• Search22.06.2022

Technologietransfer

Wie der Segelflug die Windenergie beflügelt (und umgekehrt)

Die Segelfliegerei hat nicht nur die Konstrukteure der ersten Windräder inspiriert, auch neue Elektroflugzeuge greifen die Technologien auf. Angetrieben werden könnten sie von Ökostrom aus Windkraft.

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    Klaus Ohlmann ist ein Champion der Segelfliegerei, er hält zahlreiche Weltrekorde. Die Konstruktion der Maschinen inspiriert auch die Hersteller von Windrädern.

    Selfie beim Gleitflug über den Bergen: Klaus Ohlmann (unten) sieht zahlreiche Parallelen zwischen Segelflugzeugen und Windrädern.

     

    Von Daniel Hautmann

    Windkraftanlagen und Segelflugzeuge haben zahlreiche Gemeinsamkeiten. Zwar fliegen Windturbinen nicht in großen Höhen, und Segler liefern keinen Strom, doch arbeiten beide mit demselben physikalischen Phänomen: Auftrieb. Während Flugzeuge ihn nutzen, um in der Luft zu bleiben, setzen Windradflügel ihn in eine Drehbewegung um.

    Segelflug und Windkraft haben aber noch viel mehr Parallelen. „Die eingesetzten Materialien kommen alle aus den modernen Segelfluganwendungen. Glasfaser, Kohlefaser und Kevlar wurden oftmals zunächst in den Werkstätten der akademischen Flugsportgruppen und anderer Tüftler verbaut“, sagt Segelflugprofi Klaus Ohlmann.

    1956 hob das weltweit erste komplett aus Kunststoff gefertigte Flugzeug ab, der Segler „fs 24 Phönix“. Das Modell läutete ein neues Zeitalter im Flugzeugbau ein. Schon ein Jahr später fand die Glasfaserverbundbauweise ihren Weg in das erste Windkraft-Rotorblatt. Dahinter steckte derselbe erfahrene Segelflieger und Flugzeugkonstrukteur, der die „fs 24 Phönix“ mitentworfen hatte: der österreichisch-deutsche Ingenieur und Hochschullehrer Ulrich W. Hütter. Hütter lehrte unter anderem an der Universität Stuttgart und wendete als erster die Prinzipien der Aerodynamik auf Windkraftflügel an. Damit legte er den Grundstein für moderne Turbinen.

    Segelflieger müssen leicht und aerodynamisch sein. Genauso wie Rotorblätter

    Ebenfalls in Stuttgart, am Institut für Flugzeugbau der Universität, erfolgte in den Achtzigerjahren die aerodynamische Auslegung der Rotorblätter für die legendäre „Große Windkraftanlage“ Growian. Gebaut wurden sie ganz in der Nähe beim Segelflugzeugbauer Schempp-Hirth in Kirchheim-Teck. Auch hier hatte Hütter seine Finger im Spiel. „Die Synergie zwischen Segelflugzeugbau und der Windkraft wird durch Professor Hütter deutlich“, sagt Po Wen Cheng, Windkraft-Professor an der Uni Stuttgart.

    Gebaut, um zu scheitern: das Windrad Growian

    Bau der Großen Windenergieanlage Growian: Mit einer Leistung von bis zu drei Megawatt ist sie damals das stärkste Windrad der Welt.

    Zu Beginn der Achtziger nimmt nahe der Elbmündung in Schleswig-Holstein ein Bau der Superlative Gestalt an: die „Große Windenergieanlage“, kurz Growian. Mit einer Leistung von bis zu drei Megawatt ist sie damals das stärkste Windrad der Welt.

    Bau von Growian: Die Große Windenergieanlage hat nur zwei statt der heute üblichen drei Flügel.

    Anders als heute übliche Windräder hat Growian nur zwei statt drei Flügel. Der Turm misst 100 Meter, genauso wie der Rotordurchmesser.

    1983 wird Growian eingeweiht. Dieses Foto entstand kurz zuvor, das 340 Tonnen schwere Maschinenhaus schwebt bereits an seinem Bestimmungsort 100 Meter über dem Acker.

    1983 wird Growian eingeweiht. Dieses Foto entstand kurz zuvor, das 340 Tonnen schwere Maschinenhaus schwebt bereits an seinem Bestimmungsort 100 Meter über dem Acker.

    1988 wird Growian wegen Konstruktionsfehlern abgerissen. Spötter behaupten, die Anlage habe nur einen Zweck gehabt: zu beweisen, dass Windkraft nicht funktioniert.

    1988 wird Growian wegen Konstruktionsfehlern abgerissen. Spötter behaupten, die Anlage habe nur einen Zweck gehabt: zu beweisen, dass Windkraft nicht funktioniert.

