Die Ingenieure von Solar Impulse hatten letzte Woche unglaublich gute Nachrichten zu vermelden. Das Unternehmen Decision, der wichtigste Zulieferer großer Karbonteile, hat den neuen Flügelholm des zweiten Flugzeuges fertiggestellt.

Bei den abschließenden Strukturtests im Juli 2012 hatte das Mittelstück des Flügelholmes der Belastung nicht standgehalten und ist gebrochen. Es war ein anschauliches Beispiel dafür, dass es keine leichte Aufgabe ist, Grenzen anzutesten, und dass man bei solch einem schmalen Grat manchmal auch hinunterfallen kann. Aber so ist aus den vermeintlich dramatischen Ereignissen im Juli letzten Jahres heute etwas Neues entstanden. Die Verzögerung beim Bau der HB-SIB hat zu vielen aufregenden Möglichkeiten wie der diesjährigen Across America Mission geführt.

Der Flügelholm ist das Rückgrat des Solarflugzeuges und wohl sein wichtigster Bestandteil. Es ist das zentrale Gerüst der Flügel, das bei dem Flugzeug der zweiten Generation von Solar Impulse erheblich größer ausfällt, um schneller fliegen zu können. Daher müssen die Flügel einer doppelt so großen Belastung standhalten. Bei der Panne im vergangenen Jahr ist nur das Mittelstück des Holms gebrochen und nach eingehenden Tests sind die beiden äußeren Stücke des Holms verschont geblieben. Dennoch wurde aus Gründen der Konsistenz der gesamte Holm erneuert. Diese Aufgabe hat 10 Monate in Anspruch genommen, da sich der Design- und Produktionsprozess seither verbessert haben. Die verbliebenen äußeren Teile werden zur Sicherheit aufbewahrt.

Der Flügelholm sieht aus wie eine lange rechteckige Kiste, die zu 100% aus Karbon besteht und durch einen ganz besonderen chemischen Prozess verklebt bzw. verbunden wird, wie die Ingenieure sagen würden. Dazu gehören auch 20 Aushärtungszyklen in einem großen Ofen. Es dauert 64 Minuten, um die Teile miteinander zu verbinden und insgesamt 88 Minuten für die abschließende Aussteifung und Reinigung. Diese Zeitangaben müssen strikt eingehalten werden, um Unregelmäßigkeiten im Verfahren auszuschließen, die sich verhängnisvoll auf die strukturelle Einheit des gesamten Flügelholms auswirken könnten.

Dank der positiven Zusammenarbeit zwischen Decision und unseren Ingenieuren ist alles planmäßig  verlaufen, weil beide Seiten intensiv darauf hingearbeitet haben, die besten und genauesten Ergebnisse zu erzielen.

Weitere Informationen zur Konstruktion der HB-SIB erhalten Sie in der Rubrik Making Of oder der Agenda der HB-SIB.

In den vorangegangenen Folgen habe ich erläutert, wie für alle Bestandteile des Flugzeugs zunächst das Konzept, dann das Design und schließlich die Strukturanalyse erfolgen. Aber nur ein entsprechender Belastungstest kann feststellen, ob das Flugzeug tatsächlich flugtauglich ist. Die HB-SIA und die HB-SIB sind beide experimentelle Prototypen. Wenn also vorab alle Simulationen, Kalkulationen und Designs in 3D entstehen, bleibt es dennoch nur eine Annäherung an die Realität.

Jetzt tritt das Test-Team auf den Plan. Unter der Leitung von David Oldani stehen die vier „Tester“ in direktem Kontakt mit dem Strukturanalyse-Team, welches ihnen die entsprechende Traglast für ein bestimmtes Teil kommuniziert. David muss dann den Test so gestalten, dass er die Realität bestmöglich abbildet.

Die Simulation der Realität ist die größte Herausforderung eines Tests. Während eines Flugs sind Gewicht und Ladung unterschiedlich aufgeteilt. Es ist wie bei einem Sprung in ein Schwimmbecken. Man fühlt sich besonders leicht, obwohl das Gewicht in Wirklichkeit unverändert ist. Davids Aufgabe besteht darin, das Gewicht eines Teils so auszubalancieren, dass die Traglast im Flug bestmöglich simuliert wird.

