E-Flugzeug: Senkrecht starten mit Wasserstoff

Eine bahnbrechende Lösung, um die Treibhausgasemissionen des Flugverkehrs auf Kurzstrecken zu reduzieren, bietet ein sogenanntes ‚Hoverplane‘ vom deutschen Unternehmen Odonata aus Oberpfaffenhofen. Dieses Fluggerät kombiniert nicht nur die Vorteile eines Helikopters mit den Vorteilen eines Tragflächenflugzeugs, sondern wird zudem mit Wasserstoff betrieben. „Produktion“ hat nachgefragt, welche Herausforderungen es für die Konstruktion sowie Fertigungstechnologien gibt und ab wann der Flieger in die Luft gehen kann.

Tobias Nickel, Sprecher von Odonata erläutert dazu: „Das Fluggerät ist etwas ganz Neuartiges, ein sogenanntes eVTOL, also Electrical Vertical Take-Off and Landing Fluggerät, das im Gegensatz zu anderen VTOLs nicht nur ein Taxi-Zubringer-Dienst für Flughäfen ist - sondern es kann Distanzen bis 1.000 km abdecken. Wir nennen dieses neue Fluggerät Hoverplane, das heißt, wir kombinieren die Vorteile eines Helikopters mit den Vorteilen eines Tragflächenflugzeugs.“

Hoverplane kann auch von Heliport starten

Somit kann das Hoverplane laut Nickel von einem Heliport – also einer Start- und Landefläche ähnlich den Hubschrauberlandeplattformen mit 22,5 Metern Seitenlänge - aus dem Stand starten und ebenfalls dort landen. Sobald die vertikale Take-Off-Phase beendet ist, kann das Hoverplane in einen horizontalen Flug gehen.

„In der horizontalen Flugphase kommen die Tragflächen zum Einsatz, die viel Auftrieb bringen und das Hoverplane somit weniger Energie benötigt und mit relativ hoher Geschwindigkeit geflogen werden kann. Damit schaffen wir hohe Nutzlast und große Distanzen“, freut sich Nickel. Odonata visiert eine Reichweite von etwa 1.000 Kilometer bei einer Nutzlast von circa 800 Kilogramm an.

„Bis dato gibt es sowas nicht in dieser Kombination - also das Starten und Landen von einer Fläche plus diese großen Distanzen. Das macht dieses Fluggerät aus“, betont Nickel.

Dazu stellt sich schnell die Frage, wie viele Bauteile und Komponenten denn aus der traditionellen Flugzeugindustrie übernommen werden können. Andre Klöckner, Head of Engineering, klärt auf: „Was wir dafür brauchen, sind einerseits Teile, die es noch nicht gibt, weil es etwas Einzigartiges ist, das wir herstellen wollen. Andererseits können wir durch unser Design sehr viele Teile - und auch viel mehr als andere VTOL-Hersteller - aus der bestehenden Industrie verwenden.“

Das betreffe auch den Antriebsstrang, der hybrid ausgelegt ist, mit Brennstoffzelle und klassischer Gasturbine, die aber auch mit Wasserstoff laufe. „Diese Turbinen gibt es schon seit Jahrzehnten und sie sind erprobt. Das ist das Herzstück. Das heißt, wir müssen keine komplizierten Zertifizierungen durchführen, sondern können ein bereits mit anderen Treibstoffen erprobtes Produkt einsetzen, das den Schub generiert“, beschreibt Klöckner.

Ähnlich sehe es beim Flugverhalten aus. „Von der Steuerung und von den Steuerungskomponenten sind wir im klassischen Flug sehr nah bei dem, was es schon gibt. Demnach können wir auch Komponenten wie zum Beispiel Hardwarecontroller verwenden und müssen lediglich unsere Software darauf entsprechend anpassen“, sagt Klöckner.

Eine Besonderheit bilden laut Nickel hingegen die Tragflächen, bei denen es sich zwar um klassische Flügel handele, die aber zwei Löcher haben. Dazu erläutert Nickel: „Wir haben Wing-Integrated Rotors - also in die Tragfläche integrierte Propeller, die während der Startphase einen hohen Auftrieb erzeugen können.“

Während der Flugphase wäre es schlecht, wenn Propeller in der Luft stehen, weil sie einen erhöhten Luftwiderstand haben. Doch Nickel erklärt, dass „beim Horizontalflug eine Art Lamellen diese Löcher abdecken. Das ist eine patentierte Lösung, um eben genau diese beiden Flugphasen ‚Steigen‘ und sehr effizienten ‚horizontalen Flug‘ gut zusammenzubringen.“

Dazu ergänzt Odonata-Geschäftsfüher Dennis Furchheim: „Dieses Konzept brauchen wir, um die hohe Payload vertikal abheben zu lassen. Um zusätzlich die hohe Reichweite zu erzielen, müssen wir den Flügel möglichst effizient nutzen. Deshalb müssen wir die Rotoren im Flügel schließen, um diesen besser zu nutzen.“

