500 Wh/kg: Warum diese Zahl über die Zukunft von Solarflugzeugen entscheidet

67 Tage, 6 Stunden und 52 Minuten: So lange blieb das Solarflugzeug Zephyr im Frühjahr 2025 ohne Landung in der Luft. Warum beschäftigen sich Forschende dann noch mit besseren Batterien? Ein Team der Harvard University hat berechnet, wie sich die Einsatzmöglichkeiten solcher Flugzeuge durch leistungsfähigere Akkus erweitern lassen. Eine wichtige Schwelle liegt bei 500 Wh/kg. Damit könnten Solarflugzeuge in deutlich mehr Regionen über lange Zeiträume unterwegs sein – und beispielsweise Waldbrände überwachen oder die Atmosphäre untersuchen.

Warum die Nacht für Solarflugzeuge zum Problem wird

Solarbetriebene Flugzeuge nutzen tagsüber Sonnenenergie, um ihre Elektromotoren anzutreiben. Überschüssiger Strom lädt die Batterien. Nach Sonnenuntergang müssen die Akkus sämtliche Verbraucher versorgen, bis am nächsten Morgen wieder ausreichend Sonnenlicht zur Verfügung steht.

Das klingt unkompliziert, bringt die Konstrukteure aber in einen Zielkonflikt. Die Flugzeuge sollen in etwa 20 km Höhe unterwegs sein. Dort ist die Luft dünn, weshalb sie große, leichte Tragflächen benötigen. Gleichzeitig müssen sie genügend Energie für die Nacht mitnehmen.

Größere Batterien speichern zwar mehr Strom, machen das Flugzeug aber schwerer. Dadurch müssen die Tragflächen mehr Auftrieb erzeugen, was den Luftwiderstand und den Energiebedarf erhöhen kann. Ein Teil des zusätzlichen Energiespeichers wird somit benötigt, um sein eigenes Gewicht in der Luft zu halten.

„Es ist eine mathematische Wechselbeziehung: Man benötigt mehr Energiespeicher, aber dadurch werden die Batterien schwerer. Also braucht man mehr Leistung, um das Flugzeug durch die Luft zu bewegen und mehr Auftrieb zu erzeugen“, erklärt Craig Mascarenhas von der Harvard University.

Bei 500 Wh/kg verändert sich der entscheidende Engpass

Für ihre im Fachjournal ACS Energy Letters veröffentlichte Studie untersuchten die Forschenden Batteriezellen mit einer spezifischen Energie zwischen 100 und 1000 Wh/kg. Dieser Wert beschreibt, wie viel Energie sich pro Kilogramm Batteriemasse speichern lässt.

Die Berechnungen berücksichtigten unter anderem das Flugzeuggewicht, die Spannweite, die Sonneneinstrahlung und die mitgeführten Messinstrumente. Im Ausgangsmodell gingen die Forschenden von einer Nutzlast von 12 kg aus, die eine elektrische Leistung von 120 W benötigt.

Dabei zeigte sich: Bis zu einem bestimmten Punkt sind die Batterien der begrenzende Faktor. Sie müssen genügend Energie speichern, damit das Flugzeug auch lange Nächte übersteht. Bei etwa 500 Wh/kg verändert sich das Bild. In vielen Regionen lässt sich dann ausreichend Energie für einen kontinuierlichen Flug speichern. Statt der Batteriekapazität bestimmt zunehmend die verfügbare Sonnenenergie, wo und wann ein solcher Betrieb möglich ist.

Vor allem in Äquatornähe macht sich das bemerkbar. Dort könnten entsprechend ausgelegte Flugzeuge nach den Berechnungen ganzjährig in der Luft bleiben. In höheren Breiten begrenzen die kürzeren Wintertage die Einsatzmöglichkeiten. Während der Polarnacht fehlt die Sonneneinstrahlung sogar über längere Zeit vollständig.

Die 500 Wh/kg sind deshalb keine feste Mindestanforderung für monatelange Flüge. Vielmehr markieren sie einen Bereich, ab dem weitere Verbesserungen der Batterien die geografischen Einsatzmöglichkeiten zunehmend weniger erweitern.

Wie weit sind heutige Batterien von dieser Marke entfernt?

Handelsübliche Lithium-Ionen-Zellen erreichen häufig spezifische Energien von etwa 200 bis 300 Wh/kg. Besonders leistungsfähige Spezialzellen kommen bereits auf rund 400 Wh/kg. Auch Zellen mit noch höheren Werten werden entwickelt und erprobt. „Wir sind fast so weit“, sagt Mascarenhas in der Harvard-Mitteilung. Noch seien solche Hochenergiezellen sehr teuer, ihre Kosten würden jedoch schnell sinken.

