Hochfliegende Träume : Stratosphären-Flugzeuge sollen Satelliten Konkurrenz machen

Unbemannte Flieger in der Stratosphäre könnten Erdbeobachtung und Kommunikation entscheidend verbessern. Doch sie da hoch zu bringen, ist nicht so einfach.

Illustration eines Stratosphärenflugzeugs mit Solarzellen auf den Tragflächen über einer geschlossenen Wolkendecke
Sehr hoch fliegende Flugkörper, die am Rand der Erdatmosphäre arbeiten, sind eine Alternative zu Satelliten in der Erdumlaufbahn....Foto: Alpha Link

Die Stratosphäre ist ein unwirtlicher Ort. Sie beginnt rund zwölf Kilometer über dem Erdboden, jenseits der Troposphäre, in der sich unser Wetter abspielt, und sie ist bis zu minus 80 Grad Celsius kalt. Gewöhnliche Flugzeuge schaffen es nicht bis dort hoch. 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 Relais für Internetverbindungen dienen und damit eine Alternative zu Satellitenkonstellationen wie „Starlink“ sein: Diese erhöhen ob ihrer großen Zahl von Hunderten Objekten die Kollisionsgefahr für andere Satelliten und sie verärgern als zig 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 Verschmutzung der Meere zu erfassen. Natürlich sind derartige Beobachtungs- und Kommunikationsstationen auch für das Militär interessant. In diesem Sektor wurde die Idee von Stratosphärenplattformen bereits seit den Neunzigerjahren vorangetrieben, nun kommen vermehrt zivile Interessen hinzu.

Batterien an der Belastungsgrenze

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 Celsiussind Batterien nicht mehr leistungsfähig, wir arbeiten deshalb mit einer speziellen Isolierung“, sagt Taitsch. Zudem entwickele 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.“

Gefürchtetes Flattern

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 namens Alpha Link daher auf einen Verbund: Mehrere Flieger mit kurzen, starren Flügeln starten individuell durch die raue Troposphäre und koppeln erst in der Zielhöhe an ihren Flügelspitzen, wo sie dann scharnierartig verknüpft sind.

„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, verglichen mit Einzelflugzeugen. „Das Koppeln hat auch den Vorteil, dass einzelne Maschinen herausgelöst werden können, um etwa repariert zu werden oder eine neue Nutzlast aufzunehmen – und dann in den Verbund zurückkehren.“

Physik und Ökonomie

Erste Tests mit Modellen seien vielversprechend, sagt Köthe. Erst kürzlich flogen drei gekoppelte Flugzeuge mit je anderthalb Metern Spannweite, zunächst 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.

„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: etwa das Thermalmanagement für Motoren und Batterien, Materialien, die der erhöhten UV-Strahlung widerstehen und Flügelprofile, die auf geringere Geschwindigkeiten abgestimmt sind.

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.“

Schnell, aber schwer

Stefan Levedag, Direktor des Instituts für Flugsystemtechnik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), sieht ebenfalls ein „enormes Potenzial“ für Stratosphärenplattformen, weil sie frei stationierbar sind, je nachdem, welcher Einsatz gefragt ist.

„Um so ein Flugzeug zu bauen, muss man in jedem Bereich an die Grenzen der Physik gehen“, sagt er. Das betreffe die Solarzellen, die extrem leicht und doch leistungsfähig und belastbar sein müssen, wie auch die Batterien und die Struktur des Flugzeugs selbst.

Die Forscher am DLR entwickeln ebenfalls eine solche Plattform, haben sich jedoch für einen anderen Ansatz entschieden. Sie bleiben bei einer einzelnen Maschine, die für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt wird und damit stabiler ist. „Der Nachteil ist, dass sie schwerer ist und nicht so lange in der Luft bleiben kann“, sagt Levedag. „Noch nicht.“

Er hofft auf kommende Innovationen, wie zum Beispiel Batterien mit einem besseren Verhältnis von Gewicht zu Leistung. „Sobald bessere Technologien verfügbar sind, können sie integriert und das System entsprechend optimiert werden.“

Jetzt neu: Wir schenken Ihnen 4 Wochen Tagesspiegel Plus!