Text 2 - Staus Umfliegen mit Flugtaxis
Was hat das auf sich?
Derzeit tüfteln dutzende Ideenschmieden weltweit an Flugtaxis, wobei Deutschland ein Schwerpunkt ist. So plant der Elektro-Flugtaxi Hersteller Lilium ab 2025 mehrere hundert vollelektrische, senkrechtstartende Jets im Jahr zu produzieren. Erste Testflüge haben gezeigt, dass der Elektroflieger sich in der Senkrechten nach oben und unten schweben sowie in der Horizontalen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h bewegen kann. In der nächsten Phase sollen Geschwindigkeiten von bis zu 300 km/h erprobt werden, womit Lilium den Konkurrenten überlegen ist. Somit soll der Flieger nicht nur kurze innerstädtische Strecken abdecken, sondern auch in der Lage sein, Städte miteinander zu verbinden1.
Anders als Flugzeuge, die sich über die Aerodynamik von Flügeln und Leitwerk stabilisieren, werden Multikopter (z. B. vom Hersteller Volocopter) über die Drehmomente der einzelnen Propeller stabilisiert. Dies funktioniert nicht mechanisch, sondern durch ein Flugregelungssystem, das sich die notwendigen Informationen aus verschiedenen, vielfach verbauten Sensoren zieht. Im Bereich der unbemannten Drohnen gibt es solche Systeme bereits. Sie lassen sich jedoch nur bedingt auf bemannte Multikopter übertragen, denn ein Ausfall des Systems könnte hier fatale Folgen haben. Deshalb sind die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit besonders hoch. Gleichzeitig sind die Leistungsreserven bemannter Multikopter aufgrund der großen Nutzlast wesentlich geringer als bei üblichen Drohnen2.
Arten von Fluggeräten
Nicht alle Drohnen sind Fluggeräte mit Rotoren. Multicopter haben aber die Entwicklung stark beschleunigt und die Technologie revolutioniert. Starrflügler gab es schon länger (z.B. militärische Drohnen), und sie erfahren aktuell eine Wiederentdeckung durch ihre höhere Reichweite und längere Flugdauer. Interessant sind dabei die Hybridsysteme (VTOLs), die als Multicopter starten und landen, aber als Starrflügler fliegen. Multicopter sind agiler im Manöver, können in der Luft an einer Stelle verharren und brauchen kleinere Landeflächen. Starrflügler hingegen können mehr als die üblichen 20 bis 30 Minuten fliegen, größere Strecken abfliegen und Energie durch ihre aerodynamischen Eigenschaften wie ein Flugzeug effizienter nutzen3. Folgende Arten von Fluggeräten werden dementsprechend unterschieden: Single Rotor Drohne (mit nur einen einzigen Rotor), Tricopter (die Motoren sind einfach an jedem Ende von den drei Armen platziert und jeder von ihnen hält einen Positionssensor), Quadcopter (wenn ein Multirotor mit vier Rotorblättern ausgelegt ist), Hexacopter (ist gut für verschiedene Anwendungen mit seinem 6 Motor Mechanismus), Octocopter (dieser kommt mit 8 leistungsstarken Motoren) und Starrflügel Drohnen (sie haben einen Flügel und sie erscheinen wie traditionelle Flugzeuge.
Flugtaxis – was sind die Herausforderungen?
Der Fahrdienstvermittler Uber identifizierte in seinem White Paper vom Oktober 2016 mehrere Problemfelder in den Bereichen Zulassung, Technologie, Betrieb und Infrastruktur, die dem innerstädtischen Lufttaxi unmittelbar im Wege stünden. Die Antwort auf einige dieser Fragen könnte lauten: „elektrisches Fliegen“. Elektrische Antriebe könnten Energie, Lärm und Emissionen einsparen und so auch im innerstädtischen Verkehr eingesetzt werden4.