Es gibt im Grunde zwei Testarten: Bruchtests und Ermüdungstests. Das Team muss entscheiden, welches Teil solange getestet wird, bis es bricht. Warum ein solcher Extremtest? Wenn ein Teil bis zu seinem Maximum gefordert wird, dann leistet es wertvolle Informationen über seine Grenzbelastung und seine ultimativen Bruchstellen.

Die Testphase ist nicht nur die letzte Etappe des Produktionsprozesses eines Teils, sondern auch die spannendste. Die Ingenieure verbergen hinter einer offensichtlich entspannten und nonchalanten Haltung ihre Anspannung und ein allgemeines Gefühl wie am Tag des Jüngsten Gerichts. Ich kann sie gut verstehen, denn alles ist bis aufs Äußerste optimiert und buchstäblich handgemacht, so dass der Übergang vom Computer in die Realität einer Übersetzung aus dem Japanischen ins Italienische gleicht. Die Ingenieure erlebten im vergangenen Jahr ihren schlimmsten Alptraum, als der Hauptteil des Flugzeugs, der Flächenholm, der Belastung nicht standhielt und mitten durchgebrochen ist.

Die Konstruktion eines Solarflugzeuges dieser Größe (72m Spannweite) und des geringen Gewichts (2.400kg) ist eine unglaubliche Leistung, mit der die herkömmliche Flugzeugindustrie in ihrem Alltag nicht konfrontiert wird. „Der Bau eines zertifizierten Zivilflugzeugs kann zügig erfolgen und die anschließenden Testverfahren sind ohne große Bedeutung, da man bereits um seine Flugtauglichkeit weiß. Im Gegensatz dazu muss unser Prototyp zahlreiche Struktur- und Flugtests absolvieren, bevor er zertifiziert werden kann“, gibt David zu.

Solar Impulse verschiebt nicht nur die Grenzen dessen, was möglich ist, Solar Impulse beweist auch mit jedem Schritt, wie Innovation, Durchhaltevermögen und Vertrauen unsere normale Wahrnehmung der Welt hinterfragen.

Auf dem Fotos von links nach rechts: Paul Metzler, Yves Heller, David Oldani und Jens Menzel. David Oldani (oben).

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Ich habe Batterien immer mit teuren Hilfsmitteln in Verbindung gebracht, die ich nie zur Hand habe, wenn ich sie brauche (meistens stelle ich erst nach Ladenschluss fest, dass ich keine mehr habe). Die Tatsache, dass die meisten modernen elektronischen Geräte (Mobiltelefone, mp3-Spieler) mittlerweile mithilfe eines Laptops aufgeladen werden können, hat vieles vereinfacht. Aber wenn auch die Standard AAA- oder AA-Batterien immer weniger Verwendung beim normalen Verbraucher finden, verbreitet sich der Nutzen dieses besonderen Energiespeichermediums in vielen anderen Bereichen.

Man denke nur an die Automobilbranche und die Hybrid- oder Elektroautos oder auch an unseren unzertrennlichen Freund, den Laptop, um nur einige zu nennen. Die hier verwendeten Batterien sind sogenannte Sekundärbatterien (wiederaufladbar), die mehrfach verwendet werden können und die aufgrund ihres Potentials, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, im Interesse der großen Chemieunternehmen stehen.

Das Besondere an den Batterien der Solar Impulse ist ihr Verhältnis von Gewicht, Leistung und Lebensdauer. Bei der HB-SIB handelt es sich um eine ganz besondere Revolution. Aufgrund umfangreicher Forschung können mit den Batterien des koreanischen Herstellers Kokam die Grenzen weiter verschoben werden. Entscheidend dabei ist die komplexe chemische Zusammensetzung, die zu verbesserten Lösungen im Rahmen der Oxidation führen. Wie bei einem Apfel, der dunkler wird und vergammelt, wenn man ihn schält und liegen lässt, altern Batterien aufgrund der Oxidation schneller und verlieren ihre Leistungsfähigkeit. Diese Technologie ist der Industrie um zwei Jahre voraus. Wir können dazu aber nicht mehr verraten, denn alles andere ist ein wohlgehütetes Geheimnis. Mit der Verbesserung dieses gewöhnlich auftretenden Alterungsprozesses verfügt Solar Impulse nun über Batterien, die 2.000 Flugstunden ermöglichen, im Gegensatz zu 500 Stunden bei der HB-SIA.

