Hybrid-Elektroantrieb im Flugzeug: NASA und GE Aerospace schreiben Geschichte

NASA und GE Aerospace haben gemeinsam einen Meilenstein in der Luftfahrtgeschichte erreicht: Ein Flugzeug mit einem Megawatt-Hybrid-Elektroantrieb absolvierte öffentlichkeitswirksam seinen Demonstrationsflug auf der Farnborough International Air Show in Großbritannien. Das System war zuvor bereits in historischen Testflügen erprobt worden und stieg dabei als erster hybrid-elektrisch angetriebener Flieger über 30.000 Fuß (rund 9.100 Meter) auf. Hinter diesem Erfolg stecken mehr als 15 Jahre Forschungsarbeit, Hunderte von Ingenieuren und eine Vision, die lange kaum jemand für realisierbar hielt. Für die kommerzielle Luftfahrt könnte diese Technologie bedeuten: weniger Treibstoffverbrauch, niedrigere Betriebskosten und ein deutlich umweltfreundlicherer Flugbetrieb.

✈️ Ein historischer Flug: Was beim Farnborough Air Show passiert ist

Im Rahmen der renommierten Farnborough International Air Show in Großbritannien hob ein Saab 340B mit einem neu entwickelten Megawatt-Klasse-Hybrid-Elektromotor ab. Dieser Motor, entstanden in enger Zusammenarbeit zwischen NASA und GE Aerospace, vereint einen Gasturbinenmotor mit elektrischen Antriebskomponenten und einer Energiespeichereinheit. Der öffentliche Auftritt in Farnborough war der erste seiner Art, nachdem das System in den Monaten zuvor bereits mehrere historische Testflüge absolviert hatte.

Besonders bemerkenswert: Das Flugzeug erreichte eine Höhe von mehr als 9.000 Metern (30.000 Fuß), was bis dahin für ein hybrid-elektrisch angetriebenes Luftfahrzeug als nahezu unmöglich galt. Diese Leistungsgrenze zu durchbrechen, war ein zentrales Ziel der gesamten Entwicklungsarbeit und gilt nun als Beweis für die Alltagstauglichkeit der Technologie.

Was macht diesen Antrieb so besonders?

• Kombination aus Elektromotoren, Gasturbine und Energiespeicher in einem integrierten System
• Ausgelegt für Flugzeuge in der Größenklasse regionaler Jets
• Deutliche Reduzierung des Treibstoffverbrauchs ohne Leistungseinbußen
• Testbetrieb unter simulierten Bedingungen von bis zu 45.000 Fuß Höhe (dem typischen Reiseflugbereich von Schmalrumpfflugzeugen)
• Technologie und Designansätze sollen als Grundlage für zukünftige Hybridsysteme in der Passagierluftfahrt dienen

Mehr als 15 Jahre Forschung: Der lange Weg zum Durchbruch

Was heute wie ein schneller technologischer Sprung wirkt, ist in Wirklichkeit das Ergebnis einer mehr als anderthalb Jahrzehnte andauernden Entwicklungsarbeit. Zu Beginn galt der Einsatz elektrischer Motoren zur Ergänzung großer Flugzeugtriebwerke als eine der größten ingenieurstechnischen Herausforderungen überhaupt. Kleine elektrisch angetriebene Drohnen und Leichtflugzeuge gibt es zwar schon länger, aber für den Einsatz in der kommerziellen Passagierluftfahrt braucht es völlig andere Leistungsklassen.

NASA begann zunächst mit etwa sieben Jahren gezielter Vorlaufforschung: in Zusammenarbeit mit kleinen Unternehmen und Partnern wurden technologische Hürden analysiert, wirtschaftliche Potenziale abgewogen und grundlegende Fragen zu Leistung, Wärmemanagement, Batterietechnologie sowie zur Integration von Antrieb und Energieversorgung bearbeitet.

