eVTOLs verstehen – ein kompletter Leitfaden für senkrecht startende und landende elektrische Flugzeuge

Einführung in eVTOL-Flugzeuge

Senkrecht startende und landende Elektroflugzeuge (eVTOL) stellen einen grundlegenden Wandel in der Luftfahrttechnologie dar. Sie versprechen, die urbane Mobilität zu revolutionieren, den Straßenverkehr zu entlasten und die Umweltauswirkungen der traditionellen Luftfahrt zu verringern. 

Diese innovativen Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie die Effizienz elektrischer Antriebe mit der Fähigkeit des vertikalen Startens und Landens kombinieren, so dass sie in städtischen Umgebungen eingesetzt werden können, in denen der verfügbare Platz begrenzt ist und herkömmliche Landebahnen nicht praktikabel sind.

Eine kurze Geschichte der eVTOLs

Die Idee der eVTOLs geht auf Mitte des 20. Jahrhunderts zurück, als experimentelle Flugzeuge wie die Hawker Siddeley Harrier, ein in den 1960er-Jahren gebautes VTOL-Flugzeug mit Strahlantrieb, entwickelt wurden. Diese frühen Modelle waren jedoch nicht elektrisch. Bedingt durch Fortschritte in der elektrischen Antriebs- und Batterietechnologie und eine steigende Nachfrage nach nachhaltigen städtischen Transportlösungen begann die moderne eVTOL-Bewegung in den 2010er-Jahren, Fahrt aufzunehmen.

Einer der ersten wichtigen Meilensteine im eVTOL-Bereich war die Gründung von Unternehmen wie Joby Aviation und Volocopter, die mit der Entwicklung elektrischer VTOL-Prototypen begannen. In den letzten zehn Jahren sind zahlreiche Start-ups und etablierte Luft- und Raumfahrtunternehmen in den Markt eingetreten und haben die Entwicklung und Kommerzialisierung der eVTOL-Technologie beschleunigt.

Wie eVTOL-Flugzeuge funktionieren

Elektrischer Antrieb

Das Herzstück der eVTOL-Technologie ist der elektrische Antrieb, der durch Motoren erfolgt, die von Batterien oder anderen elektrischen Energiequellen gespeist werden. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Flugzeugen, für die Verbrennungsmotoren verwendet werden. Elektromotoren bieten eine Reihe von Vorteilen wie einen niedrigeren Lärmpegel, weniger Emissionen und eine höhere Effizienz. Der elektrische Antriebsstrang eines eVTOL besteht in der Regel aus einem Akkupack, Elektromotoren und einer Leistungselektronik, die die Energieverteilung steuert.

Vertikales Starten und Landen

eVTOL-Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie ähnlich wie Hubschrauber senkrecht starten und landen können. Diese Fähigkeit wird durch verschiedene Rotor-, Mantelpropeller- oder Kipprotor-Konfigurationen erreicht. Der vertikale Auftrieb wird in der Regel von mehreren um das Flugzeug verteilten Rotoren erzeugt, die gekippt oder verstellt werden können, um vom vertikalen in den horizontalen Flug überzugehen. Bei Start und Landung sind die Rotoren so positioniert, dass sie vertikalen Schub erzeugen, im Reiseflug können sie gekippt werden, um Vorwärtsschub und Auftrieb zu generieren.

Autonomer und pilotierter Betrieb

Viele eVTOL-Konstruktionen sind mit fortschrittlicher Avionik und autonomen Flugsystemen ausgestattet, um die Sicherheit und Betriebseffizienz zu erhöhen. Dank der autonomen Flugtechnologie können diese Flugzeuge mit minimalen menschlichen Eingriffen betrieben werden, was das Potenzial für menschliche Fehler verringert. Einige eVTOLs sind jedoch auch so konzipiert, dass sie fernpilotiert oder von einem Piloten an Bord geflogen werden können, um einen flexiblen Betrieb zu ermöglichen und die Einhaltung der geltenden Luftfahrtvorschriften zu gewährleisten.