Mir gefällt ganz besonders die Metapher des Elektrotechnikers: Batterien sind wie menschliche Zellen, deshalb ist es so schwierig, sie zu analysieren. Jede Batterie der HB-SIB besteht aus 70 Lithium-Polymer-Zellen. Wie beim Menschen ist jede Zelle unterschiedlich und wie auch im menschlichen Körper mögen die Zellen keinen Stress. Sie mögen keine extrem warmen oder kalten Temperaturen und an manchen Tagen ist eine Zelle aufgrund bestimmter Parameter des Vortages leistungsfähiger als andere. Es ist wie beim Menschen. Wenn Sie sich an einem Tag körperlich verausgaben, haben Sie anschließend wahrscheinlich einen Muskelkater und sind weniger leistungsfähig. Das ist auch die Erklärung dafür, dass wir sagen, dass jede Lithium-Polymer-Zelle bis zu 4,35 Volt (V) geladen werden kann, weil es sich dabei um ihr volles Potential handelt. Es bedeutet aber nicht, dass sie am Freitag genauso wie am Donnerstag ihr volles Potential ausschöpft. All das hängt von den Temperaturbedingungen und der Art des Auf- und Entladens ab.

Die Lithium-Polymer-Zellen müssen sich zahlreichen Tests unterziehen, damit sie für das Flugzeug zur Verfügung stehen können. Diese Tests werden nicht nur unternommen, um das Verhalten der Zellen bei Extremtemperaturen sowie ihre Energiespeicherkapazität zu untersuchen, sondern auch, um die Reaktion der Zellen auf verschiedene Situationen besser zu verstehen. Die Herausforderung besteht darin, das optimale Gleichgewicht zwischen Lebensdauer und Energie zu finden; alles Faktoren, die von der Temperatur, der Zellspannung und der Stromstärke abhängen.

Mit dem Wissen über die Zellen können die Ingenieure von Solar Impulse die Missionsflüge besser vorbereiten. Sie haben beispielsweise herausgefunden, dass eine konstante Temperatur von 25°C in der Motorengondel die idealen Bedingungen für eine bessere Batterieleistung bietet. Ich muss zugeben, dass ich sie gut verstehe, denn die anspruchsvollen Wetterbedingungen in der Schweiz gefallen meinen eigenen Zellen auch nicht unbedingt …

Foto: HB-SIB Batterien

Genau wie das ewige Hin und Her zwischen Bauingenieuren und Architekten, um die beste Balance zwischen Design und einer physikalisch tragfähigen Struktur zu finden, findet eine ständige Diskussion zwischen dem Design- und Statik-Team von Solar Impulse statt. Der Unterschied ist nur, dass es alles Ingenieure sind und somit keine verrückten Sachen planen, die nur in einem Comic existieren könnten.

Jedes konzipierte Einzelstück erfüllt einen bestimmten Zweck, muss aber auch in den gesamten Plan passen und die strengen Gewichtsregeln einhalten. Unter Führung von Geri Piller arbeiten vier Ingenieure im Structural Analysis Team. Das Design-Team hat zwar das Konzept erarbeitet, doch Geris Team entscheidet welche und wie viele Materialien für ein bestimmtes Teil in Relation zur Last, die es zu tragen hat, eingesetzt werden.

Geri hat mir einmal einen 101 Structural Analysis Kurs gegeben (ich hätte allerdings wahrscheinlich eine chinesische Zeitung besser verstanden…) doch habe ich es geschafft mir etwas zu merken: alle Materialien reagieren anders auf Belastungen (beispielsweise reagiert Stahl anders als Kohlenstoff) und das ist beim Bau eines Einzelteils natürlich entscheidend.

