#Mobilität der Zukunft: Innovationskünstler*innen im Gespräch...über elektrisch angetriebe Flugzeuge

Nico Kubanek:

Herzlich willkommen zu unserer Reihe „Platz für Innovationsünstler“ dem Podcast, der die Macher hinter den Innovationen in der Metropolregion Nürnberg vorstellt. Heute wollen wir uns mit der Zukunft des Fliegens beschäftigen und einen Blick hinter die Kulissen des Fraunhofer Instituts IISB werfen. Zu Gast habe ich mit Florian Hilpert, einen der führenden Wissenschaftler im Bereich der Luftfahrt Elektronik. Gemeinsam gehen wir unter anderem der Frage nach, wie wahrscheinlich es ist, dass wir bald mit dem ersten Flugzeug in den Urlaub fliegen können. Florian Herzlich willkommen! Schön, dass du heute bei uns bist. Erzähl unseren Hörern doch kurz, woher du kommst und was du genau machst.

Florian Hilpert:

Ja. Hallo. Freut mich, dass ich heute bei euch dabei sein kann. Mein Name ist Florian Hilpert. Ich arbeite am Fraunhofer IISB seit 2012 und hab vorher schon als Student an der Uni Erlangen recht viel beim Fraunhofer mitgearbeitet. Habe ursprünglich Komponenten für Elektrofahrzeuge entwickelt, da hauptsächlich Leistungselektronik und jetzt so seit drei, vier Jahren haben wir uns dann auf elektrische Luftfahrt Antriebstechnik spezialisiert und transferieren da gerade ganz viel Knowledge aus dem Automotive Bereich in Richtung Luftfahrt.

Nico Kubanek:

Das klingt nicht nur spannend, sondern doch auch ein Stück weit revolutionär. Mit dem, was du tust, willst du ja irgendwie die Luftfahrt elektrifizieren. Was steckt hinter deiner Vision oder dem Antrieb, was du da genau machst?

Florian Hilpert:

Ja, man hat es ja bei der Elektromobilität schon ganz gut gesehen, dass einfach ganz neue Antriebskonzepte möglich sind, die in den letzten Jahren aufgekommen sind. Ein starker Treiber war da hauptsächlich die Leistungselektronik neben der Batterietechnik natürlich. Und mit diesen neuen kompakten Elektroantrieben waren auf einmal ganz neue Fahrzeuge möglich. Wenn man sich daran erinnert, früher waren Elektroautos, in denen hing, immer so ein bisschen an, dass die träge sind, haben nicht viel Leistung, sind eher so Verzichtsmobile. Hat sich ja so komplett ins Gegenteil verkehrt. Mittlerweile sind die Elektroautos ja den Verbrennern eigentlich in allem überlegen. Jeder, der schon mal so ein sportliches Elektroauto gefahren ist, der weiß, wovon ich da spreche. Und die Autobauer, die er uns in den letzten Jahren dazu getrieben, immer kleinere und kompaktere Systeme zu bauen, weil im Auto da ist Volumen ist da das Kapital, ist nie Platz in einem Auto. Und die, vor allem die Antriebskomponenten sind mittlerweile so klein geworden, dass es auch einfach verdammt leicht geworden sind. Und dadurch, dass die Antriebskomponenten jetzt plötzlich sehr leicht geworden sind, werden ganz neue Anwendungen auf einmal möglich. Und eine dieser neuen Anwendungen ist eben die Luftfahrt. Also man kann sich vorstellen, in der Luftfahrt ist jedes Kilo ist quasi Gift. Das heißt, je leichter ich bin, desto mehr Effizienz, desto mehr Leistung kann ich eben aus meinem Gesamtsystem rausholen. Und mit jetzt neuen Antrieben, die plötzlich leicht werden, werden eben auch jetzt plötzlich neue Antriebstechnik da möglich. Und die elektrischen Antriebe finden da definitiv grad Einzug in der Luftfahrt.

