Die Luftfahrtindustrie hat sich verpflichtet, ihre Netto-CO₂-Emissionen bis 2050 gegenüber dem Vergleichsjahr 2005 zu halbieren. Wissenschaftler sagen, 2050 sei zu spät und drängen auf einen Wandel bis 2030. Nach einer Studie unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vom September 2020, die den bisher umfassendsten Einblick zu den Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima liefert, beträgt der Anteil dieses Verkehrsmittels an der menschengemachten Klimaerwärmung 3,5 Prozent.

Davon entfällt nur ein Drittel auf CO₂-Emissionen, die die bisher wichtigste Messgröße für den Umwelteffekt der Fliegerei bilden. Zwei Drittel der Klimawirkung von Flugzeugen aber entfallen auf andere Effekte. Emissionen von Stickoxiden (NO_X) in Flughöhen unterhalb von 12.000 Meter Höhe fördern eine unerwünschte Ozon-Bildung. Unerwünscht, weil Ozon in diesen Luftschichten kein UV-Blocker ist, sondern wie CO₂ als Treib­hausgas wirkt.

Emittierte Rußpartikel wiederum tragen je nach Witterung als Kondensationskeime zur Wolkenbildung bei (u. a. in Form der bekannten Kondensstreifen). Diese Wolken reflektieren Wärmeabstrahlungen von der Erde und tragen so ebenfalls zur Klima­erwärmung bei. Dazu, wie Flugzeuge und ihre Antriebe in Zukunft umweltverträglicher werden können und welche nachhaltigeren Energien dafür genutzt werden könnten, stellen wir interessante Ideen vor.

Effizienter unterwegs im Nurflügler

Um effizienter zu fliegen, müssen auch äußerlich neue Formen für Flugzeuge untersucht werden. Flying V heißt ein Konzept in V-Form, das praktisch nur aus einem Flügel besteht, an dem die Technische Universität Delft in den Niederlanden arbeitet, unterstützt von KLM und Airbus. „Wenn diese Konfiguration tatsächlich zum nächsten Langstreckenflugzeug wird, dann ist das der revolutionärste Wandel, den wir in der Luftfahrt seit der Einführung des Düsenantriebs gesehen haben“, sagt Projektleiter Roelof Vos. Bereits 2014 hob erstmals ein Modell des Nurflüglers zu Flugtests ab. Seitdem hat die TU Delft das Flugzeug weiterentwickelt und startete im Juli 2020 das fliegende V im Maßstab 1:5, Spannweite gut drei Meter, 22 Kilo schwer. Ganz bewusst wurden bei diesem Design die Hürden nicht zu hoch gelegt, das Original wird etwas kleiner als der Airbus A350, heute eines der modernsten und effizientesten Verkehrsflugzeuge. Flying V kann bestehende Flughäfen nutzen und dabei die gleiche Zahl an Passagieren und Fracht wie die A350 befördern – bei 20 Prozent weniger Spritverbrauch. „Und die kommen allein vom Rumpf, vielleicht können wir durch Verbesserungen der Triebwerkstechnologie weitere Effizienzgewinne erzielen“, hofft Vos. Mögliche Zukunftsantriebe wären Wasserstoff-Lösungen über Brennstoffzellen oder als E-Fuel. Wasserstoff benötigt riesige Tanks, die sich in konventionellen Jets kaum unterbringen ließen. „Das wäre im äußeren Bereich der Tragflächen des Flying V aber viel besser möglich als in den dünnen heutigen Flügeln,“ weiß der Professor aus Delft.