    Mit der Zeit haben sich aber auch Unterschiede zwischen dem Segelflug und der Windkraft herausgebildet: Setzte man in der Anfangszeit der Windkraft noch auf Luftfahrt-Profile, so werden heute spezielle Wind-Profile entwickelt. Während Hochleistungssegelflugzeuge auf Spannweiten von 30 Metern kommen, erreichen einzelne Windradflügel mehr als 100 Meter. Und mit den enormen Stückzahlen in der Windkraft hat sich die Fertigung immer weiter in Richtung Automatisation bewegt, während im Segelflugzeugbau nach wie vor Handarbeit angesagt ist. „Bei der Luftfahrt geht es um Sicherheit, Leichtbau und Leistungsfähigkeit; die Kosten spielen eher eine untergeordnete Rolle. Bei der Windkraft geht es um Kosten, Fertigung und Leistungseffizienz. Daher sind die Gemeinsamkeiten für die Auslegung mit der Zeit immer weniger geworden“, sagt Po Wen Cheng.

    Ohlmann ist ein Segelflug-Champion. Er hält unzählige Rekorde und Trophäen

    Was mit den eleganten Segelflugzeugen möglich ist, zeigt Profipilot Klaus Ohlmann. Der hat im „saubersten Sport der Welt“, wie er sagt, mehr erreicht als alle anderen Piloten. Er hält 66 Weltrekorde, sieben WM-Titel und zig Trophäen. Ohlmann segelte zudem als erster Mensch über den Mount Everest. Er glitt 3000 Kilometer weit und bis zu 12.500 Meter hoch – angetrieben von den Kräften der Natur.

    Der sauberste Sport der Welt: Klaus Ohlmann in einem Segelflugzeug vor imposantem Bergpanorama.

    Segelflieger Klaus Ohlmann beim „saubersten Sport der Welt“.

    Zufrieden ist Ohlmann aber noch nicht ganz. Geht es nach ihm, dann muss sich die kommerzielle Luftfahrt mehr an den Seglern orientieren, um von ihrem Berg an Emissionen herunterzukommen. Dabei spielen der Wind, erneuerbare Energien und die Effizienz der Segelflugzeuge eine zentrale Rolle.

    Künftig sollen Flugzeuge elektrisch fliegen – mit Strom aus erneuerbaren Quellen

    Serres-La Bâtie, südfranzösische Alpen. Hier lebt der gebürtige Mittelfranke seit rund 30 Jahren. Für Segelflieger ist es das Paradies: Berge, Sonne, Wind. Den Weg von seinem Haus zum Flugplatz fährt Ohlmann elektrisch in seinem Hybrid-Jeep. Strom tankt er zu Hause an seiner Solaranlage. Der Elektroantrieb in Kombination mit erneuerbaren Energien ist für ihn das Maß der Dinge. Nicht nur auf der Straße: „Der Wirkungsgrad von batterieelektrischen Antrieben ist unschlagbar. Aber das ergibt natürlich nur Sinn, wenn die Batterien auch mit umweltfreundlich erzeugtem Strom geladen werden.“

    Während die E-Mobilität auf der Straße inzwischen anrollt, tut sich der Luftfahrtsektor noch schwer. Dabei gehen laut Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf das Konto der Fliegerei rund 3,5 Prozent der globalen CO2-Emissionen. Und das ist nur ein Drittel der Klimawirkung des Luftverkehrs. Zwei Drittel sind sogenannte Nicht-CO2-Effekte, etwa Kondensstreifen. Denn auch Wasserdampf trägt zur Erderhitzung bei.

    Mit einem Höhenmeter gleiten Segler bis zu 70 Meter – viel weiter als Linienjets

    Segelflieger sind in Bezug auf Effizienz, Materialien und Antriebe der kommerziellen Luftfahrt immer schon vorausgeeilt. Gleiter wie Otto Lilienthal waren die ersten überhaupt, die auf Gefährten flogen, die schwerer als Luft waren. Bis dahin kannte man nur das Prinzip „leichter als Luft“, das etwa Heißluftballons nutzen. In punkto Effizienz sind heutige Segelflugzeuge unerreicht. Mit einem Meter Höhe gleiten sie bis zu 70 Meter weit. Linienjets schaffen mit einem Höhenmeter ohne Motor gerade einmal 20 Meter.

    Anführungszeichen

    Effiziente Flieger sehen automatisch aus wie Segelflugzeuge

    Jonas Lay, Institut für Flugzeugbau der Uni Stuttgart

    Bessere Werte erzielen Motorflugzeuge, wenn sie sich möglichst stark an Segelflugzeugen orientieren. Ein solcher Flieger ist die „e-Genius“, ein Zweisitzer des Instituts für Flugzeugbau der Universität Stuttgart mit langen, schlanken Flügeln. „Effiziente Flieger sehen automatisch aus wie Segelflugzeuge“, sagt Projektleiter Jonas Lay.

    Nicht nur optisch unterscheidet sich die „e-Genius“ von herkömmlichen Motorflugzeugen, auch der Motor selbst ist eine Besonderheit. Er erhält seine Energie von Batterien und einem kleinen benzingetriebenen Range-Extender, der die Batterien bei Bedarf nachlädt. Der große, langsam drehende Propeller ist hinten am Leitwerk angeordnet. Dort entfaltet er seine Kraft am effektivsten.

