Wird aus Solar Impulse die stratosphärische Solardrohne?

Der Absturz der Solara 50 in New Mexico von vergangenem Mai bedeutet für das Programm von Google zur Entwicklung von Solar-Drohnen einen herben Rückschlag. Der riesige Prototyp wurde vom Unternehmen Titan Aerospace entwickelt, das vom digitalen Riesen aufgekauft worden war. Keystone

Der Schweizer Ultraleicht-Motorsegler Solar Impulse soll 2016 die erstmalige Umrundung der Erde eines Flugzeugs ohne einen Tropfen Treibstoff schaffen. Was aber wird dann aus dem Hightech-Gerät? Eine Idee ist die Ableitung von Solardrohnen, die in der Stratosphäre Satelliten ersetzen. Ein experimentelles Feld, auf dem bereits Facebook und Google forschen und entwickeln.

«Nach Solarflugzeugen Solardrohnen?», fragte André Borschberg jüngst in einem BlogeintragExterner Link. «Man stelle sich ein Flugzeug vor, das in grossen Höhen fliegen kann, und das während Monaten», so der Pilot der Solar Impulse (Si2)Externer Link. «Per Definition wäre dieses natürlich unbemannt. Oft als Drohnen bezeichnet, könnten sie in den Bereichen Überwachung und Kommunikation Satelliten ersetzen oder ergänzen.»

Boschbergs Vision ist mehr als nur Wunschtraum. Die Ingenieure, Wissenschaftler und Designer, welche die Solar Impulse entwickelt haben, arbeiten an einer Machbarkeitsstudie über Solardrohnen und so genannte Pseudo-Satelliten für grosse Höhen oder Haps, wie die englische Abkürzung lautet.

«Das Projekt ist praktisch im Vor-Design-Stadium, wir bewegen uns von einen Explorationsprojekt zu einem Industrieprojekt», enthüllt der Pilot gegenüber swissinfo.ch.

Er sieht kleinere, noch leichtere und noch effizientere Fluggeräte als die Si2, die ohne Pilot in den Lüfte unterwegs sind. Die Spannweite würde zwischen 30 und 50 Metern betragen, die Nutzlast lediglich 50 Kilogramm. Die Vergleichsdaten der Si2: 72m Spannweite und bis zu 300kg Nutzlast-Kapazität.

Vom Boden aus ferngelenkt, hofft Borschberg auf Einsätze bis zu einem halben Jahr in der ruhigen Stratosphäre. In rund 20’000 Metern Höhe wären Solardrohnen weit oberhalb der Linienmaschinen unterwegs und gleichzeitig vor Höhenstürmen sicher. Zudem könnte für jeden neuen Flug die Ausrüstung ersetzt, aktualisiert oder an die neuen Zwecke der Mission angepasst werden.

«Es wird für uns viel einfacher sein, den Massstab zu verkleinern und leichter zu bauen als umgekehrt für jene, die Leichtmodelle bauen und dann versuchen, diese zu vergrössern», sagt Borschberg.

Dennoch: Rumpf und Flügel müssen neu gezeichnet werden, denn in der Stratosphäre hat der Flieger kaum Luft unter den Tragflächen. Folglich ist viel mehr Kraft und Energie nötig, um das Gerät dort oben zu halten.

Der 63-jährige Schweizer Pilot, der jüngst zusammen mit Si2-Partner Bertrand Piccard am COP21, dem UNO-Klimagipfel in Paris teilgenommen hat, will den Fokus möglicher Missionen auf die Überwachung der Umwelt legen.

«Es wird immer wichtiger, die Erde vom Himmel aus zu beobachten», sagt er. «Das Klima ändert sich, und die Muster ändern sich jedes Jahr. Deshalb wird das Monitoring wie auch das rasche Handeln immer dringender. Ich bin überzeugt, dass wir dank Überwachung aus grosser Höhe die Nutzung des Bodens und die Qualität der Landwirtschaft verbessern können, ebenso unser Wissen über die Ozeane und Wälder.»

Dies geschehe zwar bereits durch Satelliten, aber diese seien in ihren Möglichkeiten begrenzt, sprich durch feste Bahnen, zu grosse Höhe und wenig Flexibilität.

Fliegende Netzwerke

Solar Impulse ist aber bei weitem nicht alleine auf dem Experimentierfeld der Solardrohnen. Facebook kündigte im letzten Sommer Testflüge mit Aquila 1 an. Dieses Gerät soll Menschen in abgelegenen Regionen Zugang zum Internet bringen.

Haps

Solardrohnen sind so genannte Haps (High-altitude pseudo-satellites). Sie können die Funktion von Satelliten ohne Kosten und Risiken eines Raketenstarts übernehmen.

Haps sind Leichtgewichts-Drohnen mit Batterien und Propellermotoren, die mit Solarenergie gespiesen werden. Ihre Flughöhe soll auf rund 21 km liegen. Das ist weit über dem Wettersystem, aber auch weit unter der Höhe von 200 km, in der die erdnächsten Satelliten kreisen.

Ein Hap steigt am Tag mit der Energie aus den Solarzellen auf, die zwei winzige Elektromotoren antreiben. In der Nacht spart das Gerät Energie, indem es bis am Morgen auf rund 15km Flughöhe absinkt. Diesen Rhythmus kann die Drohne theoretisch während Monaten beibehalten.