Nico Kubanek:

Jetzt bin ich persönlich ja auch ein Flugzeug-Fan und interessiere mich total für diese Branche. Trotzdem kann ich es mir nur sehr sehr schwer vorstellen, wenn ich mal auf der einen Seite ein Auto angucke. Das ist ja von der Größe vom Gewicht her doch irgendwo überschaubar und greifbar ist und mir vorstelle, dass so ein riesiges Flugzeug, das ja Tonnen teilweise wiegt, in die Luft mit elektrischem Antrieb getrieben werden sollen. Was sind da so wirklich die Barrieren oder die die Hürden, die ich mir vorstellen kann?

Florian Hilpert:

Ja, da müssen wir uns verschiedene Bereiche anschauen. Also es gibt da erst mal klar ganz unterschiedlich große Flugzeuge. Fangen wir mal mit einem kleinen Flugzeug an. So ein typisches Piloten-Trainer-Flugzeug ist von Größe und Gewicht jetzt gar nicht so viel anders als ein Auto, auch von der Leistung, die es braucht. Eigentlich ziemlich ähnlich. Es braucht ein paar 100 kW Leistung, es wiegt ein paar 100 Kilogramm. Ziemlich ähnlich mit einem Fahrzeug und dessen Technik, die wir jetzt gerade im Moment auf dem Markt zur Verfügung haben, elektrisch machbar sind. Manche haben es vielleicht mitbekommen. Letztes Jahr ist tatsächlich das allererste Elektro Flugzeug Serien-zugelassen worden. Also man kann jetzt einfach auf die Website von Pipistrel gehen und sich dort ein elektrisches kleines, zweisitziges Flugzeug kaufen. Klar, es gab schon elektrische Segelflugzeuge wie die lange Antares natürlich, die wollen wir nicht vergessen. Aber ebenso in diesem klassischen Sport- Flieger Bereich ist das jetzt das erste wirklich zugelassene Elektro-Flugzeug. Da kann man sich aber auch ganz gut vorstellen, so in der Größe, dass es ja schon gesagt ist wie so ein Auto sieht man, das geht elektrisch, geht dort eben auch. Große Hürde sind da auf jeden Fall noch die Batterien. Aber für so typische Piloten-Anwendungen, wo man eine Stunde fliegen will absolut ausreichend. Wenn es jetzt darum geht, so dieses klassische in den Urlaub fliegen wie du gerade schon gemeint hast da verhält sich das Ganze ein bisschen anders. Da darf man sich das jetzt nicht wie so ein Elektroauto vorstellen, wo man einfach eine riesengroße Batterie reinpackt und dann komme ich schon ausreichend weit und zwischendurch lade ich mal schnell nach, um dahin zu kommen, wo ich hinwill. Dort werden hybride Ansätze verfolgt, einfach weil Flugzeuge haben einen extrem, also wirklich unglaublich hohen Energiedurchsatz, den er einfach benötigen. Das ist mit Batterien auf absehbare Zeit eben nicht darstellbar, aber es macht trotzdem extrem Sinn, hier auf elektrische Antriebstechnik zu gehen. Einer der Kernvorteile ist für ein aktuelles Flugzeug mit zwei so Stahl Triebwerken unter den Flügeln wie zwei Turbinen, die sich vorstellen, die sind immer ein Kompromiss. Kern der Turbine, das ist der Teil, der Leistung erzeugt, der mag gerne sehr schnell drehen, damit effizient läuft und dann dem sogenannten Fan oder Bläser das ist die Turbinenschaufeln, die man sieht, wenn man vorne in die Turbine reinschaut. Die läuft unglücklicherweise besser und effizienter, je langsamer sie läuft. Und da sieht man schon, jedes Triebwerk ist irgendwie ein Kompromiss, einfach ein Auslegungskompromiss. Und wenn ich das Ganze jetzt hybrid löse, dass ich mir zum Beispiel eine große Turbine, die ein sehr hoch, schnell drehendes, effizientes Kerntriebwerk zum Beispiel im Flugzeugrumpf unterbringt, dass die Energie macht. Da hänge ich einen Generator dran, der die Energie in Strom wandelt und dann Elektromotoren unter die Flügel hänge, die eben gerade bei langsamen Geschwindigkeiten eben extrem effizient laufen, kann ich wahnsinnig einen Sprung an Effizienz machen. Also da wird geschätzt, dass gute noch mal 1/3, also wirklich 30 % an Effizienzsteigerung drin sind. Und im Moment sieht man ja bei den ganzen Flugzeugen-Entwicklungen, dass die einfach die sind an ziemlich ausentwickelt in Anführungszeichen. Also jede Technologie erreicht irgendwann so ihren Sättigungswert, wie gut es wird. Da kann man noch viel, viel Geld reinstecken, aber es wird nicht mehr so viel besser. Und eine neue Technologie, die vielleicht erst mal auf einem niedrigeren Level startet, bietet aber eben wesentlich mehr Potenzial. Und eben solche Hybridantriebe, die sind da eben das Konzept und wie diese die Energie im Flugzeug dann erzeugt wird. Das ist dann wieder nochmal ein anderes Thema. Ich kann entweder weiterhin mit Kerosin fliegen. Hole ich mir die Vorteile, die ich gerade ihm schon gesagt habe, einfach durch diesen optimierten Wirkungsgrad von der Energieerzeugung. Aber es gibt dem dann auch die Zeit, wenn ich schon elektrische Motoren habe. Elektrische Energie kann ich aus den verschiedensten Quellen herstellen, kann man sich natürlich auch zum Beispiel Wasserstoff Flugzeuge vorstellen.

