Triebwerke für lautlose Drohnen 28.11.2018, 12:35 Uhr

Ionen lassen ein Flugzeug fliegen

Ein Antrieb, der nur für Einsätze im Weltraum geeignet schien, ist jetzt erstmals auf der Erde eingesetzt worden. Er lässt ein ultraleichtes Fluggerät abheben und einen 60-Meter-Satz machen.

Prototyp des Testgerätes

So sieht das Fluggerät aus, mit dem die MIT-Ingenieure ihren Ionenantrieb testen.

Foto: MIT Electric Aircraft Initiative

Das weltweit erste Flugzeug, das ohne bewegliche Teile auskommt, haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge/USA entwickelt. Anders als ein Segelflugzeug kann es aus eigener Kraft starten. Die Reichweite beträgt derzeit gerade einmal 60 Meter, was allerdings nicht an dem Fluggerät liegt. Steven Barrett, Juniorprofessor für Luft- und Raumfahrt, der das Fluggerät gemeinsam mit seinem Team entwickelt hat, lässt es in der MIT-Sporthalle fliegen und die ist nur 60 Meter lang. Die Batterie, die sich in der knubbeligen Nase des Flugzeugs befindet, reicht für mehr als zehn Tests in schneller Folge.

Ionentriebwerk – mit 40.000 Volt in die Luft

Das filigrane Gebilde wiegt knapp 2,5 Kilogramm und hat eine Spannweite von fünf Metern. Als Antrieb dient ein Ionentriebwerk. Ein Wandler erzeugt aus der Energie der Batterie eine Hochspannung von 40.000 Volt. Diese Spannung liegt zwischen Drähten unter den Flügeln und dem Heck. An den Drähten entstehen aus der umgebenden Luft Ionen, also elektrisch geladene Moleküle, denen die Hochspannung mindestens ein Elektron entrissen hat. In dem elektrischen Feld zwischen den Drähten und dem Heck sausen diese Ionen nach hinten und verleihen dem Flugzeug Vortrieb. Am Heck, der positiv geladenen Elektrode, holen sie sich die verlorenen Elektronen zurück.

Drohnen mit Ionenantrieb sind das Ziel

Ionenwind nennt Barrett den Strom aus elektrisch geladenen Teilchen. Er ist momentan noch so schwach, dass das fliegende Leichtgewicht keinerlei Lasten wie Kameras tragen kann. Doch der Forscher kann sich vorstellen, schon in naher Zukunft Drohnen mit einem stärkeren Ionentriebwerk auszustatten. Sie sollen dann wie der Prototyp, lautlos und ohne die Umwelt zu belasten, ihr Ziel erreichen. „Diese Entwicklung eröffnet die Möglichkeit, Flugzeuge leiser fliegen zu lassen“, sagt Barrett. Und umweltverträglicher. Allerdings glaubt nicht einmal er daran, dass es möglich ist, so starke Ionentriebwerke zu bauen, dass damit ein Passagierflugzeug bewegt werden könnte. Die Technik sei vielmehr als Ergänzung zu herkömmlichen Triebwerken geeignet.

In seiner Jugend liebte Barrett die Science-Fiction-Serie „Star Trek“. Vor allem die Raumschiffe hatten es ihm angetan, die ganz ohne bewegliche Teile auskommen und sich dennoch mit hohen Geschwindigkeiten bewegen. Daran erinnerte er sich, als er seine Ausbildung beendet hatte. Es dauerte dann noch neun Jahre, ehe seine vermeintlich fixe Idee Wirklichkeit wurde.

Ionentriebwerk stammt aus der Universität Gießen

Praktisch genutzt wird der Ionenantrieb bereits seit einigen Jahren in der Raumfahrt. Da es im All keinen Luftwiderstand gibt, genügt schon ein schwacher Ionenwind, um etwa den Kurs von Satelliten zu korrigieren –ganz ohne Treibstoff. Die nötige Energie liefern Solarzellen.

Das erste Triebwerk dieser Art entwickelte ein Team um den 2016 verstorbenen Physikprofessor Horst W. Löb von der Justus-Liebig-Universität Gießen in den 1960-er Jahren. Der Antrieb wurde schließlich von der Industrie weiterentwickelt – zunächst von Messerschmitt-Bölkow-Blohm, dann von der Dasa, die in der Airbus-Gruppe aufging. Doch erst 1992 hatte er seine Weltraumpremiere. Das Triebwerk „RIT-10“ war an Bord der Eureka-Sonde der europäischen Raufahrbehörde ESA. Zehn Jahre später rettete es den ESA-Nachrichtensatelliten „Artemis“. Die Ariane-Rakete hatte den Satelliten 5.000 Kilometer zu niedrig abgesetzt. Der Ionenantrieb, der eigentlich nur für kleinere Bahnkorrekturen gedacht war, hievte ihn in einem 18-monatigen Manöver auf Sollhöhe. Ohne das Triebwerk wäre der 700 Millionen Euro teure Satellit unwiderruflich verloren gewesen.

Physikalischer Effekt seit 1920 bekannt

Der US-Physiker Thomas Townsend Brown hatte den Ionenwind bereits 1920 entdeckt. Gemeinsam mit seinem aus Deutschland stammenden Professor Paul Alfred Biefeld von der Denison University in Granville/Ohio baute er 1923 das erste Gerät, das sich auf Grund des Ionenwindes bewegte. Das Phänomen trägt seitdem den Namen Biefeld-Brown-Effekt. 2008 nutzten Forscher der Leibniz-Universität Hannover den Effekt, um aus Balsaholz, Aluminiumfolie und einem Draht ein Gebilde namens Lifter zu bauen, der bei einer Spannung von 20.000 Volt ein wenig emporstieg.

 

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Von Wolfgang Kempkens Tags:

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