Effizienz durch offene Schaufelkränze

Eine neue Jet-Generation muss mindestens 20 Prozent effizienter sein als die vorherige. Das geht nur mit radikal verändertem Antrieb, etwa den erstmals bereits Mitte der 1980er-Jahre vorgestellten Open-Rotor-Triebwerken. Zwei offenliegende, gegeneinander rotierende Kränze von schwertförmigen Triebwerksschaufeln sahen damals spektakulär aus, brachten aber viele Probleme mit sich, von Lärm bis zu Vibrationen. Fast dreieinhalb Jahrzehnte später könnte aus dem Nachfolgemodell nun der große Wurf werden, der als Antrieb eines für etwa 2030 zu erwartenden Nachfolgers der Airbus A320neo-Familie bereitstünde. Unter dem Namen RISE stellte Hersteller CFM Mitte 2021 einen neuen Open-Rotor-Antrieb vor, der mit nur einem rotierenden Kranz aus Carbonfaser-Schaufeln auskommt. Die offene Architektur eliminiert die gesamte Struktur um den Schaufelkranz herum – und damit viel Gewicht und Widerstand – und kann so die optimale Schubwirkung erzielen. Auch schrumpfte der Durchmesser des nicht durch ein Gehäuse ummantelten Triebwerks auf knapp vier Meter, was dem Ausmaß heutiger Turbofan-Antriebe inklusive Gehäuse etwa beim A320neo oder der Boeing 737 MAX entspricht. Entscheidend ist, dass RISE mit allen Arten von Treibstoff läuft, bis zu 100 Prozent nachhaltigem Flugsprit oder auch Wasserstoff. Das RISE-Triebwerk soll den Verbrauch um 20 Prozent senken, und das, so der Hersteller, sei nur eine Komponente der gesamten ­Effizienz des Konzepts. Mit ergänzenden Modifikationen am Flugzeug ließe sich die Effizienz bis 2035 auf 30 Prozent gegenüber heutigen Modellen steigern.

© Schaeffler

Seit Anbeginn der Luftfahrt waren Ingenieure bestrebt, die Effizienz und die Sicherheit der Flugzeuge kontinuierlich zu verbessern. Nur dadurch konnten sie zu dem sichersten Massen-Verkehrsmittel unserer Zeit werden. Und die wenigsten werden wissen, dass ein voll besetzter Airbus A319neo pro Passagier nur noch zwei Liter Kerosin auf 100 Kilometer benötigt. Das nächste Ziel der Luftfahrtbranche heißt Null-Emission. Dieses Ziel lässt sich nur mit einem Technologie-Mix für die verschiedenen Anwendungen realisieren

Armin Necker,
Geschäftsführer Schaeffler Aerospace

„Grüner“ Sprit als Brücke in die Zukunft

Um das Fliegen umweltfreundlicher zu machen, müssen andere Energiequellen her, derzeit stehen nachhaltige Flugtreibstoffe (Sustainable Aviation Fuel – SAF) im Fokus. Da der Anbau von Biomasse zur Konkurrenz mit dem Nahrungsmittelanbau führen kann, beschränkt sich die Herstellung auf die Verwertung etwa von Nahrungs- und Holzabfällen oder gebrauchtem Speiseöl, um nachhaltig zu sein. Daher ist die zu erzeugende Menge an Biokerosin naturgemäß begrenzt. Im Vor-Coronajahr 2018 wurden weltweit rund 15 Millionen Liter Biokerosin hergestellt – weniger als 0,1 Prozent der in der Fliegerei benötigten Treibstoffmenge. Für größere Mengen setzen Pilotprojekte bereits auf die sogenannte Methanol-to-Synfuels-Synthese. Allerdings sind heute für die Erzeugung einer Kilowattstunde synthetischen, strombasierten Treibstoffs im Power-to-Liquid (PtL)-Verfahren noch zwei Kilowattstunden Strom nötig. Um die Tagesration eines Airbus A350 an synthetischem Kerosin zu decken, wären laut Berechnungen der HAW Hamburg 52 Großwindräder mit je 4,6 Megawatt Nennleistung erforderlich. Aber: Ein ausschließlich damit fliegendes Flugzeug wäre CO2-neutral unterwegs, weil es nur vorher der Atmosphäre entzogenes CO2 wieder emittiert. Bislang wird synthetisches Kerosin lediglich in geringem Anteil herkömmlichen Brennstoffen beigemischt. Um seinen Anteil zu steigern, versuchen es viele Länder mit vorgeschriebenen Mindestquoten für die Menge an beizumischendem SAF, Deutschland plant 0,5 Prozent ab 2026 und zwei Prozent ab 2030, Neste Oil, einer der größten Hersteller, hält fünf Prozent Anteil bis 2025 und zehn Prozent bis 2030 für realistisch in Europa.