Auf diese recht besondere Konstruktion angesprochen, bezieht Klöckner Stellung: „Es ist so, dass alle Flugzeuge irgendwo Klappen haben, die bewegt werden, meistens mittels Hydraulik. Auch wir verwenden Klappen zum Verschließen, die wir Louver nennen. Aber wir werden das elektromechanisch lösen. Die Klappen können auf- und zufahren, sodass wir auch eine Vektorschubregelung erzielen können. Das hilft beim Übergang vom vertikalen zum horizontalen Flug.“

Propeller mit Elektromotor in der Tragfläche

Odonata benötige aber auch Komponenten, die es noch gar nicht gebe – so wie den Propeller mit Elektromotor in der Tragfläche für Starts und Landungen. „Dieser Propeller muss sehr speziell sein, weil wir ihn auf maximalen vertikalen Schub bauen“, erklärt Klöckner.

Das werde man im nächsten Jahr im großen Maßstab angehen. „Das ist aber auch etwas, was wir bereits sehr stark wissenschaftlich untersuchen. Natürlich sind das Teile, die komplett neu entwickelt werden müssen. Das hat ein Patent oft so an sich“, schmunzelt Klöckner.

Der Motor wird laut Klöckner wahrscheinlich mehr oder weniger ein Abgewandelter von der Stange sein, den es auch so schon gibt. „Aber alles drum herum ist natürlich ein völlig neuer Ansatz und vielleicht neben dem Antriebsstrang das spannendste Neue, das wir auf dem Fluggerät haben.“

Erst Simulationen, dann Komponententests

Angefangen hatte Odonata mit reinen Simulationen auf dem Rechner. „Dann sind wir weitergegangen zu Erprobungen der Komponenten. So haben wir beispielsweise einen Flügel und einzelne Komponenten im Windkanal getestet, um zu sehen, was passiert da überhaupt, wenn ich auch einmal ein Loch in den Tragflächen habe, wo ein Schließmechanismus dran ist“, so Klöckner.

Mittlerweise ist Odonata laut Klöckner für den Proof of Concept zu einem 1:7 Modell übergegangen, um zu sehen, ob das Modell flugfähig ist. „Dazu können wir grundsätzlich sagen, dass die Auslegung des Antriebs und der Geometrie des Fluggeräts funktioniert“, freut sich Klöckner.

Dazu ergänzt Furchheim: „Das war bei den ersten Tests sehr erfolgreich. Auch die WIRs, die Wing integrated Rotors, haben sehr zur Stabilität beigetragen. Denn gerade, wenn man in Regionen wie in den Baltics oder Skandinavien, wo es sehr böigen Wind gibt, fliegen möchte, muss man eine sehr gute Stabilität zum Starten und Landen haben.“

Nickel erläutert, warum Odonata diesen ganzen technischen Aufwand betreibt: „Wenn man sich anschaut, wie weit und schnell Helikopter fliegen können, dann haben diese oft eine geringere Reichweite und auch weniger Maximum Take-Off Weight. Wir hingegen kommen sogar in einen Bereich, den kein anderes eVTOL üblicherweise hat.“

So ließen sich mit 1.000 Kilometern Reichweite alle innerdeutschen Flüge und viele innereuropäische Flüge abdecken. „Da sehen wir eine ganz große Nische, denn es gibt es eine ganze Reihe von Anwendungen, die heute zu hohen CO₂-Belastungen führen“, führt Nickel aus.

Wasserstoff als Antriebsmedium

Womit die Thematik der CO₂-Neutralität in den Fokus rückt. „Unsere Antwort darauf ist Wasserstoff als Antriebsmedium oder als Energiespeichermedium“, so Nickel. Wie genau der Wasserstoff an Bord verwendet wird, beschreibt Klöckner: „Es sind zwei Herzen, die in der Brust des eVTOL schlagen. Das eine ist eine Brennstoffzelle. Diese kann aus dem Wasserstoff direkt elektrische Energie erzeugen. Sie ist leistungstechnisch optimiert für den Reiseflug.“

Das bedeutet laut Klöckner, dass nach dem Start und der Transition in die konventionelle Flugphase im Prinzip nur noch die Brennstoffzelle an Bord arbeitet, weil sie einen unheimlich hohen Wirkungsgrad hat. „Wir sprechen hierbei von Wirkungsgraden von über 60 Prozent. Eine Turbine bietet derzeit ungefähr die Hälfte an Wirkungsgrad“, so Klöckner. Nur durch diese große Effizienz in Kombination mit den Flügeln schaffe Odonata auch die große Reichweite.