Aus Gewichtsgründen ist der Großteil der HB-SIB-Struktur aus Kohlenstoff, ein sehr besonderes Material. Kohlenstoff ist einerseits extrem widerstandsfähig in Faserrichtung aber gleichzeitig extrem zerbrechlich gegen die Faserrichtung. Das Structural Analysis Team hat zu entscheiden, in welche Richtung die Fasern gelegt werden müssen, wie dick jede Schicht sein muss und wie viele Lagen benötigt werden. Daraus ergeben sich komplexe Manipulationen mit einer speziellen Software (FEA Finite-Elemente-Analyse), bei welcher die Statiker manuell die Merkmale, die sie wollen eingeben und dann beobachten, wie die Teile auf zu erwartende Belastungen reagieren.

Es ist kein linearer Prozess (es gehören immer zwei dazu). Es ist ein ständiges Hin und Her zwischen Statikern und Design-Ingenieuren, eine ständige Diskussion, um Perfektion zu erreichen, denn sobald Design und Struktur perfekt zusammenspielen, wird das Einzelteil endlich an den Hersteller geschickt; eine gemeinsame Anstrengung, um ein neues Einzelteil zu kreieren. Aufgrund der einzigartigen Beschaffenheit dieses Flugzeugs ist jeder Teil buchstäblich handgemacht. Folglich können einige Informationen in der Übersetzung des Software-Designs in ein fertiggestelltes Teil verloren gehen. Deshalb muss jedes Stück nachher getestet werden; ein entscheidender Prozess an dem Geri und sein Team aktiv teilnehmen. Bleiben Sie auf dem Laufenden und erhalten sie neuste Informationen über unser Test-Team in Kürze auf unserem Blog!

Auf dem Fotos: von links nach rechts: Björn Müller, Stefan Pfammatter, Geri Piller und Dominik Dusek; Geri Piller (unten); FEA (oben).

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Bevor man etwas baut, braucht man ein Konzept und ein Design. Es ist so, wie wenn man ein Haus baut: Man denkt über seine Lage, seine Größe, seine architektonische Gestaltung und vor allem über die Größe seines Portemonnaies nach. Man kann schlecht mit dem Dach beginnen, ohne ein Fundament zu haben und man kann sicher kein Badezimmer einrichten ohne zuerst das Abflussrohr mit dem Abwassersystem zu verbinden.

Wer setzt nun aber das Puzzle fristgerecht und schlüssig zusammen, wenn die Einzelteile Gestalt angenommen haben? Irgendjemand muss das Gesamtbild vor Augen haben und die Fristen, das Budget und die Produktion zusammenhalten. Bei Solar Impulse hat Robert Fraefel, Leiter der Flugentwicklung, diese Rolle inne.

Röbi, wie er zumeist vom Team genannt wird, ist der Mann im Hintergrund, der die gesamte Choreografie bestimmt. Er motiviert die Ingenieure, spricht ihnen in schwierigen Situationen Mut zu und ermuntert sie, schneller zu arbeiten, wenn Fristen eingehalten werden müssen. Er ist auch eine Art Person für die Öffentlichkeitsarbeit und trifft sich mit Dutzenden von Lieferanten und Herstellern und stellt sicher, dass die zugelieferten Produkte den strengen Qualitätsansprüchen genügen.

Röbi ist ein Ingenieur mit Formel 1-Hintergrund und war bei diesem Projekt, das beständig seine Grenzen testet, sofort in seinem Element. Aber an dieser Stelle enden auch schon die Parallelen. Bei Solar Impulse ist die Planung schwierig, weil „wir nicht wissen, wie lange die Entwicklung eines Teils dauert, bis es für die Produktion bereit ist“. In der Formel 1 „weiß man mehr oder weniger, wie viele Teile man benötigt und wie diese aussehen“. Im Gegensatz zu Solar Impulse gibt es dort immer einen Startpunkt.