Google experimentiert mit Ziel Stratosphäre nicht nur mit Solardrohnen, sondern auch mit Ballonen und Satelliten. 2014 kaufte der digitale Gigant Titan Aerospace, um mit einem Solarfluggerät die Konkurrenz in grosser Höhe zu schlagen. Der Absturz des unbemannten Prototyps Solara 50 kurz nach dem Start zu einem Testflug bedeutete im vergangenen Jahr aber einen grossen Rückschlag für das Projekt.

Auch das US-Militär und der europäische Airbus-Konzern beschäftigen sich bereits seit Jahren mit Geräten mit alternativem Antrieb für Überwachungseinsätze in grosser Höhe. Die Zephyr Z8 von Airbus, die auf derselben Technologie wie die Si2 basiert, soll drei Monate lang in 21’000 Metern Höhe fliegen und bei einer Spannweite von 23 Metern gerade einmal 53kg wiegen.

Borschberg kennt bei Facebook und Google alle Köpfe persönlich, die an Fragestellungen und Lösungsansätzen zur Solardrohne herumdenken. Deshalb schliesst er auch eine Kooperation nicht aus, umso weniger, als Google zu den Si2-Sponsoren gehört. «Aber ich denke, dass wir in der Schweiz in einer hervorragenden Position sind, hier etwas sehr Interessantes zu entwickeln. Die Schweiz ist sehr gut in der Entwicklung von Ideen und neuen Technologien sowie in der Herstellung von High-End-Systemen und –Komponenten.» 

«Echtes Potenzial»

Fathi Derder, Mitglied der bürgerlichen Rechtsmehrheit im Schweizer Parlament, sieht ein «echtes Potenzial, dass die Schweiz auf diesem Gebiet eine Leaderposition einnehmen kann». Ihm sind aber die bestehenden regulatorischen Hürden ein Dorn im Auge. Deshalb hat er jüngst im Parlament einen Vorstoss eingereicht, in dem er die Schweizer Behörden, insbesondere das Bundesamt für Zivilluftfahrt, auffordert, den zivilen Luftraum so zu regeln, dass die Entwicklung der Drohnen in einem optimalen Umfeld stattfinden kann.

Der Westschweizer denkt dabei aber nicht in erster Linie an die Hirne hinter der Si2. Die Medien würden stark auf dieses Projekt fokussieren, aber es gebe in der Schweiz zahlreiche weitere Projekte auf diesem Gebiet, «die weiter entwickelt, aber weniger sichtbar sind», sagt Derder.

Eines davon ist Solar StratosExterner Link, das vom Schweizer Abenteurer und Pioniergeist Raphaël Domjan geleitet wird, der 2010 bis 2012 mit der PlanetSolar, einem rein mit Sonnenenergie angetriebenen Boot, die Erde umrundete. Nun tüftelt er mit Partnern, zu denen auch die Kantone Waadt und Neuenburg sowie das Swiss Centre for Electronics and Microtechnology gehören, an kleinen und solargetriebenen Stratosphärenfliegern. Ein erster Testflug ist noch für dieses Jahr geplant.

Ziel ist auch ein Zusammenschluss stratosphärischer Drohnen zu einem Kommunikations-Netzwerk, das dereinst Kunden in der Schweiz nutzen könnten.

Ein weiteres kleineres Schweizer Projekt ist OpenStratosphere, ein Startup-Unternehmen, das an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) beheimatet ist. Gründer Simon Johnson hofft, mit einer Drohnen-Flotte dereinst «zuverlässige, regionale und satelliten-ähnliche Lösungen» anbieten zu können.

«In Zukunft wird jedes Land in seinem nationalen Luftraum sein eigenes stratosphärisches Drohnensystem betreiben.» Johnson ist überzeugt, dass die Staaten es Riesen wie Facebook und Google kaum erlauben würden, eine globale Abdeckung mit Drohnen anzubieten.

Die Entwicklung werde bestimmt einerseits durch die Fortschritte in der Batterie-Technologie. Andererseits aber auch durch die Behörden, welche die Lufträume definierten, in denen Drohnenflüge erlaubt sein werden. «Aber Haps werden für die Satelliten das, was das Fernsehen für das Radio war», ist Johnson überzeugt.

Das Finale

Solar Impulse will den Flug um die Weltkugel am kommenden 20. April in Hawaii fortsetzen. Gemäss Pilot André Borschberg würden dann die Tage lang und die Nächte kurz.

Laut dem Schweizer wurden an der Si2 die beschädigten Batterien ersetzt und deren Aufladung verbessert.

Mitte Juli 2015 musste das Team das Rekordunternehmen, als erstes reines Solarfllugzeug die Erde zu umrunden, unterbrechen. Dies, nachdem auf dem 118-stündigen Flug (Weltrekord für eine Etappe) von Japan nach Hawaii zwei Batterien Schaden genommen hatten.

Der Start war am 9. März 2015 in Abu Dhabi erfolgt, der Hauptstadt der Vereinigten Arabischen Emirate. 

Die nächsten Stationen waren Oman, Myanmar und China.

Die mögliche Route für den Rückflug skizzierte Borschberg folgendermassen: Über Vancouver, San Francisco, Los Angeles oder Phoenix nach New York. Dann von dort nach Grossbritannien, Frankreich, Spanien oder Marokko.

Die weit ausgreifenden Flügel der Si2 sind mit 17’000 Solarzellen bestückt, die zwei Propellermotoren sowie die Batterien mit Energie aus der Sonne speisen.

Das Gewicht des Solarmotorseglers entspricht dem eines Familienwagens. Er kann bis 9000 Meter hoch steigen, während die durchschnittliche Fluggeschwindigkeit lediglich rund 70km/h beträgt.

(Übertragung aus dem Englischen: Renat Kuenzi)