Ein Stück Science-Fiction scheint Realität zu werden. Zum ersten Mal ist ein kleines Flugzeug mit einem Ionentriebwerk einige Dutzend Meter geflogen. Der Antrieb kommt ohne bewegliche Teile aus und ist nahezu geräuschlos. Das Team um Steven Barrett vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, stellt den unbemannten Flieger mit rund fünf Metern Flügelspannweite im Fachblatt Nature vor.

Es handle sich um den ersten Motorflug eines Flugzeugs ohne bewegte Teile im Antriebssystem, erklärt Barrett in einer Mitteilung seines Instituts. „Dies kann neue und unerforschte Möglichkeiten für Flugzeuge eröffnen, die leiser sind, mechanisch einfacher und keine Verbrennungsabgase ausstoßen.“

Lautlos gleitende Shuttles 

Barrett hatte nach eigenen Worten als Kind regelmäßig die Science-Fiction-Serie „Raumschiff Enterprise“ geschaut und war besonders von den lautlos gleitenden Shuttles beeindruckt. „Das ließ mich darüber nachdenken, dass Flugzeuge auf lange Sicht keine Propeller und Turbinen haben sollten. Sie sollten eher wie die Shuttles in ,Star Trek’ sein, die nur ein blaues Leuchten produzieren und still dahingleiten.“ Mit dem Ionenantrieb will das Team dieser Vision nun näher kommen.

Der futuristische Antrieb funktioniert über eine starke elektrische Spannung: Diese wird zwischen zwei Drähten angelegt, die an der Vorder- und der Rückseite der Flügel gespannt sind. Das starke elektrische Feld am vorderen, dünneren Draht erzeugt elektrisch geladene Luftmoleküle, Ionen genannt. Die Ionen werden durch die elektrische Spannung zum hinteren Draht hin beschleunigt. Auf dem Weg dorthin stoßen sie mit zahlreichen weiteren Luftmolekülen zusammen, schieben sie dabei an und erzeugen so einen Luftstrom. Dieser Luftstrom, den Forscher Ionenwind nennen, treibt das Flugzeug an.

Das Leichtbauflugzeug

Der Effekt selbst wurde 1920 vom US-amerikanischen Physiker Thomas Townsend Brown entdeckt. Der US-Physiker Paul Alfred Biefeld untersuchte ihn genauer. Deshalb spricht man vom Biefeld-Brown-Effekt. Bislang wurde er etwa bei Experimenten mit sogenannten Liftern genutzt. Das sind einfache Konstruktionen aus Aluminiumfolie auf einem Gerüst aus leichtem Holz oder Strohhalmen. Doch Berichte darüber, dass damit frei fliegende Luftfahrzeuge vorangetrieben werden konnten, finden sich bisher nicht.

Dies ist den MIT-Forschern um Steven Barrett jetzt mit einem speziell angefertigten Leichtbauflugzeug gelungen. Das MIT-Modell hat dabei nicht einen einzelnen Draht an Vorder- und Rückseite der Tragflächen, sondern jeweils einen ganzen Miniatur-Drahtzaun. An diese Drahtkonstruktionen legten die Forscher eine hohe Spannung von 40.000 Volt. Das 2,5 Kilogramm schwere Flugzeug konnte mit dem resultierenden Ionenwind zwar nicht starten, sich aber selbstständig in der Luft halten.

Keine Passagiere mit dem MIT-Modell

Das Team testete sein Modell in einer 60 Meter langen Sporthalle: Auf den ersten fünf Metern wurde das Flugzeug per Katapult gestartet, die folgenden 55 Meter flog es allein. Im Schnitt gewann der Ionen-Flieger dabei einen knappen halben Meter an Höhe. Ohne eingeschalteten Antrieb war der Flug dagegen bereits nach spätestens zehn Metern zu Ende. Die Flugversuche dauerten jeweils zwölf Sekunden. Das sei vergleichbar mit dem ersten Motorflug der Gebrüder Wright vor 115 Jahren, der in ebenfalls zwölf Sekunden 36 Meter weit führte, schreiben die Wissenschaftler.

Allerdings konnte der gut sechs Meter lange Doppeldecker der Wrights einen Piloten tragen. Davon sind die Versuche mit dem Ionenantrieb weit entfernt. Das MIT-Modell kann zwar die nötigen Akkus, einen speziell entwickelten Hochspannungswandler und eine Fernbedienung transportieren, für eine Nutzlast ist derzeit jedoch keine Kapazität vorhanden. Das Verfahren lasse sich aber optimieren, so die Forscher. „Kann der Ionenwind-Antrieb ein Flugzeug von mehreren Tonnen fliegen lassen? Diese praktische Frage ist noch offen“, schreibt Franck Plouraboué von der Universität Toulouse in einem Begleitkommentar in Nature. Es sei aber denkbar, dass der Ionenwind Leichtbauflieger wie das unbemannte, autonome Solarflugzeug Solar Impulse 2 in der Luft halten könne, das mit konventionellen Elektromotoren 2015 und 2016 in mehreren Etappen um die Welt geflogen war.

Eine erstaunliche Leistung

Auch die Entwickler sehen den Ionenwind zunächst eher als Antrieb für leichte, unbemannte Flüster-Flieger. Auf lange Sicht stellt sich Barrett aber auch effizientere Hybrid-Passagierflugzeuge vor, die sowohl einen klassischen Antrieb als auch einen Ionenantrieb haben. Das Team arbeitet nach eigenen Angaben an einer Erhöhung der Effizienz seines Antriebs, um mehr Ionenwind mit weniger elektrischer Spannung zu produzieren. Außerdem wollen sie die Schubdichte erhöhen, also den Schub pro Fläche, um den Ionenantrieb kleiner zu machen.

Von einer „erstaunlichen Leistung“ spricht Andreas Bardenhagen, Professor an der Technischen Universität (TU) Berlin und Fachgebietsleiter Luftfahrzeugbau und Leichtbau. Es sei faszinierend, zu sehen, dass es den MIT-Forschern gelungen ist, über den geschilderten Biefeld-Brown-Effekt eine Schubkraft zu erzeugen, die ein fast 2,5 Kilogramm schweres Flugzeug in der Luft halten kann.

Sehr großer Widerstand

Ein wirkliches praktisches Potenzial könne er allerdings noch nicht erkennen, sagt Bardenhagen. Unter anderem bildeten die vielen Drähte am MIT-Fluggerät, die für den elektrischen Antrieb benötigt werden, einen sehr großen Widerstand, ähnlich den Spanndrähten alter Doppeldecker. „Dadurch steigt der aerodynamische Widerstand und der Leistungsbedarf wird höher.“ Das MIT-Fluggerät sei etwa so schnell wie ein Fahrradfahrer. Um etwa die doppelte Geschwindigkeit zu erreichen, müsste der vierfache Widerstand überwunden und somit die vierfache elektrische Leistung erbracht werden, so Bardenhagen.

Der Strom müsste von einer Batterie oder einem Turbogenerator kommen. Die Spannungen müssten sehr hoch sein, ließen sich aber nicht beliebig erhöhen, da sonst Lichtbögen entstünden. Größere und schnellere Fluggeräte könnten also auf diese Weise nach heutigem Wissen kaum betrieben werden. Bardenhagen sagt: „Eher sehe ich, dass die Pizza künftig mit der Drohne geliefert wird, als dass solch eine Technik in Serie geht“. (mit dpa/fwt)