Die entscheidenden Projektphasen im Überblick

Phase	Inhalt	Beteiligte
Vorlaufforschung (ca. 7 Jahre)	Analyse technologischer und wirtschaftlicher Hürden, Grundlagenforschung zu Leistung, Thermik und Batterien	NASA, kleine Unternehmen, Forschungspartner
Electrified Powertrain Flight Demonstration	Entwicklung leichterer, effizienterer Antriebskomponenten; Verkleinerung von Schlüsselelementen	NASA, GE Aerospace und Partnerfirmen
Systemtest 2022 (Electric Aircraft Testbed)	Simulation von Flugbedingungen bis zu 45.000 Fuß in der Testanlage Neil A. Armstrong Test Facility, Sandusky, Ohio	GE Aerospace, NASA
Bodentest und Flugerprobung	Integration von Elektromotoren, Leistungskonvertern, Propellern und GE-Serienmotor; erste Testflüge über 30.000 Fuß	NASA, GE Aerospace, Hunderte Ingenieure
Öffentliche Demonstration Farnborough	Erster öffentlicher Demonstrationsflug am Saab 340B auf der Farnborough International Air Show	GE Aerospace, NASA

🔬 Die Technik dahinter: Wie ein Megawatt-Hybrid-Elektroantrieb funktioniert

Der von GE Aerospace entwickelte Antrieb gehört zur sogenannten Megawatt-Klasse, das heißt, er ist in der Lage, elektrische Leistung im Bereich von einem Megawatt und darüber zu erzeugen und zu nutzen. Zum Vergleich: Ein typischer Haushaltskühlschrank verbraucht etwa 150 Watt, ein Megawatt entspricht dem Tausendfachen davon. Für den Einsatz in der Luftfahrt ist das eine erhebliche Leistungsanforderung, die bislang ausschließlich konventionellen Turbinentriebwerken vorbehalten war.

Der Antrieb verbindet drei Hauptkomponenten zu einem integrierten System:

• Gasturbine: Sie liefert die Grundleistung, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Strahltriebwerk.
• Elektromotoren: Sie ergänzen die Gasturbine, besonders in Phasen hohen Leistungsbedarfs wie Start und Steigflug.
• Energiespeicher: Batterien oder andere Speichermedien nehmen überschüssige Energie auf und geben sie bei Bedarf wieder ab.

Hinzu kommen Leistungskonverter und Propellersysteme, die die erzeugte Energie effizient in Schub umwandeln. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung war die Miniaturisierung: Viele Komponenten mussten erheblich verkleinert werden, damit das Gesamtsystem überhaupt in ein Flugzeug integriert werden konnte.

Warum ist die Höhe von 30.000 Fuß so bedeutsam?

Elektrische und hybrid-elektrische Antriebe stoßen in großen Höhen auf besondere Probleme: Dünnere Luft erschwert die Kühlung der Elektromotoren und der Leistungselektronik erheblich. Gleichzeitig sinkt der Luftdruck, was die Isoliereigenschaften von elektrischen Bauteilen beeinträchtigt. Dass der GE-Aerospace-NASA-Antrieb diese Höhenstufe problemlos überwunden hat, ist deshalb ein technisch belastbarer Nachweis dafür, dass hybrid-elektrische Antriebe auch für den realen kommerziellen Einsatz infrage kommen, nicht nur für Niederflugversuche oder Demonstratoren in geringen Höhen.

Was bedeutet das für die Zukunft des Fliegens?

Der praktische Nutzen dieser Technologie liegt auf der Hand: Hybrid-elektrische Antriebe könnten den Treibstoffverbrauch von Regional- und Kurzstreckenflugzeugen spürbar senken. Für Airlines bedeutet das direkt niedrigere Betriebskosten, für Passagiere potenziell günstigere Ticketpreise und für die Umwelt weniger CO2-Emissionen je Flug.