Wasserstoff-Gasturbine für Start- und Landephasen

„Das andere Herz, das schlägt, ist eine Wasserstoff-Gasturbine. Im Prinzip eine abgewandelte Gasturbine, die vormals Kerosin verbrannt hat. Das heißt, man muss zum Beispiel die Brennkammer und die Schaufelräder ändern. Aber von der Geometrie und auch von dem, wie sie schon getestet wurde, verändert sich da erstmal nichts. Wir setzen somit auf eine Technologie, die schon seit Jahrzehnten erprobt ist“, zeigt sich Klöckner überzeugt.

Die Wasserstoff-Gasturbine habe eine sehr hohe Leistungsdichte. Dazu ergänzt Klöckner: „Es gibt derzeit nichts, was mehr Leistung mit weniger Gewicht erzeugt als solch eine Gasturbine. An diese ist ein Generator angeschlossen, der wiederum elektrische Energie erzeugt. Diese wird ausschließlich für den Start und die Transition bis zum Reiseflug benötigt.“

Redundanz durch Gasturbine und Brennstoffzelle

Nach der Startphase kann die Gasturbine abgeschaltet, was leicht möglich sei, weil sie redundant sei. Sollte also die Brennstoffzelle als Worst-Case-Szenario ausfallen, könne man die Turbine direkt wieder hochfahren, da sie über eine gewisse Kaltstartfähigkeit verfügt.

„Das ist das Schöne an diesem Konzept“, freut sich Klöckner. „Wir können mit der einen Komponente maximal optimiert fliegen. Und die andere Komponente brauchen wir wirklich nur für diesen unheimlich hohen Energiebedarf zum Steigen und zum Landen.“

Furchheim erläutert dazu, dass „deswegen auch die Haltbarkeit in Bezug auf die Gesamtflugstunden des VTOL der Turbine bei uns deutlich länger ist und die Emission deutlich geringer als bei herkömmlichen Turbinen ist.“

Viele neue Bauteile für die künftige Produktion

Vor dem Erstflug gibt es laut Nickel noch jede Menge einzelner technischer Fragestellungen zu klären. „Unser Ziel ist, 2033 damit auf den Markt gehen zu können“, so Nickel. Furchheim erklärt, dass „der Demonstrator schon deutlich eher kommen wird. Wir haben auch schon einen Plan, wann der 1:1 Demonstrator in die Flugerprobung gehen wird.“

Wie die künftige Produktion aussehen wird und inwieweit man auf bestehende Bauteile zurückgreifen kann, erklärt Klöckner: „Wöchentlich gibt es neue Meldungen aus dem Markt, dass es neue Produkte gibt, die wir nutzen könnten. Insbesondere im elektrotechnischen Bereich ist es so, weil jetzt viele Unternehmen auch auf elektrisches Fliegen setzen. Da sind wir nicht die Einzigen. Das heißt, dass es sehr viele neue Teile gibt.“

Flügel des Rotors integrieren ist produktionstechnisch aufwendig

Mehr als die Hälfte der Teile für den Hoverplane existieren laut Klöckner schon in irgendeiner Form und müssten nur abgewandelt werden. „Ob das jetzt 60 oder 80 Prozent sind, ist schwierig zu sagen, weil sich das sehr dynamisch entwickelt. Produktionstechnisch aufwendig sind die kompletten Neuheiten wie zum Beispiel die Integration der Flügel des Rotors.“

Das Odonata-Team habe sich in diesem Fall dafür entschieden, fast ausschließlich mit Kohlefaser zu arbeiten. „Das heißt, vom Formenbau sind wir relativ frei. Wenn wir da neue Strukturen erschaffen wollen, ist das überhaupt kein Problem. Von der kompletten Struktur des Flugzeuges her sind uns sehr viele Möglichkeiten mit den Produktionsverfahren gegeben“, findet Klöckner.

Optimierte Pitch-Einstellung für den Propeller

Als beispielhaftes Bauteil bezieht sich Klöckner auf den Propeller: „Da werden wir ab nächstem Jahr tatsächlich auch schon ein großes Augenmerk drauflegen und einen Teststand in einem sehr großen Maßstab bauen. Er hat dabei unter anderem eine optimierte Pitch-Einstellung.“

In den verschiedenen Flugphasen könne ein Propeller auch verschiedene Pitchwinkel haben. „Aber das brauchen wir nicht, denn wir benötigen ausschließlich für den einen speziellen Fall, um mit maximalem Schub zu steigen, die Auslegung des Propellers“, sagt Klöckner.

Prinzipiell sei dies wie bei einer klassischen Drohne, aber in einer ganz anderen Größenordnung und in einem ganz anderen Maßstab. „Und das innerhalb eines Flügels. Das heißt, es muss sehr speziell sein“, betont Klöckner.

Somit habe Odonata die ersten Ansätze sowie die ersten Partner gefunden und könne im nächsten Jahr die ersten Tests auch in einem größeren Maßstab durchführen.