Nico Kubanek:

Das heißt, diese Vorstellung, ein rein elektrisches Verkehrsflugzeug, also irgendwo Boeing 737 und größer, wird es nicht geben oder wird es in der Form nicht geben können.

Florian Hilpert:

Auf absehbare Zeit nicht. So, jetzt in den Zeithorizonten. So, sagen wir mal 2030, 2035 schätze ich es mal nicht, dass man eine 737 mit Batterien lösen kann. Zumindest nicht so, dass sie sehr weit kommt. Wenn man das für so kurze innerstädtische Verbindungen nutzen wollte, könnte man sich zwar schon vorstellen sowas zu bauen, aber für so kurze Verbindungen sollte man doch eher die Bahn nehmen.

Nico Kubanek:

Ja, absolut. In unserem ersten Gespräch ist der Begriff Auto Drive gefallen. Aber was genau verbirgt sich dahinter?

Florian Hilpert:

Ja, Auto Drive ist für uns ein unglaublich spannendes Projekt, das bei uns gelaufen ist über die letzten Jahre. Das ist ein europäisch gefördertes Forschungsprojekt, in dessen Rahmen wir eine elektrische Antriebseinheit für ein Forschungsflugzeug der Firma Lange Aviation Research entwickelt haben. Das ist ein Brennstoffzellen basiertes Forschungsflugzeug, das auf autonomes Monitoring von großen Strecken oder großen Flächen ausgelegt ist. Also zum Beispiel kann man sich vorstellen, große Eisfelder in der Antarktis zu monitoren oder 5000 Kilometer Pipeline einmal quer durch die Tundra am Stück abzufliegen. Das sind die Aufgaben, die dieses Flugzeug autonom übernehmen soll. Das Flugzeug hat sechs Brennstoffzellen auf Methanol Basis und sechs elektrische Antriebe und wir haben die Leistungselektronik für die elektrischen Antriebe im Rahmen von dem Projekt entwickelt. Auch die dezidierte Waren dafür die Brennstoffzellen und Batterie Managementsystem im Rahmen von anderen Projekten. Aber hier ging es mal darum zu zeigen, wie klein und kompakt so eine integrierte Luftfahrt Antriebseinheit werden kann. Das Flugzeug muss man sich so vorstellen wie einen sehr großen Segelflieger. Auf dem Flügel, auf der Oberseite von dem Flügel gibt es dann sechs elektrische Antriebe und jeder dieser elektrischen Antriebe hat quasi einen Motor mit seiner zugehörigen Leistungselektronik. Also jeder Motor braucht eine Leistungselektronik. Geht, geht nicht ohne. Normalerweise müssen diese Leistungselektronik aufwendig gekühlt werden. Das ist in jedem Elektrofahrzeug ist das so oder auch in jedem anderen System. Meistens hat man da einen Wasser Kühlkreislauf zum Beispiel in Elektrofahrzeugen findet man die meistens. Man hat den Kühler vorne in der, direkt hinter dem sehr kleinen, aber immer noch vorhandenen Lufteinlass. Am Elektroauto gibt es einen kleinen Kühler und ein Wasser-Kühlkreislauf, der immer die Leistungselektronik auf gute Temperatur hält. Und hier hatten wir jetzt die Aufgabe, da das Flugzeug 30 Meter Spannweite hat, kann man jetzt nicht einfach so Wasser komplett durch das durch den