Abenteuer erneuerbare Energie: Solar Impulse startet zum Weltflug mit Sonnenenergie
Die Flügelspannweite ist fast so groß wie die des größten Verkehrsflugzeugs. Aber das Flugzeug wiegt nur so viel wie ein Auto, und schon eine leichte Windbö kann ihm gefährlich werden. Es braucht kein Kerosin, sondern nur Sonnenlicht: Die vier Propeller werden mit Solarstrom betrieben. Mit diesem Fluggerät wollen Bertrand Piccard und André Borschberg den Erdball umrunden: 35.000 Kilometer, etwa auf der Höhe des Wendekreises des Krebses, in zwölf Etappen.
Das Solarflugzeug Solar Impulse 2 ist am 9. März 2015 zu seiner Weltumrundung gestartet(öffnet im neuen Fenster) . Gesteuert von André Borschberg hob das Flugzeug um 7:12 Uhr Ortszeit (4:12 Uhr mitteleuropäischer Zeit, MEZ) in Abu Dhabi ab. Ziel der ersten Etappe ist Maskat im Oman. Dort soll es gegen 19 Uhr Ortszeit (16 Uhr MEZ) landen. Von dort fliegt es über Indien, wo zwei Stopps in Ahmedabad und Varanasi geplant sind, nach Mandalay in Myanmar und weiter nach China. Dort wird das Solarflugzeug Si2 ebenfalls zweimal landen, in Chongqing und in Nanjing.
Quer durch die USA
Nach einer Pazifiküberquerung mit Zwischenlandung auf Hawaii durchfliegt das Solarflugzeug die USA von West nach Ost. Es landet in San Francisco, der Mitte des Landes und in New York. Diese Strecke kennen Borschberg und Piccard schon: Sie haben 2013 mit ihrem ersten Solarflugzeug einen Flug von der West- zur Ostküste unternommen. Die vorletzte Etappe wird eine Atlantiküberquerung von New York aus sein, deren Ziel in Südeuropa oder Nordafrika, sprich in Spanien oder Marokko sein wird. Dann geht es wieder nach Abu Dhabi, wo die Weltumrundung Ende Juli oder Anfang August enden soll.
Solar Impulse HB-SIB(öffnet im neuen Fenster) heißt das Flugzeug mit Solarantrieb offiziell, auch kurz Si2 genannt. Rund drei Jahre haben die Schweizer daran gebaut. Vorgestellt haben sie es im April vergangenen Jahres. Zwei Monate später startete es zu seinem ersten Flug .
Si2 wird zerlegt und nach Abu Dhabi geflogen
Um die Weltumrundung starten zu können, musste Si2 erst nach Abu Dhabi gebracht werden. Dazu wurde das riesige Solarflugzeug an seinem Heimatflugplatz Payerne, einem Militärflugplatz im Schweizer Kanton Waadt, in seine Einzelteile zerlegt. Gut drei Wochen dauerte es, das Flugzeug zu demontieren und für den Transport vorzubereiten. Anfang Januar wurden die Teile in eine Boeing 747-400 geladen und an den Persischen Golf geflogen. Dort bauten die Solar-Impulse-Mitarbeiter das Flugzeug innerhalb weniger Tage wieder zusammen.
Das Auffälligste an Si2 sind die riesigen Tragflächen: 72 Meter beträgt die Spannweite. Zum Vergleich: Die größte Variante der Boeing 747 hat eine Spannweite von knapp 69 Metern, ein Airbus A380 eine von knapp 80 Metern. Doch schon ein Triebwerk der Düsenmaschinen übertrifft das Gewicht der Si2 mehrfach: Das Solarflugzeug wiegt 2,3 Tonnen, ein Strahltriebwerk des A380 über 6,4 Tonnen.
Motoren mit hohem Wirkungsgrad
Angetrieben wird Si2 von vier Elektromotoren mit Propeller. Sie haben jeweils eine Maximalleistung von 15 Kilowatt. Die ist aber nur beim Start oder bei starken Böen nötig. Im normalen Flug leisten die Motoren je 10 Kilowatt. Sie sind sehr effizient: Ihr Wirkungsgrad liegt bei 97 Prozent. Der Strom für die Motoren wird auf der Oberseite der Tragflächen erzeugt, die mit 17.248 Solarzellen ausgelegt sind.
Die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs beträgt in 8.500 Metern Höhe 140 Kilometer pro Stunde. Allerdings werden Piccard und Borschberg langsamer unterwegs sein: Die Reisegeschwindigkeit wird zwischen 50 und 100 Kilometer pro Stunde liegen.
