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Unbemannte Solarflugzeuge sollen Satelliten im Weltraum ersetzen

Flugzeuge in der hohen Atmosphäre könnten die Welt mit Internet versorgen oder die Verschmutzung der Meere erfassen. Aber der Weg nach oben ist gefährlich.


Die Stratosphäre ist ein un­wirtlicher Ort. Sie beginnt rund zwölf Kilometer über dem Erdboden, jenseits der Troposphäre, in der sich unser Wetter abspielt. Bis zu minus 80 Grad herrschen hier. Gewöhnliche Flugzeuge schaffen es nicht in diese Höhe. Allenfalls die Concorde donnerte früher hindurch, heute noch Militärmaschinen wie die Lockheed U-2, Forschungsballone und Raumschiffe auf dem Weg ins All.

Künftig sollen in der Stratosphäre auch unbemannte Höhenplattformen (High Altitude Pseudo Satellites, Haps) fliegen, und zwar monatelang. Sie könnten als Vermittlerstation für Internetverbindungen dienen und damit eine Alternative zu Satellitenkonstellationen wie Starlink sein: Diese erhöhen ob ihrer grossen Anzahl von Hunderten Objekten die Kollisionsgefahr für andere Satelliten, und sie verärgern als bewegliche Lichtpunkte die Astronomen. Die Plattformen könnten ebenso aktuelle Luftbilder liefern, um etwa bei Buschbränden den Rettern den Weg zu weisen oder illegalen Fischfang und die Verschmutzung der Meere zu erfassen. Natürlich sind derartige Beobachtungs- und Kommunikationsstationen auch für das Militär interessant.

Aufnahmen vom Erdboden

In diesem Sektor wurde die Idee von Stratosphärenplattformen bereits seit den neunziger Jahren vorangetrieben, nun kommen vermehrt zivile Interessen hinzu. Das Konzept klingt einfach: Um dauerhaft die Höhe zu halten, werden Flugzeuge mit Elektromotor verwendet. Strom liefern Solarzellen auf den Flügeln, kombiniert mit Batterien. Anders als Satelliten, die um die Erde kreisen und nur sporadisch eine bestimmte Region überfliegen, kann eine Höhenplattform kontinuierlich über einem Ort verweilen oder eine gewünschte Route abfliegen. Dank einer Arbeitshöhe von nur etwas über 20 Kilometern sind die Aufnahmen des Bodens oder Umweltmessungen wesentlich genauer als von einem Satelliten aus.

In der Praxis jedoch gibt es allerhand Schwierigkeiten, zum Beispiel mit dem Antrieb. Der limitierende Faktor sei die Batteriekapazität, sagt Florian Taitsch von Airbus, wo seit 2008 an Haps geforscht wird. Mit dem Zephyr hat die Firma die bisher längste Flugzeit von knapp 26 Tagen erreicht. «Bei minus 80 Grad sind Batterien nicht mehr leistungsfähig, wir arbeiten deshalb mit einer speziellen Isolierung», sagt Taitsch. Zudem entwickle Airbus die Batterietechnologie weiter, denn solar- und batteriebetriebenes Fliegen ist nicht nur für die Stratosphäre gefragt, sondern gerade auch für den Luftverkehr in bekannten Höhen. Die neue Akkugeneration ermögliche es, bis zu 25 Grad jenseits des Äquators dauerhaft mit Zephyr in der Luft zu bleiben. «Der entscheidende Faktor ist hier die Stärke des Sonnenlichts innerhalb von 24 Stunden», sagt er. «Mit den Fortschritten, die wir bei der Batterietechnologie sehen, wird es bald möglich sein, den Korridor auf 40 Grad beidseits des Äquators zu vergrössern.»