Verschiedene Arten von eVTOLs

Der Markt für eVTOLs ist vielfältig und bietet zahlreiche Konstruktionen und Konfigurationen, die auf spezifische Anwendungsfälle und Betriebsumgebungen zugeschnitten sind. Diese Konstruktionen lassen sich grob in die folgenden Typen einteilen:

• Multirotor-eVTOLs (Multicopter)

• Lift-and-Cruise-eVTOLs

• Kipprotor- und Kippflügel-eVTOLs

• eVTOLs mit Schubvektorsteuerung

Schauen wir uns diese Typen einmal genauer an:

Multirotor-eVTOLs

Multirotor-eVTOLs ähneln großen Drohnen mit mehreren Rotoren (in der Regel vier bis acht), die für Auftrieb und Schub sorgen. Diese Fluggeräte sind für ihre Einfachheit, Stabilität und gute Steuerbarkeit bekannt. Sie eignen sich gut für Kurzstreckenanwendungen im Bereich der urbanen Luftmobilität (Urban Air Mobility, UAM), z. B. für Lufttaxis und Lieferdrohnen. Beispiele sind der Volocopter 2X und das EHang 216.

Lift-and-Cruise-eVTOLs

Lift-and-Cruise-eVTOLs verwenden separate Rotoren oder Propeller für den vertikalen Auftrieb und den horizontalen Reiseflug. Diese Konfiguration ermöglicht eine optimale Performance während der verschiedenen Flugphasen. Für den vertikalen Auftrieb sorgen Rotoren, die beim Start und bei der Landung zum Einsatz kommen, während der Vorwärtsschub während des Reisefluges von Festflügelpropellern erzeugt wird. Ein herausragendes Beispiel für Lift-and-Cruise-eVTOLs ist die Joby Aviation S4.

Kipprotor- und Kippflügel-eVTOLs

Kipprotor- und Kippflügel-eVTOLs haben Rotoren oder Flügel, die gekippt bzw. gedreht werden können, um zwischen dem vertikalen und dem horizontalen Flugmodus zu wechseln. Bei Kipprotor-Konstruktionen sind die Rotoren an drehbaren Gondeln angebracht, so dass sie beim Start und bei der Landung für vertikalen Auftrieb und im Reiseflug für Vorwärtsschub sorgen können. Bei Kippflügeln hingegen sind die kompletten Flügel mit den Rotoren schwenkbar. Diese Konfigurationen bieten hohe Reisefluggeschwindigkeiten und Reichweiten. Beispiele hierfür sind der Lilium Jet und der Bell Nexus.

eVTOLs mit Schubvektorsteuerung

eVTOLs mit Schubvektorsteuerung verwenden eine Kombination aus festen Flügeln und Rotoren oder Ventilatoren, die gekippt werden können, um sowohl vertikalen Auftrieb als auch Vorwärtsschub zu erzeugen. Diese Konstruktion ermöglicht einen effizienten Reiseflug und bietet eine verbesserte Manövrierfähigkeit. Systeme mit Schubvektorsteuerung können komplexer sein, bieten aber Vorteile in Bezug auf Leistung und Reichweite. Ein Beispiel für ein eVTOL mit Schubvektorsteuerung ist der Archer Aviation Maker.

Erprobung und Zertifizierung von eVTOLs

Die Erprobung und Zertifizierung von eVTOL-Flugzeugen ist ein strenger Prozess, der Sicherheit, Zuverlässigkeit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewährleistet. Die Testphase umfasst in der Regel mehrere wichtige Schritte:

Entwicklung und Prototyping

In der Entwicklungsphase werden Prototypen erstellt und erste Tests durchgeführt, um das Design und die Performance des eVTOL-Flugzeugs zu validieren. Die Phase umfasst umfangreiche Computersimulationen, Windkanaltests und die Anfertigung kleinmaßstäblicher Modelle zur Optimierung der Aerodynamik, des Antriebs und der strukturellen Integrität des Flugzeugs.

Erprobung am Boden

Bei den Bodentests werden die Systeme und Komponenten des Flugzeugs erprobt, ohne dass dieses den Boden verlässt. Die Erprobung umfasst Tests des elektrischen Antriebssystems, der Avionik, der Steuersysteme und der Akkus und stellt sicher, dass alle Systeme korrekt funktionieren und den Belastungen und Bedingungen während des Fluges standhalten können.

Flugerprobung

Die Flugerprobung erfolgt in mehreren Phasen und beginnt mit Flügen in geringer Höhe und mit niedriger Geschwindigkeit, bevor schrittweise zu komplexeren und anspruchsvolleren Flugbedingungen übergegangen wird. Während der Flugtests bewerten die Ingenieure die Leistung, Stabilität, Manövrierfähigkeit und Sicherheitsmerkmale des eVTOL. Die bei diesen Tests gesammelten Daten werden zur Optimierung der Konstruktion und Behebung etwaiger Probleme verwendet.