Ralph Jansen, Luft- und Raumfahrtingenieur am NASA Glenn Research Center in Cleveland, beschreibt die Bedeutung des Projekts so: Es geht darum, eine Vision zu haben, an die kaum jemand glaubt, und dann konsequent die Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten, um sie Realität werden zu lassen. Der Demonstrationsflug in Farnborough ist für ihn persönlich ein bewegender Moment gewesen:

„Ich muss sagen, ich war ziemlich gerührt, als ich es fliegen sah. Es war einfach großartig. Es sieht aus wie ein ganz normales Flugzeug, was wahrscheinlich das Beste daran ist.“

Ralph Jansen, Luft- und Raumfahrtingenieur am NASA Glenn Research Center in Cleveland

Mögliche Auswirkungen auf die kommerzielle Luftfahrt

• Reduzierung des Treibstoffverbrauchs bei Regionalflugzeugen
• Senkung der Betriebskosten für Fluggesellschaften
• Grundlage für die Entwicklung zukünftiger, größerer Hybridantriebssysteme
• Impulse für die gesamte Branche, hybrid-elektrische Konzepte weiterzuentwickeln
• Validierung von Technologien, die in weiteren NASA-Programmen aufgegriffen werden können

NASA und GE Aerospace: Eine Partnerschaft mit Strahlkraft 🤝

Hinter dem Erfolg stehen nicht nur zwei bekannte Namen, sondern Hunderte von Ingenieurinnen und Ingenieuren, die über viele Jahre in verschiedenen NASA-Zentren und bei GE Aerospace sowie dessen Partnerunternehmen zusammengearbeitet haben. Laurie Grindle, Direktorin der Aeronautics Division innerhalb des Research and Technology Mission Directorate der NASA, unterstreicht, was diesen Erfolg ausmacht: Die NASA erkundet mutige Möglichkeiten, überprüft sie durch rigorose Forschung und Tests, und arbeitet mit der Industrie zusammen, um bahnbrechende Ideen in Technologien zu verwandeln, die echten Mehrwert für die Bevölkerung schaffen.

Die aktuelle Forschungsförderung erfolgt über die Aeronautics Division des Research and Technology Mission Directorate der NASA. Damit ist sichergestellt, dass die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Electrified Powertrain Flight Demonstration-Projekt und dem Subsonic Vehicle Technologies and Tools-Projekt in weitere Forschungsvorhaben einfließen.

Nicht ganz so innovativ, aber ähnlich nützlich: Parken und Übernachten am Flughafen

Innovationen wie diese machen das Fliegen nicht nur sauberer, sondern rücken auch die gesamte Flugreise wieder mehr in den Fokus. Wer entspannt und gut vorbereitet am Flughafen ankommt, kann den Aufbruch ins Abenteuer noch mehr genießen. Auf park-sleep-fly.net: Parken am Flughafen finden Sie alle verfügbaren Parkoptionen an deutschen und europäischen Flughäfen. Wer außerdem die Nacht vor dem Abflug lieber entspannt in Flughafennähe verbringt, wird auf park-sleep-fly.net: Hotels am Flughafen fündig.

Das Wichtigste auf einen Blick

NASA und GE Aerospace haben mit dem ersten öffentlichen Demonstrationsflug eines Megawatt-Klasse-Hybrid-Elektroantriebs an einem Saab 340B auf der Farnborough International Air Show einen echten Wendepunkt in der Luftfahrtgeschichte markiert. Das System kombiniert Elektromotoren, eine Gasturbine und Energiespeicher zu einem integrierten Antrieb, der für Flugzeuge in der Größe regionaler Jets ausgelegt ist. Mehr als 15 Jahre Forschung, koordiniert über mehrere NASA-Zentren und realisiert gemeinsam mit GE Aerospace und Partnerfirmen, stecken in diesem Ergebnis.

• Erster hybrid-elektrisch angetriebener Flug über 30.000 Fuß
• Öffentliche Premiere auf der Farnborough International Air Show
• Über 15 Jahre Forschungs- und Entwicklungsarbeit
• Systemtest unter simulierten Bedingungen bis zu 45.000 Fuß in Sandusky, Ohio
• Technologie soll Grundlage für zukünftige Hybridantriebe in der kommerziellen Luftfahrt sein
• Ziel: Treibstoffverbrauch und Betriebskosten für Fluggesellschaften deutlich senken

Fachbegriffe im Kontext eines Hybrid-Elektroantrieb im Flugzeug erklärt

Was ist ein Hybrid-Elektroantrieb in der Luftfahrt?