Leichtbau in der Luftfahrt
Um Energie und Emissionen zu reduzieren sowie die Reichweite von Flugzeugen im Allgemeinen und Flugtaxis im Speziellen zu erhöhen werden heutzutage immer häufiger Leichtbaukonzepte in Betracht gezogen. Seit 1990 haben die deutschen Fluggesellschaften ihren Treibstoffverbrauch pro Passagier auf 100 Kilometer um 42% verringert. Beeindruckend, denn 1990 lag dieser Wert noch bei 6,3 Liter. Im Jahr 2013 verbrauchte die Flotte der deutschen Fluggesellschaften – auch in Folge der Gewichtsreduzierung – durchschnittlich nur noch 3,64 Liter pro Passagier für diese Strecke. Reduziertes Gewicht durch Leichtbau reduziert den Treibstoffbedarf unmittelbar. Zudem gibt es weitere Effekte: Leichtere Flugzeuge kommen mit filigraneren Fahrwerken und kleineren Tanks aus. Das kompensiert zum Teil die Mehrkosten durch Faserverbundwerkstoffe.
Eine Gewichtsreduktion kann vor allem durch die intelligente Nutzung von Faserverbundwerkstoffen erzielt werden. Diese bestehen aus Verstärkungsfasern (kurz, lang oder endlos) und einer Kunststoffmatrix (Thermoplast oder Duroplast). Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe weisen hohe spezifische Steifigkeiten, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeiten bei geringem Gewicht auf. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von solchen Verbunden können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden5.
In Passagierflugzeugen werden bereits seit 1970 Glas- und Carbonfaserverbundwerkstoffe eingesestzt. Im Flugzeuginnenraum haben sich glasfaserverstärkte Kunststoffe, im Flugzeugrumpf die Carbonfaserverbundwerkstoffe (CFK) mittlerweile fest etabliert. Beim Airbus A380 waren es zunächst 22, bei der Boeing 787 (Dreamliner) sind es jetzt bereits 50%. Für den A350 wurde der Wert noch einmal auf 52% gesteigert. Seiten- und die Höhenleitwerke, Landeklappen, Vorflügel und Rippen in den Tragflächen, die drucklose Rumpfhecksektion und die Druckkalotte sowie der Flügelmittelkasten wurden aus CFK hergestellt. Die Gewichtsersparnis, abhängig vom jeweiligen Einsatzort: 20 bis 50% gegenüber herkömmlicher Bauweise. Dazu kommen deutliche Vorteile gegenüber Aluminium bei Ermüdung, Wärmeausdehnung und Korrosionsbeständigkeit5.
Automatisierung für unbemannte Flugsysteme
Die regelmäßig eingesetzten unbemannten Fluggeräte sind gegenwärtig noch recht klein, ihre Größe reicht vom gehobenen Spielzeugformat bis zum Kleinflugzeug. Diese so genannten UAVs (unmanned aerial vehicles) bewegen sich autonom und fliegen ein vorher definiertes Programm ab, oder werden vom Boden gesteuert, wobei der Leitstand mehrere solcher Flugkörper gleichzeitig im Auge halten kann, oder sie werden durch ein bemanntes »Mutter-Flugzeug« kontrolliert, das aus der Luft in Sichtnähe ein UAVRudel steuert.
Mit hoher Wahrscheinlichkeit gehört die Zukunft autonom operierenden UAVs, bei denen ein Bodenleitstand nur im Bedarfsfall »remote« eingreift. Ab 2020 ist mit deutlich größeren unbemannten Transportfliegern zu rechnen, vor allem für routinemäßig anfallende kleinere Sendungen abseits der Hauptverkehrsströme im Kurier- und Expressverkehr (Cox et. al. 2004). Im Passagierverkehr hingegen wird das pilotenlose Flugzeug auf sich warten lassen. Komplizierte Rechts- und Haftungsprobleme sind noch zu lösen und die Akzeptanz des Publikums ist ungewiss. Im Schienenverkehr gibt es bereits positive Erfahrungen mit führerlosen Fahrzeugen im Nahverkehr, insbesondere auf Flughäfen zwischen weit entfernten Terminals und auf einzelnen U-Bahn-Strecken. Für die Mehrzahl der Menschen dürfte aber der Einstieg in ein Flugzeug ohne menschlichen Kommandanten heute kaum zumutbar sein6.