Prüfung der elektrischen Systeme

Die Prüfung der elektrischen Systeme bei eVTOL-Flugzeugen umfasst zahlreiche strenge Verfahren zur Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung. Getestet werden unter anderem Komponenten wie die Elektromotoren, Wechselrichter und Akkus. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über den typischen Ablauf einer solchen Prüfung:

Elektromotoren

Prüfstandstests:

• Leistungstests: Die Motoren werden auf einem Prüfstand getestet, um Leistungsparameter wie Drehmoment, Drehzahl, Wirkungsgrad und Ausgangsleistung zu messen.

• Thermische Prüfung: Die Motoren werden thermischen Zyklen unterzogen, um ihre Performance bei unterschiedlichen Temperaturen zu bewerten und potenzielle Überhitzungsprobleme zu erkennen.

Zuverlässigkeitstests:

• Ausdauerprüfung: Die Motoren werden über einen längeren Zeitraum unter Last betrieben, um ihre Langlebigkeit zu bewerten und potenzielle Verschleißprobleme zu erkennen.

• Vibrationstests: Die Motoren werden Vibrationstests unterzogen, um die realen Betriebsbedingungen zu simulieren und die strukturelle Integrität zu prüfen.

Umwelttests:

• Feuchtigkeits- und Korrosionstests: Die Motoren werden feuchten und korrosiven Umgebungen ausgesetzt, um seine Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse zu bewerten.

• Höhentests: Die Motoren werden unter verschiedenen Höhenbedingungen getestet, um eine konsistente Leistung zu gewährleisten.

Wechselrichter

Funktionstests:

• Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung: Die Wechselrichter werden auf ihre Effizienz bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt geprüft.

• Schaltleistung: Prüfung des Schaltverhaltens und der Reaktionszeiten zur Gewährleistung einer effektiven Leistungsmodulation.

Prüfung des Wärmemanagements:

• Wärmeableitung: Die Wechselrichter werden getestet, um sicherzustellen, dass sie Wärme unter verschiedenen Lastbedingungen effektiv ableiten können.

• Thermische Zyklen: Die Wechselrichter werden wiederholten Temperaturwechselzyklen unterzogen, um die thermische Stabilität und Zuverlässigkeit zu testen.

Sicherheitsprüfung:

• Kurzschlusstests: Simulieren von Kurzschlussbedingungen zum Testen der Schutzmechanismen des Wechselrichters.

• Überlasttests: Durch den Betrieb von Wechselrichtern über ihre Nennkapazität hinaus wird gewährleistet, dass sie Überlastbedingungen sicher bewältigen können.

Batterien

Leistungstests:

• Kapazität und Energiedichte: Messung der Kapazität und Energiedichte des Akkus, um sicherzustellen, dass er den Designvorgaben entspricht.

Lade-/Entladezyklen: Wiederholtes Laden und Entladen, um die Lebensdauer und die Degradationsrate des Akkus zu beurteilen.

Zertifizierungsprüfung

eVTOL-Flugzeuge müssen strenge Zertifizierungsverfahren durchlaufen, um sicherzustellen, dass sie die geltenden Flugsicherheitsnormen erfüllen. Aufsichtsbehörden wie die Federal Aviation Administration (FAA) in den Vereinigten Staaten und die Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA) haben Zertifizierungsrahmen für eVTOL-Flugzeuge geschaffen. Bei der Zertifizierungsprüfung werden das Design, die Fertigung und die Betriebsverfahren des betreffenden Flugzeugs eingehend untersucht. Dieser Prozess kann mehrere Jahre dauern und erfordert eine umfangreiche Dokumentation und umfassende Tests.

Wichtige Akteure auf dem eVTOL-Markt

Der eVTOL-Markt wächst schnell, und zahlreiche Unternehmen und Start-ups konkurrieren um die Entwicklung der nächsten Generation von Lösungen für die urbane Luftmobilität. Zu den Hauptakteuren zählen:

Joby Aviation

Volocopter

Volocopter ist ein deutsches Unternehmen, das sich auf Lösungen für die urbane Luftmobilität spezialisiert hat. Beim Vorzeigeprojekt Volocopter 2X handelt es sich um ein Multirotor-eVTOL, das für Kurzstreckenflüge in städtischen Gebieten konzipiert ist. Volocopter hat zahlreiche öffentliche Vorführungen durchgeführt und arbeitet an der Entwicklung einer Infrastruktur für die städtische Luftmobilität. Zu den Partnern und Investoren des Unternehmens gehören u. a. Mercedes, Japan Airlines, Lufthansa und Schenker.