Triebwerkspower aus der Steckdose

Elektroantriebe könnten in den nächsten Jahren schon marktreif sein – in Hybridflugzeugen mit bis zu 50 Sitzen für regionale Flüge auf Kurzstrecken. Das Start-up Heart Aerospace aus Schweden erhielt im Juli 2021 einen gewaltigen Schub durch den US-Giganten United Airlines, die bis zu 200 Stück des größten bisher in der Entwicklung befindlichen reinen Elektroflugzeugs ES-19 bestellten. Auch Finnair kooperiert mit Heart und hat sich bis zu 20 Exemplare des 19-Sitzers gesichert. Er soll bis zu 400 Kilometer weit fliegen können, danach müssen die Stromspeicher vor dem nächsten Flug wieder aufgeladen werden, was mit einem 1-Megawatt-Ladegerät am Boden etwa 40 Minuten dauern soll. Nach rund tausend Ladezyklen müssen die Akkus getauscht werden. Die allerersten Elektroflugzeuge für den Passagierverkehr könnten in Skandinavien schon Mitte des Jahrzehnts im Liniendienst stehen. In Norwegen haben sich die Regionalgesellschaft Widerøe, Triebwerksbauer Rolls-Royce und der italienische Flugzeughersteller Tecnam zusammengetan. Das Trio will bereits in etwa fünf Jahren mit der neunsitzigen P-Volt (Abb. unten) das erste Passagierflugzeug mit ausschließlich Elektroantrieb einsetzen. Das Hauptproblem elektrischen Antriebs bleibt die geringe Energiedichte der heutigen Batte­rien. 200 bis 250 Wh/kg sind das Maximum – während Kerosin eine Energiedichte von ­12.000 Wh/kg erreicht.

© Tecnam

Allerdings entwickelt sich die verfügbare Batterieeffizienz bei Lithium-Akkus um fünf bis acht Prozent pro Jahr weiter und die NASA erwartet, bis 2030 etwa eine Energiedichte von 350 Wh/kg zu erreichen, was ein 30-sitziges Elektroflugzeug für Kurzstrecken ermöglichen würde. Die Automobilindustrie arbeitet derweil an Festkörper­Akkus mit bis zu 400 Wh/kg, und es gibt sogar Pläne für Fahrzeugbatterien mit 1.000 Wh/kg. Bei Flugzeugen ist reiner Elektroantrieb allerdings auch mittelfristig nur für kleinere Propellerflugzeuge möglich. Bei größeren Regionaljets mit rund hundert Sitzen dagegen bieten sich Hybridlösungen an, Kombinationen von Elektromotoren und konventionellem Jet-Antrieb. Das verleiht den Flugzeugen eine beträchtlich größere Reichweite, gleichzeitig sparen vor allem bei Start und Landung zugeschaltete Elektromotoren Sprit, Emissionen und Lärm.

Ich kann mir eine Welt vorstellen, in der Kurzstrecken in Regionalflugzeugen batterieelektrisch betrieben werden. Für Strecken bis 2.000 Kilometer ist Wasserstoff der passende Energieträger, der entweder CO2-neutral direkt verbrannt wird oder über eine Brennstoffzelle elektrische Antriebe versorgt. Für die Langstrecke sehe ich in den nächsten Jahrzehnten keine Alternative zu den aus regenerativen Energien hergestellten synthetischen Kraftstoffen. Dadurch ergeben sich für Schaeffler Aerospace hervorragende Zukunftschancen. Die Luftfahrt hat ihre eigenen hohen Standards. Und wir sehen uns in der Lage, das bereits sehr gute Entwicklungs- und Serien-Know-how im Unternehmen für elektrische Antriebe auf diese Branche zu übertragen

Armin Necker,
Geschäftsführer Schaeffler Aerospace

Überschall, aber diesmal nachhaltig?