Ein Hybrid-Elektroantrieb in der Luftfahrt ist ein Antriebssystem, das einen konventionellen Verbrennungsmotor (in der Regel eine Gasturbine) mit elektrischen Antriebskomponenten wie Elektromotoren und Energiespeichern kombiniert, um Flugzeuge anzutreiben und dabei den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Anders als rein elektrische Antriebe, die ausschließlich auf Batterien angewiesen sind, nutzt der Hybridantrieb die Gasturbine für die Grundlastversorgung und die Elektromotoren besonders in Phasen mit hohem Leistungsbedarf, was eine deutlich größere Reichweite und Flexibilität ermöglicht.

Was bedeutet Megawatt-Klasse bei einem Flugzeugantrieb?

Megawatt-Klasse bezeichnet die Leistungskategorie eines Antriebs, bei dem die elektrische oder mechanische Leistung im Bereich von einem Megawatt (1.000 Kilowatt) oder darüber liegt. In der Luftfahrt ist diese Leistungsklasse für den sinnvollen Einsatz in Flugzeugen der Größe regionaler Jets erforderlich, da kleinere elektrische Systeme schlicht nicht genug Schub für Starts, Steigflüge und den Reiseflug in großen Höhen erzeugen können.

Was ist das Electrified Powertrain Flight Demonstration-Projekt der NASA?

Das Electrified Powertrain Flight Demonstration-Projekt der NASA ist ein abgeschlossenes Förderprogramm, im Rahmen dessen die NASA gemeinsam mit Industriepartnern wie GE Aerospace die Entwicklung und Erprobung elektrischer und hybrid-elektrischer Antriebssysteme für die kommerzielle Luftfahrt vorangetrieben hat. Das Programm umfasste sowohl Grundlagenforschung als auch konkrete Systemtests und Flugdemonstrationen und bildete die institutionelle Grundlage für den Megawatt-Hybridantrieb.

Was versteht man unter einem Subsonic Vehicle in der Luftfahrt?

Ein Subsonic Vehicle (unterschallschnelles Luftfahrzeug) ist ein Flugzeug, das mit einer Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit fliegt, also langsamer als etwa 1.235 Kilometer pro Stunde in Meereshöhe. Die große Mehrheit der zivilen Passagierflugzeuge, darunter alle gängigen Schmalrumpf- und Großraumflugzeuge, gehören zu dieser Kategorie. NASAs Subsonic Vehicle Technologies and Tools-Projekt widmet sich der Erforschung und Verbesserung von Antrieben, Materialien und Systemen für genau diese Klasse von Luftfahrzeugen.

Was ist der Electric Aircraft Testbed der NASA?

Der Electric Aircraft Testbed (NEAT) der NASA ist eine Bodenprüfanlage an der Neil A. Armstrong Test Facility in Sandusky, Ohio, die speziell für die Erprobung elektrischer und hybrid-elektrischer Flugzeugantriebe entwickelt wurde. Die Anlage ermöglicht es, Antriebssysteme unter simulierten Höhenbedingungen von bis zu 45.000 Fuß zu testen, ohne dass ein tatsächlicher Flug erforderlich ist, was die Entwicklungsgeschwindigkeit erheblich steigert und Risiken minimiert.

Was ist ein Leistungskonverter im Kontext elektrischer Antriebe?

Ein Leistungskonverter (englisch: Power Converter) ist ein elektronisches Bauteil, das elektrische Energie von einer Form in eine andere umwandelt, etwa von Gleichstrom in Wechselstrom oder von einer Spannungsebene in eine andere, damit Elektromotoren und andere Verbraucher im Antriebssystem optimal versorgt werden. In hybrid-elektrischen Flugzeugantrieben übernimmt der Leistungskonverter die Aufgabe, die von der Gasturbine erzeugte oder aus Energiespeichern abgerufene Energie so aufzubereiten, dass sie von den Elektromotoren effizient genutzt werden kann.