EHang

Das chinesische Unternehmen EHang ist für seine autonomen eVTOL-Flugzeuge wie das EHang 216 bekannt. Dieses Multirotor-eVTOL ist für den Personentransport konzipiert und kam bereits in verschiedenen Pilotprojekten und Vorführungen zum Einsatz. EHang hat sich zum Ziel gesetzt, eine umfassende Infrastruktur für die urbane Luftmobilität zu entwickeln, die auch den Personen- und Frachttransport umfasst.

Lilium

Das deutsche Luftfahrtunternehmen Lilium entwickelt ein Kippflügel-eVTOL unter dem Namen Lilium Jet. Der Lilium Jet ist mit 36 in die Tragflächen integrierten elektrischen Mantelpropellern ausgestattet und wird vom Unternehmen aufgrund der Gondelbauweise der Antriebe als erster senkrecht startender und landender elektrischer „Jet“ bezeichnet. Er ist für Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenflüge konzipiert und hat eine prognostizierte Reichweite von 300 Kilometern. Das Unternehmen arbeitet mit Partnern wie Honeywell, Toray, CustomCells, NetJets und Aciturri zusammen. Im Juli 2024 gab die Saudia-Gruppe bekannt, dass sie einen verbindlichen Vertrag über den Kauf von 50 Lilium Jets mit Optionen für 50 weitere unterzeichnet hat. Diese Flugzeuge sollen im Königreich Saudi-Arabien zum Einsatz kommen.

Archer Aviation

Das in den Vereinigten Staaten ansässige Unternehmen Archer Aviation entwickelt den Maker, ein eVTOL-Flugzeug mit Schubvektorsteuerung und einer Reichweite von 100 Kilometern. Im Februar 2021 gab United Airlines die Bestellung von 200 Archer-eVTOLs mit Optionen für weitere 100 bekannt. Ziel der Partnerschaft ist die Entwicklung eines urbanen Luftmobilitätsnetzes, das die Reisezeiten und den Emissionsausstoß in überlasteten Ballungsgebieten verringern soll. United plant, ab 2025 in Chicago luftgestützte Ridesharing-Dienste mit dem eVTOL-Lufttaxi Archer Midnight anzubieten. Die kurzen Flüge zwischen dem Flughafen Chicago O'Hare und dem Vertiport Chicago werden etwa 10 Minuten dauern, während die Fahrzeit am Boden im Berufsverkehr rund eine Stunde beträgt.

Beim Midnight handelt es sich um einen 12-motorigen elektrischen Starrflügler mit einer Spannweite von 14 Metern, der neben dem Piloten bis zu vier Passagiere befördern kann. 

Eve Air Mobility

Das in den USA ansässige Unternehmen Eve Air Mobility ist eine Tochtergesellschaft von Embraer, einem großen brasilianischen Luftfahrtunternehmen, das für den Bau von Verkehrs-, Geschäfts- und Militärflugzeugen bekannt ist. Eve plant die Einführung von pilotierten eVTOLs, die in Zukunft auch autonom fliegen sollen. Im Jahr 2022 erteilte United Airlines dem Unternehmen einen Auftrag über bis zu 200 eVTOLs mit Optionen für weitere 200.

Vertical Aerospace

Vertical Aerospace entwickelt die VA-X4, ein eVTOL-Flugzeug für vier Passagiere. Das britische Unternehmen hat Partnerschaften mit großen Luftfahrt-Akteuren wie Honeywell, Dassault, Leonardo und GKN geschlossen. In einer Pressemitteilung im Juli 2024 teilte es mit, dass es für die VX4 insgesamt 1500 Vorbestellungen im Gesamtwert von 6 Mrd. USD erhalten zu haben. Zu den Kunden zählen Virgin Atlantic, American Airlines, Japan Airlines, GOL und Bristow. 