ganzen Flügel verschlauchen. Das ist viel zu schwer und auch viel zu groß vom Volumen. Das Flugzeug muss möglichst schlank sein, damit es aerodynamisch einen Wirkungsgrad hat. Die Aufgabe war jetzt, da drin ohne Kühlsystem auszukommen. Also unsere Leistungselektronik musste so effizient werden, dass wir keine Wasserkühlung brauchen und auch keine so wie man es sonst kennt. Klassische Luft, Kühlung also, wo man eine Menge Kühlrippen hat und vielleicht einen Lüfter drauf. Auch das dürfen wir nicht verwenden, weil jede Kühlrippe macht aerodynamischen Widerstand, jeder Lüfter der irgendwo dreht und läuft ist ein Zuverlässigkeitsthema. Deswegen sollten wir komplett ohne Kühlung auskommen. Also es ist ein bisschen paradoxe Leistungselektronik. Ein Teil der Leistungselektronik ist wirklich immer das thermische Management. Und jetzt hatten wir die Aufgabe, eben ohne thermischen Management auszukommen. Ganz stimmt das natürlich nicht. Wir haben eine bestehende Außenhaut, wo die Leistungselektronik drinsitzt. Das muss man sich vorstellen wie so einen aerodynamischen Tropfen, der vor dem vor dem Motor sitzt oder bzw. die Nase von dem Motor da sitzt unsere Elektronenhaut, wird von Luft umströmt und darüber können wir Wärme abgeben. Aber die Wärme, die wir über so ein aerodynamisch ausoptimiertes, stromlinienförmiges Profil rausbekommt ist natürlich winzig. Und jetzt war die Aufgabe, so wenige Verluste zu erzeugen, dass dieses bisschen an Wärmeabgabe ausreicht, um die Elektronik und den Motor zu kühlen. Und als wir das Projekt gestartet haben, 2016 rum, war ich noch echt skeptisch, dass das überhaupt möglich ist. Aber es gab jetzt in den letzten über die letzten zehn Jahre einige starke Entwicklungen im Bereich Leistungselektronik. Ganz neue Materialien sind auf den Markt gekommen, die erlauben, so effizient zu werden, dass quasi oder fast keine Verluste mehr abfallen. Also wir fahren mit in dem relevanten Betriebsrunden deutlich über 99 % Wirkungsgrad an unserer Elektronik und dadurch fällt kaum noch Wärme an, die irgendwo weggekühlt werden muss. Und auch der Wirkungsgrad. Wenn der so hoch ist, habe ich natürlich auch eine viel höhere Reichweite, die ich damit darstellen kann, als wenn meine Elektronik Systeme in niedrigeren Wirkungsgrad haben und zusammen damit, dass ich eben kein Kühlsystem brauche, was Gewicht wieder eingespart hat, war es möglich, dieses Flugzeug überhaupt erst zu realisieren.

Nico Kubanek:

Spannend. Vielleicht ein kleiner Hinweis an unsere Hörer an der Stelle Wir werden auf der Website zwei, drei Fotos mit zur Verfügung stellen, damit man mal eine Vorstellungskraft hat, was genau sich da drin dann noch abspielt. Ich meine, andere Frage Ihr seid ja sehr, sehr stark vernetzt mit so an der Schnittstelle zwischen Industrie und Forschung. Welche Rolle spielt für dich genau diese, diese Vernetzung?