Nickel ergänzt dazu, dass es sich bei den Rumpf- und Tragflächen um CFK-Technologien handelt. „Wir versuchen, bei den ganzen Komponenten weitestgehend auf bestehende Bauteile zurückzugreifen.“

So wie beispielsweise bei der Brennstoffzelle, der Turbine und den Elektromotoren. „Da werden wir auf Standardkomponenten zurückgreifen, die es auch auf dem Markt gibt“, stellt Nickel dar.

Hinsichtlich der Einrichtung der Kabine ist Odonata laut Nickel mit ein paar Herstellern in Kontakt, beispielsweise wenn es um die Sitze geht. „Allerdings gibt es teilweise für diese Flugklasse noch gar keine fertigen Homologationsrichtlinien. So wird man sich in vielen Fällen an Helikopterrichtlinien orientieren müssen und dementsprechende Technologien nutzen, die im Helikopter bereits verbaut sind, um zulassungsfähig werden zu können“, skizziert Nickel auf.

Reglungstechnische und elektrotechnische Herausforderung

Klöckner: „Aus technischer Sicht kann ich sagen, dass es zwei sehr große Herausforderungen gibt, die aber auch tagtäglich sehr viel Spaß machen. Das eine ist das Zusammenspiel der Brennstoffzelle und der Turbine, wie das reglungstechnisch und auch elektrotechnisch zu lösen ist.“

Klöckner meint zwar, dass sich das jetzt relativ simpel anhört, „aber man kann sich vielleicht auch vorstellen, dass in verschiedenen Flugphasen – vor allem in der Transitionsphase - das softwaretechnisch und reglungstechnisch schwierig abzubilden ist.“ Es sei zwar mit den heutigen softwareseitigen Möglichkeiten auf jeden Fall lösbar, aber es bleibe eine Herausforderung.

„Wir haben dafür einen Spezialisten in den Werkstätten, der fest angestellt wird, wenn er seine Masterarbeit abgeschlossen hat. Denn man muss sich junge Leute holen, weil Ältere sich mit diesem Thema noch nicht befasst haben“, beschreibt Klöckner. Man könne froh sein, wenn es im Studium schon gelehrt werde und es da schon erste Experten gebe.

Integration der Rotoren in den Flügel als geometrische Aufgabe

„Die zweite große Herausforderung ist mit Sicherheit die Integration der Rotoren in den Flügel. Das ist eine geometrische Aufgabe, also ein Platzthema“, erläutert Klöckner.

Die Produktionsverfahren, um das herzustellen, gibt es laut Klöckner. „Aber wie das jetzt letztendlich designtechnisch gelöst wird, was jetzt wirklich das Optimum ist, gerade bei der Aerodynamik, das kann man zwar simulieren und das haben wir auch schon gemacht. Aber es muss letztendlich praktisch getestet werden“, unterstreicht Klöckner. Dieses praktische Testen vom Labormaßstab bis hin zum 1:1 Modell betreffe alle Komponenten. Das ist auch etwas, was über Monate getestet werden müsse.

Auch die Skalierbarkeit hat das Odonata-Team im Blick, wie Nickel darstellt: „Wir haben zuerst analysiert, ob es einen Markt gibt. Der ist sogar sehr groß, auch weltweit. Von touristischen Einsatzmöglichkeiten über Rettungsflüge bis hin zu Logistikeinsätzen.“

Breite Einsatzmöglichkeiten durch große Kabine

Ein Alleinstellungsmerkmal für den Odonata-Hoverplane ist laut Nickel auch die Größe der Kabine. „Denn die meisten Kabinen sind nur für drei bis vier Personen ausgelegt, manche nur für eine Person. Wir haben eine Kabine mit über zwölf Kubikmetern. Die kann sogar Paletten aufnehmen oder acht Personen plus Pilot. Das ist unsere Zielgröße“, berichtet Nickel.

Nickel geht auch davon aus, dass die Einsatzmöglichkeiten sehr breit sind. „Betrachtet man den heutigen eVTOL-Markt, dann konzentriert er sich stark auf die Flughafenzubringer. Wir glauben aber, dass man mit dem Hoverplane auch in der dritten Welt ein Logistiksystem schaffen kann, wo es zum Teil keine Straßen gibt und eine potenzielle Ernte kaum erreichbar ist. Somit ließen sich sogar Engpässe bei Ernteausfällen reduzieren“, denkt Nickel laut nach.

Aber auch Notfall-Logistiker könnten die Hover einsetzen. „Man hört immer wieder, dass die Produktion in Automobilwerken steht, weil sie manche Teile nicht erhalten hat, beispielsweise aufgrund von geopolitischen Verwerfungen. Und das sind längst nicht alle Möglichkeiten“, resümiert Nickel.