Luft- und Raumfahrt THWS entwickelt modulares Brennstoffzellen-Antriebssystem für Wasserstoff-Flugzeug

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Die Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt arbeitet zusammen mit dem auf Luftfahrt spezialisierten Ingenieurbüro Kasaero an einem modularen elektrischen Brennstoffzellen-Antriebssystem. Damit sollen auch bestehende Flugzeuge der Ultraleichtflugklasse auf einen klimaneutralen Antrieb umgerüstet werden können.

Klimaneutrales Fliegen ganz ohne schlechtes Gewissen – daran arbeitet ein Team der Fakultät Maschinenbau der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt (THWS) schon seit einigen Jahren. Eine neue Förderung durch das Luftfahrtforschungsprogramm des Bundes trägt dazu bei, die Forschung am selbstentwickelten Reisemotorsegler „Taifun 17 H₂“ weiterzuführen. Rund 890.000 Euro kann man an der Hochschule hierfür verbuchen. Zusammen mit dem auf Luftfahrt spezialisierten Ingenieurbüro Kasaero entwickelt die THWS ein modulares elektrisches Brennstoffzellen-Antriebssystem, womit auch bestehende Flugzeuge der Ultraleichtflugklasse auf einen klimaneutralen Antrieb umgerüstet werden können.

Der „Taifun“ ist im aktuellen Zustand flugfähig: Der Antrag für eine Fluggenehmigung und die dafür notwendigen Nachweise werden derzeit vom Luftfahrt-Bundesamt geprüft. Bislang habe das Team auf dem Verkehrslandeplatz Haßfurt-Haßberge schon Roll-Tests gemacht. Das bedeutet: Gas geben bis zum Erreichen der Abhebegeschwindigkeit – „doch bevor die Räder den Kontakt zum Boden verloren haben, musste wieder abgebremst werden,“ erklärt Dekan Prof. Dr. Johannes Paulus. Sobald die Genehmigung da sei, seien nur noch wenige Tests nötig und das Flugzeug könne noch in diesem Jahr zum ersten Mal abheben.

Kleiner, leichter und mehr Reichweite

Dank des neuen Förderprogramms geht für das Team die Arbeit nahtlos weiter. So soll alles kleiner, leichter und adaptierbarer werden. Denn ein modularisierter Antrieb ließe sich in diversen ähnlich konstruierten Leichtflugzeugen verbauen. Ein weiteres Ziel ist eine hohe Energiedichte, um die Reichweite des Reisemotorseglers zu erhöhen – was wiederum die Akzeptanz des neuen Antriebs steigern soll. „Das Leichtflugzeug hat einen zweifachen Antrieb – sowohl direkt elektrisch mit einer Batterie als auch mit Wasserstoff über eine Brennstoffzelle“, erläutert Prof. Dr. Paulus. „Die Brennstoffzelle dient dabei entweder als Range Extender oder als Booster.“ Damit lässt sich also die Reichweite vergrößern und die maximale Antriebsleistung steigern.

Um in den Bauraum von gängigen Flugzeugmotoren hineinzupassen und deren Gewicht zu unterbieten, muss der elektrische Brennstoffzellen-Antrieb nun kleiner und leichter designt werden. Das funktioniert hauptsächlich über einen höheren Integrationsgrad der Leistungselektronik, die zu Größen- und Gewichtseinsparungen führt, sowie über die Optimierung der Kühlsysteme. Durch die Optimierung des Zusammenspiels zwischen elektrischem und Brennstoffzellen-Antrieb ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Flugeigenschaften und der Steigerung der Reichweite. All diese Effizienzsteigerungen ermöglichen es wiederum, die Pufferbatterie zu verkleinern, was sich positiv auf das Gesamtgewicht auswirkt.

Wie läuft die Projektarbeit ab?

Die Arbeit wird also so schnell nicht enden für das Kernteam des „Taifun“: Wissenschaftlicher Mitarbeiter Jan Hußlein ist für den Teststand zuständig, mit dem die Brennstoffzelle des Flugzeugs am Boden getestet wird. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Toni Schott arbeitet hauptsächlich am Antriebsstrang und der Integration des Antriebs in das Flugzeug. Masterand Sebastian Stenger entwickelt zurzeit eine mobile Wasserstoff-Tankstelle. Mit dem Strom aus der hauseigenen Photovoltaik-Anlage kann der benötigte Wasserstoff erzeugt und gespeichert werden. Laboringenieur Tom Wollin kümmert sich um die Umsetzung der Konstruktionen und die Montage. Der emeritierte THWS-Professor und Fluglehrer Martin Hansen hatte das Flugzeug mitkonstruiert und wird auch den Jungfernflug durchführen.

Weitere Drittmittelprojekte mit Industriepartnern befinden sich in der Anbahnung. Es werde bereits daran gearbeitet, die eingebaute Batterie leichter zu machen und ein neues Kühlkonzept für elektrische Komponenten zu entwickeln. Andere Nebenprojekte seien die Entwicklung eines leichteren leistungsfähigen Propellers, angepasst an den Antrieb durch einen Elektromotor, und auch der Tank sei noch zu schwer und werde optimiert. (se)

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