Die Zukunft von eVTOL-Flugzeugen

eVTOL-Flugzeuge haben eine vielversprechende Zukunft und das Potenzial, den urbanen Transport und die Logistik grundlegend zu verändern. Dabei werden voraussichtlich mehrere bedeutende Trends und Entwicklungen eine maßgebliche Rolle spielen:

Urbane Luftmobilitätsnetze (UAM)

Die Einrichtung städtischer Luftmobilitätsnetze (UAM-Netze) ist ein entscheidender Schritt, um das Potenzial von eVTOL-Flugzeugen voll ausschöpfen zu können. Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen entstand auch eine Nachfrage nach einer elektrischen Ladeinfrastruktur. Zudem benötigen eVTOL-Elektroflugzeuge aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eigene, spezifische Betriebsanlagen. Vertiports sind Flughäfen, die speziell für den Betrieb von eVTOL-Flugzeugen ausgelegt sind.  Sie werden die folgenden wesentlichen Elemente umfassen:

• mehrere Lande- und Startplätze für vertikale Operationen

• Passagierterminals für Check-in und Boarding

• Lade- und Betankungsanlagen für batterieelektrische und wasserstoffbetriebene eVTOLs

• Wartungs- und Reparatureinrichtungen für Routineinspektionen und Instandhaltung 

Darüber hinaus werden Vertiports zur Gewährleistung einer sicheren und effizienten Luftraum-Koordinierung in moderne Flugverkehrsmanagementsysteme integriert und umfassen Kontrollzentren zur Überwachung des Boden- und Flugbetriebs.

Fortschritte in der Batterietechnologie

Die Batterietechnologie ist ein entscheidender Faktor für die Leistung und Rentabilität von eVTOL-Flugzeugen. Durch Fortschritte bei der Energiedichte, Ladegeschwindigkeit und Batterielebensdauer werden sich die Reichweite, Nutzlastkapazität und Betriebseffizienz von eVTOLs verbessern. Zudem wird die Forschung und Entwicklung in den Bereichen Festkörperakkumulatoren, Schnellladesysteme und Energiemanagement eine entscheidende Rolle für die Zukunft der eVTOL-Technologien spielen.

Autonomes Fliegen und KI-Integration

Die Integration von autonomen Flugsystemen und künstlicher Intelligenz (KI) wird erhebliche Auswirkungen auf die eVTOL-Branche haben. Autonome Flugtechnologien können die Sicherheit erhöhen, Betriebskosten senken und zu einer effizienteren Nutzung des Luftraums beitragen. Das Potenzial von KI liegt in der Optimierung von Flugrouten, prädiktiven Instandhaltung und Entscheidungsfindung in Echtzeit und somit in der Verbesserung der allgemeinen Performance und Zuverlässigkeit des eVTOL-Betriebs.

Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit

eVTOL-Flugzeuge haben das Potenzial, die Umweltauswirkungen städtischer Transportsysteme zu reduzieren, indem sie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und den Straßenverkehr entlasten. Der Einsatz von Elektroantrieben bedeutet geringere Emissionen und Lärmpegel als bei herkömmlichen Flugzeugen. Mit dem zunehmenden Wachstum der Branche werden nachhaltige Praktiken, einschließlich der Nutzung erneuerbarer Energiequellen und umweltfreundlicher Materialien, in den Mittelpunkt rücken.

Rechtlicher Rahmen und öffentliche Akzeptanz

Die erfolgreiche Einführung von eVTOL-Flugzeugen bedarf eines unterstützenden rechtlichen Rahmens und öffentlicher Akzeptanz. Die Regulierungsbehörden arbeiten an der Entwicklung von Normen und Richtlinien für die Zertifizierung und den Betrieb von eVTOLs. Die öffentliche Akzeptanz wird vom Nachweis der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Vorteilhaftigkeit der eVTOL-Technologie abhängen. Die Einbindung der Gesellschaft und eine transparente Kommunikation werden entscheidend dafür sein, Vertrauen zu schaffen und Lärm-, Datenschutz- und Sicherheitsbedenken auszuräumen.

Fazit

eVTOL-Flugzeuge stellen einen bahnbrechenden Fortschritt in der Luftfahrttechnologie dar, der das Potenzial hat, die urbane Mobilität zu revolutionieren und zur Lösung dringender Herausforderungen in Bezug auf Verkehrsüberlastung, Emissionen und Transporteffizienz beizutragen. Die Entwicklung und Einführung von eVTOLs erfordert ein komplexes Zusammenspiel von technologischer Innovation, rechtlichen Rahmenbedingungen und öffentlicher Akzeptanz. In dem Maße, wie sich die Technologie und die rechtlichen Rahmenbedingungen weiterentwickeln, werden eVTOLs zu einem Eckpfeiler künftiger urbaner und regionaler Mobilitätslösungen werden.