Pionierarbeit

Elektromotoren haben Charme. Sie summen, statt zu heulen – und sind zunehmend in der Lage, mächtig Schubkraft zu entfalten. Gespeist mit grünem Strom werden sie zu einer wichtigen Technologie bei der Bekämpfung des Klimawandels. Während jedoch schon Millionen Autos elektrisch fahren, ist der E-Antrieb für Flugzeuge die große Ausnahme. „Noch steckt das elektrische Fliegen in den Kinderschuhen“, sagt Lars Künne, Chef von Schenck USA. Doch das soll sich ändern.

In ihrem Kompetenzzentrum in Hudson im Bundesstaat Massachusetts unterstützt die Dürr-Tochter Schenck die Entwicklung von Elektroflugzeugen. Sowohl etablierte Hersteller als auch Start-ups kommen in das Testzentrum, um die Bauteile für ihre Prototypen in hochmodernen Schleuderständen an ihre Belastungsgrenze zu bringen.

Die E-Pioniere sind hier in besten Händen. Schenck ist bereits seit Jahrzehnten Partner für Kunden aus der Luft- und Raumfahrtbranche. „Wir testen regelmäßig Komponenten von Düsentriebwerken und Raketenmotoren“, sagt Hiro Endo, Technikchef der Testsparte von Schenck USA. Außerdem ist das Unternehmen Innovationsführer bei Schleudertests für Bauteile von Elektromotoren in der Automobilindustrie.

Im Mittelpunkt der Tests für die E-Flugzeugbauer steht der Rotor – das Herzstück des Elektroantriebs. Mit seinen Magnetfeldern wandelt er elektrische Energie in Bewegungsenergie um, die das Flugzeug antreibt. Der Rotor im E-Motor kann sich bis zu 20.000-mal pro Minute drehen. Gewaltige Fliehkräfte wirken auf das Bauteil ein – wie in einem Kettenkarussell, dessen Sitze durch die Drehbewegung nach außen gezogen werden. Der Ausfall des Rotors kann für das Flugzeug ein ernsthaftes Risiko darstellen. Damit das nicht passiert, muss das Bauteil im Vorfeld auf Herz und Nieren geprüft werden. Mit seinen Schleudertests liefert Schenck wichtige Informationen über die Herstellungsqualität des Rotors und kann Schwachstellen in der Konstruktion offenlegen, noch bevor die Teile für die Produktion freigegeben werden.   

Wenn der Rotor in der Prüfkammer des Schleuderstands verschwindet, wird er entweder einer hohen, über seine Betriebsgrenze hinausgehenden Drehgeschwindigkeit ausgesetzt oder bei zyklischer Belastung unzählige Male hintereinander beschleunigt und gebremst. Digitale Datenerfassungs- und Kontrollsysteme registrieren, wie sich das Material während des Tests verändert. Fachleute haben vor allem die Bereiche des Rotors im Blick, auf denen die Magnete sitzen. Diese Stellen können empfindlich sein, weil dort die Struktur des Materials unterbrochen ist.

Einer der nervenaufreibendsten Tests, die Endo und sein Team für viele Kunden durchführen, ist der Bruchtest. „Er muss beim ersten Versuch klappen. Wenn beim Messen oder Aufzeichnen etwas schiefgeht, muss der Kunde uns ein neues, teures Bauteil zur Verfügung stellen.“ Beim Bruchtest wird der Rotor im Schleuderstand an seine Belastungsgrenze geführt. Die Anlagen von Schenck können bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Auf Hochgeschwindigkeitsaufnahmen lässt sich im Anschluss detailliert beobachten, wie der Rotor sich verformt und auseinanderbricht. Die Ergebnisse zeigen dem Hersteller genau, wo die Belastungsgrenze seines Bauteils liegt und wie es zerbricht.

Die Kunden, die derzeit zu Schenck kommen, planen nicht nur den Bau von kleinen Elektroflugzeugen, sondern auch von sogenannten eVTOLs. Das sind elektrisch angetriebene Fluggeräte, die senkrecht starten und landen können. Diese sollen in den kommenden Jahren als Lufttaxis Fluggäste über die verstopften Straßen großer Städte hinweg transportieren.

„Ich schätze, dass die ersten rein elektrischen Kleinflugzeuge und Lufttaxis noch in diesem Jahrzehnt technisch ausgereift und für den Einsatz zertifiziert sein werden“, sagt Lars Künne. Bei größeren Passagiermaschinen rechnet er mit einem Zeitraum von deutlich mehr als 10 Jahren. Für Mittel- und Langstreckenflugzeuge eignen sich rein elektrische Antriebe in naher Zukunft noch nicht. Grund sind die hohen Zulassungsanforderungen und die technischen Herausforderungen durch das Gewicht der Batterien, die bei gleichem Energieinhalt deutlich schwerer sind als Treibstoff.

Da elektrisches Fliegen technisches Neuland ist, lassen vor allem die Entwicklungsabteilungen der Hersteller einzelne Rotoren im Schleuderstand testen. Dabei arbeiten viele auf die Zulassungsanforderungen der US-Bundesluftfahrtbehörde (FAA) hin. Wenn die ersten E-Flieger in Serienproduktion gehen, wird die grundlegende Arbeit im Schleuderstand abnehmen. „Stattdessen rechnen wir damit, dass der Bedarf an Auswuchttechnik steigt“, sagt Lars Künne. Denn die E-Motoren der kommenden Flugzeuggenerationen sollen vibrationsarm laufen. Wann genau dieser Zeitpunkt erreicht sein wird, sei noch offen. „Aber wenn es so weit ist, werden wir vorbereitet sein.“