Langsam fliegen heißt lange fliegen
Das ist nicht gerade schnell in Anbetracht der Länge der Etappen: Flug Nummer zwei über das Arabische Meer nach Ahmadabad in Indien etwa wird schon 1.400 Kilometer lang sein. Die Flugzeit wird also gut einen halben Tag betragen. Richtig hart werden die Überquerungen der beiden großen Ozeane.
Über den Atlantik sind es etwa 6.000 Kilometer. Die längste Etappe wird der erste Teil der Pazifik-Überquerung: Rund 8.500 Kilometer sind es von Nanjing, etwa 270 Kilometer nordwestlich von Shanghai, bis nach Hawaii. Das ist schon im Verkehrsflugzeug eine lange Strecke. Im Solarflugzeug wird sie voraussichtlich fünf Tage und Nächte brauchen.
Tags steigen, nachts sinken
Was aber macht der Pilot eines Solarfliegers in der Nacht? Er sinkt. Solange die Sonne scheint, steigt das Flugzeug bis auf etwa 8.500 Meter in die Höhe. Fällt die Stromversorgung nach Sonnenuntergang weg, sinkt das Flugzeug bis auf 1.500 Meter.
Höhe ist allerdings nicht der einzige Energiespeicher: In jeder der vier Motorgondeln befindet sich ein Akku. Die Akkus werden tagsüber geladen und liefern in den Nachtstunden Strom für die Motoren. Das Flugzeug ist also auch bei Dunkelheit manövrierfähig. Die Lithium-Polymer-Akkus haben eine Energiedichte von 260 Wattstunden pro Kilogramm - ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku kommt auf etwa 200 Wattstunden pro Kilogramm.
Um das Flugzeug gleichzeitig leicht und leistungsfähig zu machen, wurde alles optimiert, was sich optimieren ließ.
Si2 ist ein fliegendes Labor
Oberstes Kriterium war dabei die Effizienz. In Zusammenarbeit mit etwa 80 Unternehmen und Forschungseinrichtungen wie der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) wurde eine Reihe neuer Techniken für das Flugzeug entwickelt. Diese sind aber nicht exklusiv für dieses Projekt, sondern sollen auch als kommerzielle Produkte auf den Markt kommen. Das Solarflugzeug ist das fliegende Testlabor dafür.
"Alle Technologien, die wir für Solar Impulse entwickeln, finden ihren Weg in die Industrie. Unsere Partner wollen in erster Linie bessere Lösungen für ihre eigenen Produkte und Märkte" , sagte Borschberg der Neuen Zürcher Zeitung(öffnet im neuen Fenster) . Der Schaum etwa, der entwickelt wurde, um das Cockpit zu isolieren, wird in Kühlschränken der Klasse AAA+ eingesetzt. Auch die Verbesserungen an den Akkus - Elektrolyt und Nanotube-Elektroden - werden in kommerzielle Produkte integriert.
Werft baut Flugzeug
Das Flugzeug besteht fast vollständig aus ultraleichten Verbundstoffen wie Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff, kurz Karbon, der in einer Sandwich-Konstruktion verarbeitet wird. Die Kohlenstoff-Matten sind dünner und leichter als Papier. Die Technik stammt aus dem Yachtbau - entsprechend hat auch eine Werft das Flugzeug gebaut. Das Genfer Unternehmen hatte zuvor auch die Rümpfe der Boote gebaut, mit denen das Schweizer Team Alinghi dreimal im America's Cup antrat. Das Verfahren wurde für das Solar-Impulse-Projekt weiter entwickelt und soll künftig beim Bau von Segelyachten verwendet werden.
Die Solarzellen entsprechen weitgehend handelsüblichen Zellen. Die wurden allerdings deutlich dünner gefertigt: Sie sind gerade einmal 135 Mikrometer dick - etwa so dick wie ein menschliches Haar. Ihr Wirkungsgrad liegt bei knapp 23 Prozent. Ein sehr dünner, fluorhaltiger Copolymer-Film schützt die Zellen vor ultravioletter Strahlung und Nässe. Die Zellen kommen aus den USA, der Schutzfilm wurde eigens in der Schweiz entwickelt.
Nur ein leichtes Flugzeug fliegt nachts
Sie hätten, erzählt Borschberg, beim Bau des Flugzeugs jede Komponente bis zu dem Punkt reduziert, an dem sie gebrochen sei und sie dann zur Flugreife weiterentwickelt. "Denn ein Flugzeug, das zu schwer ist, fliegt nicht. Und ein Flugzeug, das auch nur ein bisschen zu schwer ist, fliegt nicht mit Solarenergie durch die Nacht."
Doch eine solche Gewichtsoptimierung hat ihren Preis: Die ganze Konstruktion ist filigran - weshalb auch beispielsweise der Neigungswinkel des Solarflugzeugs deutlich geringer sein darf als der eines herkömmlichen Flugzeugs. Scharfe Kurven lassen sich mit der Si2 nicht fliegen. Gewarnt wird bereits bei einer Schräglage von 5 Grad. Der Pilot wird von einem Vibrationsgerät alarmiert, das in den Ärmel seiner Fliegerkombi integriert ist.