Florian Hilpert:

Die ist absolut Kern Tatsächlich. Vernetzung ist für gerade für mich so die wichtigste Aufgabe jetzt über die letzten vier, fünf Jahre gewesen in dem ganzen Bereich Luftfahrt, dass dieses diese elektrischen Antriebe noch absolut neu. Also man kann sich das ganz gut vorstellen. So, Flugzeuge werden jetzt noch so gebaut wie sie schon seit Jahrzehnten gebaut werden. Haben sie jetzt nicht so stark geändert, aus guten Gründen. Ich meine, die Sicherheitsstandards sind einfach extrem hoch, aber dadurch sind auch die Entwicklungszyklen extrem lang. Und diese ganzen Technologien, die ich gerade gesagt habe, so neue, leichte, super effiziente elektrische Antriebe sind dort absolutes, sind dort absolut neu. Und hier ist die Vernetzung eben mit solchen Wissenschaftsinstituten wie uns mit Universitäten und dann aber auch eben mit den Akteuren aus der Luftfahrt extrem wichtig. Und deswegen war für mich wirklich die letzten paar Jahre großer Bestandteil meiner Aufgabe, mich überhaupt mit den ganzen Firmen und anderen Forschungsinstituten und Universitäten zu vernetzen und solche Forschungsprojekte wie dieses Auto Drive, was ich gerade beschrieben habe, aufzusetzen, weil wir überhaupt erst mal zeigen müssen, was ist denn möglich? Also kein klassischer Flugzeug Ausleger kommt jetzt drauf auf die Idee, einen Elektroantrieb einzuplanen. Wenn man heute Flugzeug Modell planen soll, erst mal so von Haus aus. Weil man muss eben erst mal vermitteln was. Was ist denn jetzt möglich? Also das sind Dinge jetzt möglich, die waren vor 5 bis 10 Jahren einfach noch nicht mal denkbar. Die sind jetzt gerade so, dass wir sagen okay, die werden umsetzbar auch in breiteren Anwendungen werden.

Nico Kubanek:

Jetzt ist die diese Luftfahrtbranche ein sehr, sehr globales Netzwerk. Welche Rolle spielt für dich die Region und was macht die Region für dich besonders?

Florian Hilpert:

Hier bei uns haben wir besonders in dem Bereich Leistungselektronik echt einen extrem starken Standort. Deutschlandweit, aber auch im europäischen und internationalen Umfeld ist die Region hier einfach echt stark im Bereich Leistungselektronik. Man sieht das auch ganz gut. Es gab hier in gerade in Erlangen bei uns um die Ecke eine Forschungsgruppe, die aus Siemens rausgegangen ist. Siemens Aircraft hieß die damals, die sich genau auf diese Themen, die ich jetzt gerade eben beschrieben habe, eben auch fokussiert hat. Und die sind jetzt von Rolls Royce übernommen worden für eine der großen Triebwerks Power in der Luftfahrtindustrie. Und die treiben das Thema jetzt weiter. Auch hier am Standort Erlangen und auch in der größeren Region gibt es einige Leistungselektronik Firmen die in dem ganzen Bereich tätig sind. Und wir sind da ja als Fraunhofer IISB rechts recht stark vernetzt mit den ganzen Leistungselektronik Akteuren hier und da ist eben perfekt, dass man jetzt so einen Akteur hier direkt in der Region hat und dann da eben diesen Wissenstransfer eben auch darstellen.

Nico Kubanek:

Ja, das ist wieder eines der Sachen, die mir nicht bewusst war, aber ich glaube, die auch vielen in der Region nicht bewusst sind, was wir hier alles an wirklich spannenden und hoch innovativen Dingen vor Ort haben. Jetzt hast du gerade schon gesagt, vor 5 bis 10 Jahren waren Dinge nicht denkbar, die heute möglich sind. Und wenn wir jetzt vielleicht abschließend nochmal einen Blick in die futuristische Zukunft werfen: Was ist noch alles möglich? Oder was können wir da noch alles erwarten, was heute nicht denkbar, aber in näherer Zukunft vielleicht alles möglich sein wird?