    Elektroflugzeug „e-genius“ der Universität Stuttgart: Um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, orientiert sich die Maschine an Segelflugzeugen.

    Inspiriert von Segelfliegern: das Elektroflugzeug „e-Genius“ bei einer Alpenüberquerung 2015.

    Auch Airbus, Boeing und andere große Flugzeugbauer haben bereits Studien nach diesem Prinzip erarbeitet. Dass elektrisch angetriebene Flugzeuge schon heute imposante Rekorde verzeichnen, zeigte die „e-Genius“ im April über Süddeutschland. Da schaffte sie nicht nur mit 207,65 Stundenkilometern die höchste bislang erreichte Durchschnittsgeschwindigkeit, sondern flog mit 1003,6 Kilometern auch so weit, wie kein E-Flieger zuvor. Im Cockpit: Klaus Ohlmann.

    Segler in der kommerziellen Luftfahrt? Durchaus möglich, glauben Experten

    Weshalb die Segler der kommerziellen Luftfahrt so oft voraus sind, ist leicht erklärt: Es ist viel günstiger und einfacher, ein Segelflugzeug umzubauen und neue Antriebstechnik darin zu testen als in Großflugzeugen. Und die Segler kommen mit viel weniger Energie aus. Auch deshalb hoben schon vor Jahren Segler mit Brennstoffzellen an Bord ab.

    Experten halten es für denkbar, dass künftig sogar kommerzielle Passagiersegler für Distanzen um die 1000 Kilometer zum Einsatz kommen. Sie könnten ein ganz neues Segment im Verkehr erschließen: ein Transportmittel, das ähnlich effizient wie ein Zug unterwegs ist, aber dabei viel schneller. An die Geschwindigkeit heutiger Jets würden die segelnden E-Flugzeuge zwar nicht herankommen, doch für eine klimabewusste und reiseaffine Zielgruppe wären sie sehr interessant. „Aerodynamik, Gewicht und auch eine geringere Reisegeschwindigkeit können den Energieverbrauch signifikant verringern“, sagt Ohlmann.

    Ohne Motor nonstop durch halb Europa: Himmelswellen machen es möglich

    Rekordflieger Ohlmann hat es ein Phänomen besonders angetan: der Wind. Während die meisten Segler thermische Aufwinde nutzen, sind seine Spezialität sogenannte Leewellen. Das sind atmosphärische Schwingungen, die sich bilden, wenn der Wind von Bergen abgelenkt wird. Je stärker der Wind und je höher das Hindernis, desto höher steigen die Wellen im Lee auf. Auf ihnen surfen die Rekordsegler bis zu 23 Kilometer hoch – rund zehn Kilometer höher als Verkehrsmaschinen.

    Was Leewellen möglich machen, bewies Ohlmann am 17. Mai 2021. Er kombinierte verschiedene Wellen in unterschiedlichen Gebirgen und legte einen atemberaubenden Flug durch halb Europa hin. Frühmorgens startete er in Südfrankreich, schraubte sich in der Welle in die Höhe und flog über das Meer nach Korsika. Dann ging es weiter nach Italien, entlang der Welle über den Apenninen in den Süden. Von hier flog er über das Meer hinüber nach Griechenland, wo ebenfalls eine Leewelle stand. Die trug ihn bis nach Thessaloniki, wo er nach 15 Stunden Flug landete.

    Klaus Ohlmann im Cockpit eines Segelflugzeugs: Er hält zahlreiche Weltrekorde in der Segelfliegerei.

    „Segelfliegen ist ein Spiel mit den Möglichkeiten. Man muss die Natur beobachten und immer wieder ausprobieren“, sagt Klaus Ohlmann.

    Nur besondere Wetterlagen und fliegerisches Können erlauben solche Reisen. „Segelfliegen ist ein Spiel mit den Möglichkeiten. Man muss die Natur beobachten und immer wieder ausprobieren. Letztlich ist es die Akkumulation von Erfahrung, die den Erfolg bringt“, sagt Ohlmann.

    Der Strombedarf in der Luftfahrt wird steigen. Gut für den Ausbau der Windkraft

    Geht es nach Ohlmann, dann nutzen in Zukunft auch Verkehrsflieger vermehrt die Kraft des Windes. Sicherlich nicht so wie er, in Form von Leewellen. Wobei große Wellen wie in den Anden auch schwere Flugzeuge über weite Distanzen tragen könnten, wie Ohlmann sagt. Was er meint, sind vielmehr neue, effizientere Flugzeuge, die elektrisch angetrieben werden. Sei es nun batterieelektrisch oder über den Umweg eines Range-Extenders oder über Wasserstoff und Brennstoffzellen. In jedem Fall wird der Strombedarf an Bord steigen – und das bedeutet Aufwind für die Windkraft und andere regenerative Quellen.

    So könnten die Segelflugzeuge – wie schon so oft in der Vergangenheit – die Windkraft beflügeln.

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