IN DEN SCHWIMMEN des Floridas der 1950er Jahre störte ein lautes Dröhnen gelegentlich die Ruhe der örtlichen Alligatoren. Unter strengster Geheimhaltung testeten Ingenieure des Luft- und Raumfahrtunternehmens Pratt & Whitney einen neuen Triebwerkstyp, der von einer seltsamen Substanz angetrieben wurde, die angeblich aus einer Düngemittelfabrik in der nahe gelegenen Stadt Apix kam. In Wirklichkeit war die Stadt nur ein Name auf einer Landkarte, und die Düngemittelfabrik war ein Trick, um die Russen zu täuschen. Die Unruhen waren das Ergebnis des Projekts Suntan, eines Versuchs der amerikanischen Luftwaffe, ein mit Wasserstoff betriebenes Flugzeug zu bauen. Es hätte fast geklappt. Die Triebwerke funktionierten erfolgreich, aber die Lagerung und Lieferung des Wasserstoffs selbst erwies sich als zu teuer, um die Produktion fortzusetzen.
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Suntan war nur der erste einer Reihe von gescheiterten Versuchen, Wasserstoff als Antrieb für Flüge schwerer als Luft zu nutzen. Die Verlockung ist groß. Wasserstoff enthält dreimal so viel Energie pro Kilogramm wie Kerosin, der derzeitige Standardtreibstoff in der Luftfahrt, und Leichtigkeit ist in der Luft von größter Bedeutung. Tupolev, in der damaligen Sowjetunion, versuchte es in den 1980er Jahren. Boeing versuchte es in den 2000er Jahren. Ein kleines Demonstrationsflugzeug ist in Deutschland geflogen. Aber nichts hat sich sozusagen wirklich durchgesetzt. Wasserstoff ist zwar leicht, aber sperrig und lässt sich daher nur schwer an Bord lagern. Er muss entweder unter Druck gesetzt oder verflüssigt werden, was beides seine eigenen Komplikationen mit sich bringt. Darüber hinaus gibt es keine etablierte Infrastruktur für die Herstellung und Verteilung von Wasserstoff.
Diesmal ist es anders
Jetzt haben sich die Dinge jedoch geändert. Die Luftfahrt steht unter dem Druck, die Kohlendioxidemissionen zu verringern, indem weniger Kerosin verbrannt wird. Und es wird ernsthaft über den Aufbau von Infrastrukturen zur Herstellung und Lieferung von Wasserstoff für andere Zwecke wie Heizung und Bodentransport gesprochen, was bedeutet, dass Wasserstoff als Handelsware verfügbar werden könnte, anstatt speziell hergestellt werden zu müssen. Das Gleichgewicht der Vorteile könnte sich also verschieben. Einige mutige Menschen haben sich daher erneut mit der Idee des wasserstoffbetriebenen Flugs befasst.
Das Projekt Suntan verwendet den Stoff auf die gleiche Weise wie Kerosin, um die für den Antrieb eines Düsentriebwerks erforderliche Wärme zu erzeugen. Das ist ein Weg in die Zukunft. Aber viele Flugzeuge werden von Propellern angetrieben, und dies ermöglicht einen zweiten Ansatz, denn Propeller können von Elektromotoren angetrieben werden. Mit Hilfe von Brennstoffzellen, einer Technologie aus dem 19. Jahrhundert, die jetzt zu neuem Leben erwacht, ist es möglich, die dafür benötigte Elektrizität mit Wasserstoff zu erzeugen.
Dies ist der Ansatz von ZeroAvia, einem Unternehmen mit Sitz in Cranfield, im Süden Großbritanniens. Im September stellten die Ingenieure von ZeroAvia ein sechssitziges, brennstoffzellenbetriebenes Flugzeug vor, das starten, zwei Runden um den Flughafen drehen und landen kann. Bei dem Flugzeug handelt es sich um eine modifizierte Piper M-Klasse – ein Flugzeug mit einem Propeller, der normalerweise von einem Kolbenmotor angetrieben wird. Die Ingenieure ersetzten diesen durch einen Elektromotor und installierten eine Reihe von Brennstoffzellen, um den Motor anzutreiben, sowie eine Reihe von Tanks für den Wasserstoff, mit dem die Brennstoffzellen betrieben werden.