Böen gefährden Si2
Da ist es auch verständlich, dass das Wetter eine wichtige Rolle in der Planung der Flüge spielt. So wurde das Datum gewählt, weil um diese Zeit auf der Flugroute kaum mit Stürmen zu rechnen ist. Schlechtes Wetter und starker Wind sind die Feinde des Solarflugzeugs: Schon eine Bö von 18 Kilometern pro Stunde - das ist Windstärke 3 - kann ihm zu schaffen machen.
Dabei muss der Pilot jeweils allein im Cockpit ausharren. Aus Gewichtsgründen hat das Cockpit nur einen Platz. Und der ist auch nicht besonders bequem. Das Cockpit ist etwa vier Kubikmeter groß - und unbeheizt. In 8.500 Metern Höhe wird es aber recht frisch: Bis auf minus 20 Grad können die Temperaturen fallen. Da ist auch der neue Isolierschaum überfordert. Die Piloten müssen sich deshalb in fünf Lagen Daunen einpacken.
Vieles von dem, was auf sie zukommt, haben die Piloten schon durchgespielt.
Geprobt wurde mit HB-SIA
So haben sie vorab geprobt, in den mehrtägigen Flugetappen auf sich selbst gestellt zu sein: Piccard etwa zwängte sich im Dezember 2013 drei Tage lang in einen Nachbau des Si2-Cockpits und simulierte die Atlantiküberquerung . Da schlafen gefährlich ist, versetzen sich die beiden Piloten in einen hypnoseartigen Zustand, bei dem der Körper ausruht, aber der Geist zumindest Veränderungen wahrnimmt.
Für Flugtests hatte Solar Impluse schon einen Vorgänger der HB-SIB gebaut: Solar Impulse HB-SIA(öffnet im neuen Fenster) . Der Prototyp des Solarflugzeugs ist etwas kleiner und leichter: Die Spannweite beträgt 63 Meter, ist also 9 Meter geringer. Darauf passen weniger Solarzellen. Das Flugzeug hat schwächere Motoren und wiegt 1,6 Tonnen, also 700 Kilogramm weniger. Den ersten Hüpfer machte HB-SIA Anfang Dezember 2009: Es hob 30 Sekunden lang ab und flog 350 Meter.
Trainieren für die Weltumrundung
Gedacht war HB-SIA als Trainingsgerät für den Weltflug. Seit dem ersten echten Flug im April 2010 probten Piccard und Borschberg dafür: Im Juli 2010 etwa absolvierte Borschberg den ersten Nachtflug mit einem bemannten Solarflugzeug und zeigte dabei, dass das Konzept, Energie in Form von Höhe zu speichern, aufgeht. Im September folgte ein Rundflug über die Westschweiz .
Der erste Langstreckenflug in mehreren Etappen stand 2011 an: Über Brüssel , wo das Flugzeug auf der Veranstaltung Solar European Flights präsentiert wurde, ging es nach Paris zur Luftfahrtausstellung.
Generalprobe in Marokko
2012 erfolgte die Generalprobe für die Welttour: ein Ausflug nach Marokko . Anlass war der Baubeginn eines Solarthermiekraftwerks in dem nordafrikanischen Land. Eine wichtige Lektion lernte Borschberg auf dem Flug von der Hauptstadt Rabat zum Bauplatz Ouarzazate. Unterwegs war der Gegenwind so stark, dass er das Flugzeug rückwärts schob. Borschberg musste deshalb umkehren .
2013 schließlich folgte die Tour durch die USA. Sie fand unplanmäßig statt: Anlass war, dass sich der Bau von Si2 verzögerte und sich deshalb auch die Welttour verschob. Aber dies gab den Schweizern die Möglichkeit, Werbung für ihr Projekt zu machen - unter anderem wurde Google als Unterstützer gewonnen - sowie die Demontage des Flugzeugs und den Transport in einer Boeing 747 zu proben.
Wie aber kamen Piccard und Borschberg auf die Idee zu diesem Projekt, das geschätzt 152 Millionen Euro verschlingen wird? Warum nehmen sie derartige Strapazen auf sich?
Abenteuer erneuerbare Energie
Vielleicht kann Piccard nicht anders - schließlich stammt der Schweizer Psychiater aus einer Familie, deren Mitglieder gern Grenzen neu definieren. Großvater Auguste Piccard(öffnet im neuen Fenster) stieg Anfang der 1930er-Jahre mehrfach mit Ballons bis in die Stratosphäre auf. Er stellte diverse Höhenrekorde auf. Zuletzt schaffte er 23.000 Meter. Um in der Höhe zu überleben, konstruierte Piccard eine Druckkabine - und ermöglichte so letztlich die moderne Luftfahrt.