Seit dem Ende der Concorde 2003 gibt es keine Überschall-Passagierflüge mehr. In ihrem ex­tremen Energiebedarf, dem unvermeidlichen Überschallknall und Emissionen in großer Höhe wären solche Flüge nicht mehr zeitgemäß. Trotzdem könnte es bald ein neues Überschall-Zeit­alter geben: Boom Supersonic aus Denver will bis Ende des Jahrzehnts mit ihrer Overture als kleinerem Concorde-Nachfolger wieder Überschallflüge ermöglichen, und das nachhaltiger und mit vermindertem Knall­effekt. United Airlines, viertgrößte Fluggesellschaft der Welt, verkündete im Juni 2021 seine Absicht, 15 Overture zu erwerben, auch Japan Airlines hat bereits Optionen. Ab 2029 soll sie Passagiere mit 1,7-facher Schallgeschwindigkeit (2.100 km/h) befördern, deutlich langsamer als die Concorde, die Mach 2,02 (2.494 km/h) schaffte. Das neue Flugzeug würde mit 50 bis 60 Passagieren weniger Reisende fassen als die Concorde mit hundert Sitzen, allerdings pro Passagier drei bis fünfmal mehr CO2 ausstoßen als ein Unterschallflug auf gleicher Route, und nach Schätzungen der unabhängigen Forscher des International Council on Clean Transportation (ICCT) fünf- bis siebenmal mehr Treibstoff je Passagier verbrauchen. So weit, so schlecht. Aber: Boom will Overture als erstes Verkehrsflugzeug überhaupt so auslegen, dass es zu 100 Prozent mit nachhaltigem, synthetischem Kraftstoff fliegen kann. Allerdings gibt es davon bisher viel zu wenig, allein die 15 Overture von United könnten gegen Ende des Jahrzehnts mehr als das Doppelte der Menge des nachhaltigen Flugtreibstoffs benötigen, der dann in der gesamten EU vorhanden sein wird, schätzt der ICCT.

Wirkt Wasserstoff Wunder?

Bis 2035 will Airbus das weltweit erste „emissionsfreie“ Verkehrsflugzeug herausbringen. Der Ankündigung widersprechen unabhängige Wissenschaftler. Null-Emissionen seien niemals möglich, sagt etwa Dieter Scholz, Professor an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW). Gleich drei verschiedene Entwürfe hat der Flugzeughersteller aus Toulouse vorgelegt – darunter ein eher konventionell aussehender Jet und ein Nurflügler –, von denen einer umgesetzt werden soll, vermutlich die Turboprop-Variante. Die Idee, Wasserstoff statt Kerosin als Energiequelle für Flugzeugtriebwerke zu nutzen, stellt eine echte Herausfordeurung dar. Bis heute fehlt es an alltagstauglichen und wirtschaftlich zu betreibenden Wasserstoff-Flugzeugkonzepten, auch die Infrastruktur für Lagerung und Betankung am Boden zu schaffen ist komplex. Wasserstoff ist nicht pflegeleicht: Er weist zwar gegenüber Kerosin die dreifach höhere Energiedichte auf, ein großer Vorzug gegenüber Batte­rien, und wiegt nur ein Drittel so viel, benötigt aber bis zu viermal mehr Volumen. Und Platz ist an Bord von Flugzeugen nun mal knapp. Außerdem, und das macht es besonders anspruchsvoll, ist Wasserstoff ein sogenannter kryogener Treibstoff: Ein Gas, das erst bei minus 253 °C flüssig und unter hohem Druck komprimiert für Antriebe nutzbar wird. Wasserstoff lässt sich auf verschiedene Arten für Flugzeuge nutzen: Zur direkten Verbrennung in umgerüsteten Gasturbinen, durch Brennstoffzellen umgewandelt in elektrische Energie – oder man produziert damit in Kombination mit CO2 synthetisches Kerosin. Das Start-up Universal Hydrogen hat jetzt ein simples Kapsel-System für die Wasserstoff-Versorgung von Turboprop-Flugzeugen (Foto) entwickelt. Am Boden würden zwischen den Flügen zwei Meter lange Wasserstoff-Kapseln hinten im Flugzeug ausgetauscht, um im Flug via Brennstoffzelle Strom zu erzeugen, der die beiden Elektromotoren antreibt. Erste Airlines haben bereits bestellt und wollen ab 2025 vorhandene Flugzeuge wie die ­ATR-72 und die Dash-8 auf diese Weise so gut wie emissionsfrei betreiben.