Val Miftakhov, der Chef von ZeroAvia, hofft, dass dieses Demonstrationsflugzeug in der Woche vom 21. Dezember einen 400 km langen Flug absolvieren kann, gefolgt von einem längeren Flug von Orkney, einer Inselgruppe vor der Nordspitze Großbritanniens, im nächsten Frühjahr. (Die Behörden von Orkney sind an „Hopper“-Flugzeugen interessiert, die die Inseln der Inselgruppe miteinander verbinden können). Das Unternehmen plant außerdem, im Jahr 2021 einen 20-sitzigen Demonstrator fertig zu haben. Die Zertifizierung für die kommerzielle Nutzung könnte 2023 erfolgen.
Nach ZeroAvia ist H2Fly, eine Ausgründung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), auf dem Vormarsch. Im Jahr 2016 hat das Unternehmen ein motorisiertes Pipistrel-Segelflugzeug mit Brennstoffzellen ausgestattet, das dann 15 Minuten lang in der Luft blieb. Es ist geplant, diesen Ansatz in Tests, die in Kürze durchgeführt werden sollen, auf ein Propellerflugzeug in der Serienversion auszuweiten. In der Zwischenzeit hat der amerikanische Elektromotorenhersteller magniX eine Partnerschaft mit Universal Hydrogen, einem Unternehmen in Los Angeles, angekündigt, um eine 40-sitzige Dash 8-300 von de Havilland Canada für den Betrieb mit Brennstoffzellen umzurüsten. Man hofft, dass dies bis 2025 möglich sein wird.
Solche Ansätze scheinen im Prinzip zu funktionieren. In der Praxis werden sie jedoch mit batteriebetriebenen Elektroflugzeugen konkurrieren müssen. Im Mai flog das amerikanische Unternehmen AeroTEC eine neunsitzige Cessna Caravan, die auf Batteriebetrieb umgerüstet worden war, durch den Himmel über dem Bundesstaat Washington. Im Dezember letzten Jahres arbeitete magniX mit dem kanadischen Unternehmen Harbour Air zusammen, um ein umgebautes de Havilland-Wasserflugzeug in British Columbia zu fliegen. Die beiden Unternehmen sind nun damit beschäftigt, dieses Flugzeug für die kommerzielle Zulassung vorzubereiten. Ehrgeizigere Unternehmen wie Eviation, ein israelisches Unternehmen, versuchen, batteriebetriebene Flugzeuge von Grund auf zu bauen, anstatt bestehende Flugzeugzellen umzubauen.
Batterien nicht inbegriffen
Befürworter von Brennstoffzellen sagen jedoch, dass diese besser als Batterien für den Flugantrieb geeignet sind, da die Zellen und der dazugehörige Brennstoff ein Vielfaches der Energie pro Kilogramm speichern, die Batterien bewältigen können. „Batterien geben einem wirklich die Beschleunigung. Aber sie bieten keine Reichweite“, sagt Robert Steinberger-Wilckens, Chemieingenieur an der Universität von Birmingham in Großbritannien. Die Batterietechnologie wird immer besser, aber es sind noch große Durchbrüche nötig, bevor längere Fahrten mit Passagieren und Fracht an Bord möglich werden.
Ein Anfang ist der Einbau elektrischer Energiequellen in ein bestehendes Flugzeug, sei es in Form von Batterien oder Brennstoffzellen. Aber ein solcher Antrieb könnte zu erheblichen Umgestaltungen führen, wie sie Eviation für sein mögliches Produkt Alice plant. Dieses hat drei Propeller, die alle nach hinten gerichtet sind. Rückwärts gerichtete Propeller waren zwar einst beliebt, sind aber seit Jahrzehnten aus der Mode gekommen. Elektrische Senkrechtstarter – Drohnen, die Menschen transportieren und manchmal als die Zukunft des Individualverkehrs angepriesen werden – werden oft von mehreren kleineren Elektromotoren angetrieben, so dass sie sich gut mit Wasserstoff-Brennstoffzellen kombinieren lassen.
Große Maschinen haben größere Probleme. Für den Start und die Landung eines Flugzeugs ist viel mehr Energie erforderlich als für den Reiseflug, und weder Batterien noch Brennstoffzellen haben bisher die Kraft, dies für andere als kleine Flugzeuge zu leisten. Wenn größere Flugzeuge mit Wasserstoff angetrieben werden sollen, muss zumindest ein Teil der Arbeit erledigt werden, indem man zum Projekt Suntan zurückkehrt und turbinengetriebene Triebwerke einsetzt, die den Stoff als Gas verbrennen.