Die Besonderheit bei Solarflugzeugen: Sie benötigen keine außergewöhnlich hohen Antriebsleistungen. Ihre Elektromotoren müssen über viele Stunden möglichst sparsam arbeiten. Deshalb ist entscheidend, wie viel Energie die Batterien bei geringem Gewicht speichern können, nicht wie schnell sie große Energiemengen abgeben.

In den Berechnungen machen die Batterien rund 30 bis 40 % der gesamten Startmasse aus. Bereits kleinere Verbesserungen ihrer spezifischen Energie können deshalb erhebliche Auswirkungen auf die Flugzeugkonstruktion haben.

Allerdings beziehen sich die genannten Energiewerte auf einzelne Batteriezellen. Ein vollständiges Batteriesystem benötigt zusätzlich Gehäuse, Kabel, Überwachungselektronik und weitere Komponenten. Dadurch sinkt die tatsächlich verfügbare Energie pro Kilogramm des eingebauten Systems.

Zephyr zeigt, was Solarflugzeuge bereits können

Dass die Idee funktioniert, hat das Solarflugzeug Zephyr des Airbus-Tochterunternehmens AALTO eindrucksvoll gezeigt. Vom 20. Februar bis zum 28. April 2025 blieb die unbemannte Maschine mehr als 67 Tage in der Luft. Dabei überquerte sie unter anderem mehrere Flugkontrollgebiete und die innertropische Konvergenzzone.

Auch in Deutschland wird an solchen Höhenplattformen gearbeitet. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat im September 2026 das Solarflugzeug HAP-alpha erstmals getestet. Die Maschine besitzt eine Spannweite von 27 m und wiegt lediglich 138 kg. Später soll sie in Höhen von rund 20 km aufsteigen. Mehr über die Konstruktion und ihre geplanten Messinstrumente erfahren Sie in unserem Beitrag zum Erstflug des DLR-Solarflugzeugs HAP-alpha.

Die Harvard-Studie beantwortet damit eine andere Frage als die bisherigen Flugversuche. Sie untersucht, welche Batterietechnik nötig ist, damit solche Flugzeuge nicht nur unter günstigen Bedingungen lange fliegen, sondern in möglichst vielen Regionen über längere Zeiträume eingesetzt werden können.

Waldbrände aus 20 km Höhe beobachten

Ein mögliches Einsatzgebiet ist die Waldbrandüberwachung. Solarflugzeuge könnten mit Kameras und anderen Sensoren über gefährdeten Gebieten bleiben und über Wochen hinweg Daten liefern. Bisher übernehmen solche Aufgaben unter anderem Satelliten und bemannte Forschungsflugzeuge. Das Höhenforschungsflugzeug ER-2 der NASA kann beispielsweise wissenschaftliche Messungen in großer Höhe durchführen, bleibt bei einzelnen Missionen aber gewöhnlich nur sechs bis acht Stunden in der Luft.

Unbemannte Solarflugzeuge könnten dieselbe Region dagegen wesentlich länger beobachten. Auch für die Atmosphärenforschung wäre das interessant, etwa um Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Luft über längere Zeiträume zu verfolgen.

Die Harvard-Forschenden arbeiten bereits mit dem Unternehmen Iris Aero an entsprechenden Anwendungen. Dabei geht es unter anderem um die Nutzung von Messdaten für KI-gestützte Modelle zur Waldbrandkartierung und Umweltbeobachtung.

Bessere Akkus ermöglichen auch mehr Messinstrumente

Selbst wenn die 500-Wh/kg-Schwelle erreicht wird, bleibt die Batterieentwicklung wichtig. Denn mit leistungsfähigeren Energiespeichern könnten Solarflugzeuge mehr Nutzlast transportieren.

Die Forschenden haben dafür zusätzliche Berechnungen mit einer auf 35 m begrenzten Spannweite durchgeführt. Untersucht wurde, welche Nutzlast solche Flugzeuge während eines zusammenhängenden dreimonatigen Einsatzes tragen könnten.

Das Ergebnis: Mit zunehmender spezifischer Energie steigt auch die mögliche Nutzlast. Der Vorteil fällt allerdings oberhalb bestimmter Energiedichten zunehmend geringer aus. Zusätzliche Kameras, Sensoren oder Kommunikationssysteme könnten dennoch von leichteren Batterien profitieren.

Quellen

• Harvard University: Powering Solar-Powered Flight – Pressemitteilung vom 28. Oktober 2026 mit Zitaten und Einordnung der Studie.
• ACS Energy Letters: Powering the Persistent Observation of Earth: Battery Targets for Solar Stratospheric Aircraft – Originalstudie, online veröffentlicht am 21. August 2026, Open Access.
• AALTO: Zephyr sets world-record for longest continuous flight – Unternehmensmitteilung vom 1. Mai 2025 zum 67-Tage-Flug.