei einem Flugzeug sind Standzeiten jedoch unrentabel. Wie es bei kleinen Fliegern funktionieren kann, zeigen die Zweisitzer von Pipistrel: Die Batterien lassen sich entweder in wenigen Minuten austauschen oder in nur einer Stunde aufladen.

Doch es geht auch anders: Häufig lässt sich zumindest ein Teil der Energie während des Fluges gewinnen. Dazu werden unterschiedliche Technologien getestet: Pipistrel-Flieger holen beim Landeanflug im Leerlauf knapp 13 Prozent der verbrauchten Energie wieder herein. Mit Hilfe des Gleichstrom-Wechselstrom-Konverters gewinnen sie Energie wie ausrollende Elektroautos und führen sie in die Batterie zurück. Der Zweisitzer „Electric Sun Flyer 2“ von Bye Aerospace kann im Gleitflug Strom erzeugen: Die vorbeiströmende Luft lässt den Propeller rotieren. Der Motor arbeitet so als Generator, der Strom produziert und in die Batterie zurückspeist.

Andere Entwickler forschen an Flugzeugen, die ihre Energie aus Solarzellen an den Flügeln gewinnen. Diese wird dann in Batterien gespeichert. Die beiden Schweizer Bertrand Piccard und André Borschberg schafften 2015 sogar die erste Weltumrundung mit einem Solarflugzeug. Die Flügel der „Solar Impulse 2“ waren dafür mit 17.000 Solarzellen ausgerüstet.

Viele Flugzeugbauer setzen bei größeren Modellen aber vorerst auf Hybridmodelle. Sie erzeugen den Strom während des Fluges, etwa durch Kerosin in Gasturbinen. Gespeichert wird der Strom dann in Batterien an Bord. Ein Generator speist die Elektromotoren, die wiederum Turbinen oder Mantelpropeller antreiben. Diese Hybridmodelle könnten den Kraftstoffverbrauch um etwa ein Viertel senken. In Zukunft könnte statt Kerosin auch eine Brennstoffzelle „flugs“ Strom liefern.

Eine der größten Herausforderungen für Entwickler von E-Luftfahrzeugen ist der Bau von effizienteren und leichteren Batterien. Seit Anfang der 1990er-Jahre haben sich die Energiedichte von Batterien und die Effizienz von Elektromotoren zwar mehr als verdoppelt. Doch das reicht noch nicht, um beispielsweise Langstreckenflieger elektrisch anzutreiben. Damit sich elektrische Luftfahrzeuge also durchsetzen, muss die Kapazität von Batterien deutlich steigen. So sind größere Reichweiten möglich. Die Batterie-Einheiten müssen deshalb nicht nur kleiner werden, sondern zugleich eine höhere Leistungsdichte haben. Infineon hilft bei dieser Herausforderung – etwa durch ein aktives „Batterie-Balancing“, welches die Kapazität und Lebensdauer von Batterien um mehr als zehn Prozent erhöht: Ein intelligentes Batteriemanagement-System kontrolliert ständig die Funktionsfähigkeit sowie den Ladestand aller Batteriezellen und verbessert deren Nutzung. So lässt sich verhindern, dass einzelne Zellen durch Alterung nach und nach weniger Energie speichern.

Für Flugzeugbauer ist zudem das Gewicht der Luftfahrzeuge ein großes Thema. Hier kommen Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) ins Spiel: Die neuen Bauelemente von Infineon helfen dabei, das Gewicht elektrischer Komponenten – etwa die Wechselrichter und Motoren für den Antrieb – zu verringern. So lassen sich Antriebseinheiten bauen, die leicht, kompakt und hocheffizient sind. Genau diese Eigenschaften braucht es, damit E-Flugzeuge überhaupt abheben können.

Mobilität wird elektrisch – nach und nach auch in der Luft. Auf die ersten E-Flugtaxis können wir schon innerhalb der nächsten zehn Jahre gespannt sein. Städte wie Dubai haben sie fest eingeplant. Auch Versandhändler wollen Drohnen auf die Reise schicken, um Pakete zu Kunden zu transportieren. Dadurch werden die Städte der Zukunft sauberer: CO₂ und andere Emissionen entstehen beim Transport keine. Ein weiterer Vorteil: E-Luftfahrzeuge sind leise. Doch noch ist unklar, wie der Luftverkehr geregelt werden soll, wenn zahlreiche Individual-, Transport- und Taxi-Drohnen unterwegs sind.

Ab etwa 2025 könnten dann auch Elektro- und Hybridflieger in die Lüfte steigen. Bis sich diese flächendeckend durchsetzen, wird es aber wohl noch dauern: Flugzeuge sind im Schnitt 30 Jahre im Einsatz, die Fluggesellschaften werden ihre Flotten erst nach und nach erneuern. Für Langstrecken sind elektrische Maschinen noch nicht in Sicht. Dafür müssen die Batterien leichter und leistungsfähiger werden.

Hier wird sich in den kommenden Jahren aber viel tun: Neue Technologien machen Batterien effizienter und kleiner. Ab 2025 könnten sie sich damit auch für größere Flugzeuge eignen, vermutet die Unternehmensberatung Roland Berger. Und dann ist es, Mitte des Jahrhunderts, vielleicht selbstverständlich, in ein elektrisches Flugzeug zu steigen und damit ans andere Ende der Welt zu fliegen. Ohne Emissionen, ohne Lärm.­­

Letzte Aktualisierung: Juli 2021