Dieser Ansatz wird jetzt von Airbus verfolgt, einem europäischen Unternehmen, das sich mit Boeing aus Amerika ein Duopol bei großen Passagierflugzeugen teilt. Im September stellte Airbus das Projekt ZEROe vor, in dessen Mittelpunkt drei mit Wasserstoff betriebene Konzeptflugzeuge stehen. Obwohl es sich dabei um Kurzstreckenflugzeuge mit einem Mittelgang handelt, sind sie einen Schritt weiter als alle Flugzeuge, die ausschließlich mit Brennstoffzellen angetrieben werden.
Alle drei Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie die beiden wasserstoffbasierten Technologien miteinander verbinden, wobei wasserstoffbetriebene Turbinentriebwerke für den Start und Brennstoffzellen für den Reiseflug sorgen. Bei einem der Konzepte handelt es sich um eine Turboprop-Maschine, die bis zu 100 Passagiere über Entfernungen von bis zu 2.000 km befördern könnte. Eine größere Turbofan-Version würde die doppelte Ladung doppelt so weit befördern. Der dritte Ansatz ist eher experimentell: ein „Blended Wing“-Modell, bei dem Rumpf und Tragflächen Teil derselben dreieckigen aerodynamischen Struktur sind. Dies hat den Vorteil, dass zusätzliches Volumen für die Wasserstoffspeicherung geschaffen wird.
Die Herausforderungen bei der Verwendung von Wasserstoff gehen jedoch über die Form des Körpers hinaus. Die Umgestaltung eines Turbinentriebwerks für den Betrieb mit Wasserstoff wird ein milliardenschweres Unterfangen sein. Wasserstoff brennt schneller als Kerosin und auch heißer. Das bedeutet, dass die Materialien, die seiner Verbrennung ausgesetzt sind, stärker belastet werden. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Umweltverschmutzung in Form von Stickoxiden zunimmt, was die Umweltvorteile der Wasserstoffverbrennung teilweise zunichte machen würde. Außerdem wäre es sinnvoll, einen Teil der Energie, die bei der Komprimierung oder Verflüssigung des Wasserstoffs für die Speicherung verbraucht wird, zurückzugewinnen und zu nutzen.
In den nächsten Jahren wird sich Airbus darauf konzentrieren, die beiden Technologien der Brennstoffzellen und der wasserstoffbetriebenen Turbinen parallel zur Konstruktion seiner künftigen Flugzeuge zu entwickeln. Wenn die Bodentests erfolgreich verlaufen, hofft das Unternehmen, bis 2025 Demonstrationsflugzeuge in der Luft zu haben, die Glenn Llewellyn, Vizepräsident für emissionsfreie Flugzeuge bei Airbus, als fliegende Prüfstände bezeichnet. Ein Prototyp in Originalgröße würde bis zum Ende des Jahrzehnts folgen, und das erste emissionsfreie Verkehrsflugzeug könnte bis 2035 in Betrieb gehen. Wer die Triebwerke für ein solches Flugzeug liefern würde, ist noch nicht klar. Safran, ein französischer Triebwerkshersteller, der häufig mit Airbus zusammenarbeitet, hat jedoch bestätigt, dass er Wasserstoffantriebe für Verkehrsflugzeuge in Erwägung zieht.
Boeing ist diesem Beispiel bisher nicht gefolgt. Diese geografische Aufteilung ist möglicherweise kein Zufall. Die öffentliche Politik der EU ist eindeutig grün, ebenso wie die öffentliche Politik Großbritanniens, das zwar nicht mehr Mitglied der EU ist, aber mehrere Airbus-Werke beherbergt. Die EU-Politik schlägt sich insbesondere in der Bereitstellung von Geldern für die einschlägige Forschung im Rahmen des Clean Sky 2-Programms der Union nieder.
In den vergangenen vier Jahren wurde in Amerika keine derartige Unterstützung angeboten, weder moralisch noch finanziell. Die neue Regierung unter Joe Biden scheint jedoch in Umweltfragen mit Europa einer Meinung zu sein. Und diese neue Richtung wird wahrscheinlich, wie in Europa, von öffentlichen Geldern begleitet werden. Darüber hinaus würde Boeing ein Risiko eingehen, wenn es die Wasserstofftechnologie Airbus überließe. Sollte sich die Technologie durchsetzen, würde das Unternehmen riskieren, einen wichtigen Teil seines Marktes zu verlieren – und das kann es sich sicher nicht leisten.■
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Dieser Artikel erschien im Technologieressort Science & der Printausgabe unter der Überschrift „If at first you don’t succeed…“