Florian Hilpert:

Ja, das ist super, super spannend. Diese ganze elektrische Antriebstechnik, die befindet sich im Moment. Da gibt es so ein schönes Beispiel. Die befindet sich in etwa da, wo unsere Handys waren, als die immer kleiner und kleiner und kleiner wurden, sodass man am Ende die Knöpfe gar nicht mehr drücken konnte. Ich weiß nicht, ob du dich noch erinnerst an so verschiedene Nokia Modelle, wo wirklich nur noch der Fingernagel den Knopf getroffen hat und man hat sich gefragt warum will man das denn noch weiter Miniaturisierung? Wozu aber das? Das Miniaturisierung von der Hauptfunktion von dem Gerät, dem Telefon hat aus dem Nichts heraus das Smartphone ermöglicht. Das kam ja relativ, klar, es kam jetzt nicht komplett über Nacht. Die Entwicklung hat sich schon in die Richtung abgezeichnet. Aber alleine dadurch, dass eben diese Hauptfunktion des Telefons so extrem weit Miniaturisierung wurde, bis man sich gefragt hat, warum denn noch klein oder noch besser hat auf einmal eine komplette neue Anwendungsmöglichkeit erschlossen. Und wir sind gerade mit den elektrischen Antrieben wirklich genau an diesem Punkt. Also die Systeme werden immer leistungsdichter, leistungsdichter, leistungsdichter. Und jetzt fängt es plötzlich an, dass neue Anwendungsmöglichkeiten einfach so heraus aus dem Boden aufploppen, die vorher nicht denkbar waren. Und das wird dazu führen, dass zum Beispiel Flugzeuge, wenn du jetzt auf meinem Feld wieder gehen, nicht mehr so ausschauen werden in Zukunft, wie sie jetzt gerade ausschauen. Jetzt ist es ja so, wenn man Flugzeug stehen sieht, man sieht, okay, das ist ein Flugzeug und ich sehe, in welche Richtung es fliegt. Also ganz banal gesprochen. Es wird Flugzeuge geben, die werden vor einem stehen und man wird also, wenn man jetzt nicht gerade sieht, wo der Pilot fliegt, dann wird man nicht sagen können, in welche Richtung fliegt dieses Flugzeug. Da gibt es so ein schönes Beispiel. Wir haben vielleicht ein paar Pressefotos von dem Lilium Flieger gesehen. Das ist so ein typisches Flugzeug, wenn man das sieht. Auf den ersten Blick kann man gar nicht sehen, in welche Richtung das fliegt. Und da wird einem erst mal bewusst, welche tiefgreifenden Veränderungen an so einer gesamten Architektur so neue Antriebskräfte überhaupt erst ermöglichen. Und was für eine unglaublich krasse Änderung das an dem ganzen Entwicklungsprozess für solche Systeme ist. Das heißt bei den großen Fliegern, wo ich es gesagt habe, diese Entwicklungszeiten sind extrem langsam, wird es schon dauern, bis es da so starke Änderungen einfache geben. Aber gerade in diesem Bereich, von diesen kleinen Flugzeugen, die für zum Beispiel so Substitutionen von Helikopter einsetzen, zum Beispiel bedacht sind. Klar, es gibt Einsätze, die kann nur ein Helikopter fliegen, die wird auch so ein Tool wahrscheinlich so schnell nicht fliegen können. Aber es gibt auch Helikopter Einsätze, die man eben mit so effizienten Senkrechtstarter fähigen kleinen Flugzeugen realisieren kann. Und solche Anwendungen werden in relativ naher Zukunft möglich werden. Also es wird schon noch dauern, bis das Ganze durch die Zulassung gegangen ist. Das haben, denke ich, viele sehr stark unterschätzt, wie viel Zeit es braucht. Aber die Technologie ist auf jeden Fall da.

Nico Kubanek:

Da können wir gespannt sein, was die Zukunft noch bereithält. Florian Vielen, vielen Dank für die Zeit, die Einblicke in deine Arbeit und besonders die Ausblicke, die Zukunft des Fliegens, die du uns heute gegeben hast.

Florian Hilpert:

Gerne war es super, dabei zu sein. Hat mich sehr gefreut.