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Luftfahrt:Fliegen mit Ionenwind

Pioniertat in einer Turnhalle.

(Foto: Steven Barrett (MIT))
  • Ein Ingenieurteam hat das weltweit erste mit einem Ionenantrieb ausgestattete Flugzeug zum Fliegen gebracht.
  • Nach Propellern, Düsen und Raketen ist das womöglich der erste Schritt zu einer neuen Variante von Flugzeugmotoren.
  • Der Ionenantrieb erzeugt lächerlich wenig Schub, was die Technik für die kommerzielle Fliegerei derzeit noch uninteressant macht. Dennoch ist der Jungfernflug eine bemerkenswerte Pioniertat.

Vieles an diesem Erstflug erinnert an eine berühmte Pionierleistung der Fliegerei. Die breiten, filigranen Tragflächen, die vielen Verstrebungen und auch die kurze Flugdauer von wenigen Sekunden. Man fühlt sich unweigerlich an den ersten Motorflug der Luftfahrtgeschichte erinnert, an die Whopper Flying Machine, mit der den Brüdern Wilbur und Orville Wright am 17. Dezember 1903 der erste bemannte Motorflug der Geschichte gelang - am Strand von Kitty Hawk im US-Bundesstaat North Carolina.

Sicher, im aktuellen Fall war kein Pilot an Bord. Und überhaupt: Was soll im Jahr 2018 schon aufregend sein an einem Flugzeugmodell, das knapp neun Sekunden lang durch eine Sporthalle fliegt?

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Die Antwort darauf ist: der Antrieb. Haofeng Xu vom Massachusetts Institute of Technology und sein Team haben das weltweit erste mit einem Ionenantrieb ausgestattete Flugzeug zum Fliegen gebracht. Nach Propellern, Düsen und Raketen ist das womöglich der erste Schritt zu einer neuen Variante von Flugzeugmotoren. Gemach, werden Fachleute nun sagen, so ein Ionenantrieb erzeugt lächerlich wenig Schub, was die Technik für die kommerzielle Fliegerei uninteressant macht. Das ist derzeit zweifellos richtig. Dennoch ist der Jungfernflug von Xus Flugmaschine eine bemerkenswerte Pioniertat ( Nature).

Einen Ionenantrieb muss man sich als Molekülschleuder vorstellen. In Xus Version besteht das Herzstück aus parallelen, quer zur Flugrichtung gespannten Drahtpaaren. Der vordere Draht wird mit einer Hochspannung von 40 000 Volt geladen, woraufhin das starke elektrische Feld um ihn herum Luftmoleküle ionisiert, also die geladenen Elektronen entreißt. Diese Elektronen werden von dem zweiten, dahinter liegenden Draht aufgrund des Spannungsgefälles angezogen und beschleunigt. Auf ihrem Weg zu dem hinteren Draht stoßen die Elektronen mit den neutralen Molekülen der Luft zusammen und übertragen ihre Impulse auf diese.

So entsteht ein Wind aus Luftteilchen, kaum mehr als ein sanftes Lüftchen, muss man sagen. Doch indem Haofeng Xus Gruppe ein ganzes Geflecht dieser Hochspannungsdrähte unter die fünf Meter breiten Tragflächen ihres Modellflugzeugs gespannt hat, konnte eine Gesamtschubkraft von immerhin 3,2 Newton erreicht werden. Das entspricht der Kraft, die man braucht, um ein Gewicht von gut 320 Gramm anzuheben. Es genügte, um den nur 2,45 Kilogramm schweren Flieger über mehrere Tennisplätze hinweg knapp neun Sekunden lang mit fast 17 km/h durch die Luft gleiten zu lassen - und das mehrmals. Wohlgemerkt, das war kein Segelflug, sondern in der Tat ein motorgetriebener Flug.

Oder pathetisch gesprochen: Ein Ritt auf dem Ionenwind. Es ist der erste Flugzeugmotor, der ganz ohne bewegliche Teile auskommt und keinen Treibstoff verbrennt. Sowohl in Propeller- als auch in Strahltriebwerken gibt es bekanntlich rotierende Komponenten, und Raketenantriebe verbrauchen jede Menge Sprit. In Xus Ionenantrieb erzeugt allein das elektrische Feld zwischen den elektrisch geladenen Drähten den rückwärts wehenden Lufthauch. In dieser Hinsicht funktioniert das neue Triebwerk auch anders als Ionenantriebe, wie sie seit Jahren in der Raumfahrt eingesetzt werden. Diese erzeugen elektrisch geladene Ionen, die mit Hochspannung beschleunigt und mit enormer Geschwindigkeit (Zehntausende km/h) ins All gespien werden. Jedes einzelne dieser Ionen erzeugt nur einen winzigen Impuls, so als würde man aus einem Fahrzeug Sandkörner nach hinten werfen, um vorwärts zu kommen.

Raumsonden schaffen mit dieser Antriebsart 12 000 km/h

Aber interplanetare Missionen haben erstens viel Zeit, und zweitens muss kein Luftwiderstand überwunden werden. Daher können Raumsonden, in denen ein Ionenantrieb ein ganzes Jahr lang wummert, auf mehr als 12 000 km/h beschleunigt werden. Auch dank seines günstigen Gewichts ist ein Ionenantrieb für Raumsonden besonders geeignet. Die nötige elektrische Energie besorgen Solarpaneele.

Von all diesen Umständen konnte Xu nicht profitieren. Der Schub seines Prototypen ging vorwiegend für die Überwindung des Luftwiderstands drauf. Die aerodynamische Gestalt dieses ersten Ionenfliegers war somit entscheidend für den Erfolg, ebenso wie eine ultraleichte Hochspannungsquelle, die 40 000 Volt erzeugen und zugleich das Gesamtgewicht des Modellflugzeugs im Rahmen halten musste. Ein entscheidender Nachteil des Ionenantriebs ist zudem die Energieeffizienz. Nur ein Bruchteil der verbrauchten elektrischen Energie wird in physikalischen Vortrieb verwandelt. Immerhin gelang es Xu, diesen Quotienten auf einen Rekordwert von 2,6 Prozent zu steigern. Weitere Fortschritte in diesen Aspekten werden in Zukunft über den praktischen Nutzen von Ionenantrieben entscheiden. Immerhin ergaben Modellrechnungen, dass die Effizienz bei höheren Geschwindigkeiten deutlich steigt - und es prinzipiell möglich sein könnte, beispielsweise den Weltrekord-Solarflieger Solar Impulse 2 mit einem Ionenantrieb auszustatten. Der Aerodynamiker Franck Plouraboué von der Universität Toulouse nennt die Pioniertat von Xus Team in einem Begleitkommentar der Zeitschrift Nature jedenfalls einen "Durchbruch".

Die Verkehrsfliegerei wird dennoch auf absehbare Zeit mit Propellern und Düsen auskommen müssen. Doch, wer weiß, womöglich bringen solargespeiste Lieferdrohnen mit Ionenantrieb eines Tages Pakete aus dem Versandhandel ins Haus.

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