Vorausgesetzt, Zephyr kommt heil nach oben. Um Gewicht zu sparen, sind Haps sehr filigran. In der eher ruhigen Stratosphäre genügt das, der Auf- und Abstieg durch die Troposphäre mit Wind und Turbulenzen ist allerdings gefährlich. Mehrfach sind solche Flieger abgestürzt, auch der Zephyr bei einem Testflug für das britische Verteidigungsministerium. Facebook hat nach einem Crash vor zwei Jahren sein Haps-Programm sogar komplett eingestellt und kooperiert nun mit Airbus.

Warum die Flieger abstürzen, erklärt Alexander Köthe von der TU Berlin mit der extremen Spannweite von Dutzenden Metern, die im Leichtbau erreicht wird. «Die Flügel verhalten sich wie ein langes Lineal, das man mit einer Hand auf einer Tischplatte fixiert und dessen Ende frei schwingt», sagt er. «Gibt es atmosphärische Störungen, kommt es zum gefürchteten Flattern und schliesslich zum Bruch.» Aber die Flügel müssen lang sein – Aerodynamiker sprechen dabei von Streckung –, damit der Widerstand geringer ist und die Solarzellen-Batterie-Kombination überhaupt eine Chance hat.

Köthe setzt mit seiner Firma Alpha Link daher auf einen Verbund mehrerer Flieger mit kurzen, starren Flügeln. Sie starten ­individuell durch die raue Troposphäre und koppeln erst in der Zielhöhe aneinander. «Im Gegensatz zum ‹Lineal›, das ein elastisches Kontinuum darstellt, lassen sich die kurzen Flügel als starre Körper mathematisch gut beschreiben, das vereinfacht die Steuerung», sagt der Ingenieur. Im Verbund werde die erwünschte Streckung erzielt und damit der Widerstand deutlich reduziert. «Das Koppeln hat auch den Vorteil, dass einzelne Maschinen herausgelöst werden können, um repariert zu werden oder eine neue Nutzlast ­aufzunehmen – und dann in den Verbund zurückkehren.»

Erste Tests mit Modellen seien vielversprechend, sagt Köthe. Im Sommer sollen weitere Flüge stattfinden mit drei Flugzeugen und je anderthalb Metern Spannweite, in Bodennähe. In drei bis fünf Jahren könnte ein grösseres Trio bis in die Stratosphäre kommen und hundert Tage verweilen, im Endausbau sollen es gar zehn Flieger sein, träumt der Forscher. Damit aus dem Traum Realität werden kann, muss neben der Physik vor allem die Ökonomie stimmen. Zwar seien Industrievertreter interessiert, aber es fehlen Investoren für Alpha Link. Nun haben sie erst einmal eine Crowdfun­ding-Kampagne gestartet.

Dauereinsatz in der Kälte

«Dieser Ansatz könnte eine Chance haben», sagt Michel Guillaume, Leiter des Zentrums für Aviatik an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. Die Erfahrung zeige, dass lange, elastische Flügel bei bestimmten Windverhältnissen stark schwingen und schliesslich brechen können. «Klappbare Systeme oder ein gekoppelter Verbund könnten eine Alternative sein, um heil durch die Troposphäre zu kommen.» Für den Dauereinsatz in der kalten Stratosphäre müsse noch einiges verbessert werden, meint der Experte: etwa das Temperaturmanagement für Motoren und Batterien. Die Materialien müssen der erhöhten UV-Strahlung standhalten und die Flügelprofile für niedrige Geschwindigkeiten optimiert werden. Zehn Jahre werde es sicher noch dauern, bis die Höhenplattformen praxisreif sind, sagt Guillaume. «Dann sind viele Anwendungen denkbar, zum Beispiel sehr hoch aufgelöste Bilder, um Vegetation zu überwachen, Rohstoffe aufzuspüren oder Umweltveränderungen zu dokumentieren», sagt er. Oder für Kommunikationsaufgaben. «Mit fünf bis sieben solcher Flieger könnte man die gesamte Schweiz mit Internet versorgen, bis in jeden Winkel des Landes.»


Erschienen am 14. Juni 2020 in der "NZZ am Sonntag".


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