In seinen späten Jahren zog es ihn in die andere Richtung: Er modifizierte die Druckkapsel, um damit tauchen zu können. 1953 stelle Auguste Piccard zusammen mit seinem Sohn Jacques einen Tiefenrekord im Tyrrhenischen Meer auf: Sie tauchten bis in eine Tiefe von 3.150 Metern.
Tauchrekord hält bis heute
Für Bertrands Vater Jacques Piccard(öffnet im neuen Fenster) war das erst der Anfang. Am 23. Januar 1960 stellte er zusammen mit Don Walsh, einem Leutnant der US-Marine, einen bis heute unübertroffenen Tauchrekord auf. Die beiden tauchten in dem von Piccard mitentwickelten Tiefsee-U-Boot Triest in den Marianengraben ab, die tiefste Stelle der Erde. Sie erreichten eine Tiefe von 10.916 Metern. Der Nächste, der wieder so tief tauchte, war 2012 Hollywood-Regisseur James Cameron : Er schaffte eine Tiefe von 10.898 Metern.
"Ich wuchs in dem Glauben auf, dass das Leben interessant ist, wenn man es erforscht, wenn man etwas macht, das noch niemand vorher getan hat" , sagte Piccard dem britischen Wissenschaftsmagazin New Scientist(öffnet im neuen Fenster) . Das 20. Jahrhundert hielt noch viele Abenteuer bereit: die Expeditionen zu den Polen, die Besteigung des Mount Everest, das Vordringen in die Tiefe und in den Weltraum mit der ersten Mondlandung.
Neues Jahrhundert mit neuen Herausforderungen
Aber Piccard sagt: "Das Zeitalter der Eroberungen ist vorbei. Heute sind die unerforschten Grenzen, wie wir die Lebensqualität auf diesem Planeten verbessern, wie wir die Armut beenden, Krankheiten bekämpfen und nachhaltig leben." Dazu soll der solare Weltflug beitragen: Piccard und Borschberg wollen beweisen, dass ein solches Vorhaben auch mit sauberen Technologien möglich ist, und so für Nachhaltigkeit werben.
Das Kalkül könnte aufgehen: Schon einmal hat eine Weltfahrt geholfen, eine neue Technik bekanntzumachen: 1929 schickte das Friedrichshafener Unternehmen Luftschiffbau Zeppelin das Starrluftschiff LZ 127 Graf Zeppelin(öffnet im neuen Fenster) auf Weltfahrt.
Zeppelin auf Weltfahrt
LZ 127 startete zunächst von Friedrichshafen nach Lakehurst im US-Bundesstaat New York und flog von dort zurück nach Osten um die Welt. Das Luftschiff landete in Friedrichshafen, Tokio, Los Angeles und wieder in Lakehurst bei New York, wo die sogenannte amerikanische Weltfahrt endete. Diese fand auf Wunsch des US-Zeitungsverlegers Randolph Hearst statt, der die Weltfahrt zum Großteil finanzierte.
Von Lakehurst aus kehrte die Graf Zeppelin unter dem Jubel von etwa 40.000 Menschen nach Friedrichshafen zurück. Insgesamt hatte sie in 35 Tagen knapp 50.000 Kilometer zurückgelegt und bewiesen, dass ein Starrluftschiff zum Passagiertransport geeignet war.
Piccard fährt Ballon
Für Piccard ist es nicht die erste Weltumrundung. 1999 fuhr er als Erster in einem Ballon non-stop um die Welt. Und wäre fast gescheitert: Als er schließlich landete, waren noch 40 Kilogramm flüssiges Propangas im Tank. Das Gas benötigte er, um den Ballon in der richtigen Höhe zu halten. Losgeflogen war er mit einem Treibstoffvorrat von 3,7 Tonnen.
"Damals schwor ich mir, dass ich die nächste Weltumrundung unabhängig vom mitgeführten Treibstoff machen würde" , sagte er dem New Scientist. Diesen Vorsatz erfüllt das Solarflugzeug.
Wenn der Zeitplan aufgeht, dann startet Piccards zweiter Weltflug am gleichen Tag wie der erste: Auch die Ballonfahrt begann am 1. März - der auch Piccards Geburtstag ist. Das ist bestimmt ein gutes Omen für den Erfolg. Wenn die beiden Piloten ihr Vorhaben schaffen, werden sie zeigen, dass erneuerbare Energie keine Ökospinnerei ist, sondern Hochtechnologie - und für ein Abenteuer gut.
Nachtrag vom 9. März 2015, 9:20 Uhr
Der Artikel wurde um die Information ergänzt, dass Solar Impulse gestartet ist.