Wenn ich an die Anzahl der Einflussfaktoren und Variablen denke, die für den Bau eines derart einzigartigen Flugzeugs erforderlich sind, kann ich mich nur wundern, dass Röbi noch keine grauen Haare hat. Er pendelt regelmäßig zwischen Dübendorf und Payerne und somit zwischen französisch- und deutschsprachigen Regionen der Schweiz, um sicherzustellen, dass alles reibungslos abläuft. 

„Auch wenn man die ganze Geschichte noch nicht kennt, muss man irgendwo anfangen und dann Schritt für Schritt weitermachen“, erklärte mir Röbi bei einem unserer Gespräche. „Wir neigen dazu, alles von Anfang an wissen zu wollen, aber wir müssen zunächst den ersten Schritt machen, dann etwas weitergehen, um den nächsten Schritt zu machen, ohne das Ziel aus den Augen zu verlieren.“ Das ist auch die Philosophie von Solar Impulse: Schritt für Schritt kommen wir schließlich ans Ziel.

Es ist genauso, wie ganz am Anfang, als André und Bertrand bereits darüber nachdachten, ein Solarflugzeug zu fliegen, ohne überhaupt eine Ausrüstung zu haben. Röbi hat vor 7 Jahren angefangen, an diesem Projekt zu arbeiten, ohne zu wissen, ob es tatsächlich in der Lage sein würde, zu fliegen. Aber Schritt für Schritt …

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„Wenn man irgendetwas eine Form geben soll, dann muss man zunächst über den verfügbaren Platz nachdenken.“

Das ist der Ausgangspunkt des Designteams von Solar Impulse. Es ist in etwa so, als ob man in ein neues Haus einzieht. Man betrachtet die Pläne des Hauses, überlegt sich, wie viel Platz zur Verfügung steht, und entscheidet dann, welches Möbelstück in welchen Raum passt, wobei man nicht nur die praktischsten, sondern auch ästhetische Erwägungen mit berücksichtigt. Jonas Schär und sein Designteam arbeiten ganz ähnlich: Sie gestalten eine Art „Inneneinrichtung“ des Flugzeugprofils, wobei das Profil, wie im ersten Artikel dieser Serie beschrieben, durch das Konzept vorgegeben ist.

Unter der Leitung von Jonas Schär ist das siebenköpfige Designteam von Solar Impulse verantwortlich für die Gestaltung jedes noch so kleinen Details des Flugzeugs. Sie werden dabei immer von dem Gedanken geleitet, dass das Flugzeug in der Lage sein muss, zu fliegen. Daher müssen sie jeden Bestandteil zunächst getrennt und dann als Ganzes sorgfältig untersuchen, wobei sie sich gewissenhaft an den Leitgedanken halten. Das bedeutet, alles so zu gestalten, dass es gerade  so leicht wird, wie es physisch möglich ist.

Ich stelle mir die Designer immer ein wenig so vor wie magische Seiltänzer, da sie bei der Gestaltung der „leeren“ Hülle des Flugzeugprofils keine Fehlermarge haben. Jeder Bestandteil muss die allgemeinen Gewichtsbeschränkungen respektieren und gleichzeitig seine eigene Aufgabe so effizient wie möglich erfüllen.

Jedes Teammitglied wird mit einem Teil des Flugzeugs betraut, das sie mithilfe einer technischen 3D-Software zum Leben erwecken. Glauben Sie mir, obwohl ich selbst keine Ingenieurin bin, ist es schlicht und ergreifend beindruckend, zu sehen, wie sich die virtuelle 3D-Zeichnung eines Flugzeugteils auf dem Computerbildschirm in alle Richtungen dreht. Leider tritt meine Unkenntnis unweigerlich zum Vorschein, sobald man mir ein neues Teil zeigt und ich nur frage: „Wo gehört das Teil hin?“ Es scheint, dass die Lego-Leidenschaft meiner Kindheit mich nicht mit den nötigen Fähigkeiten ausgestattet hat, um den besonderen Anforderungen dieses scheinbar unlösbaren Puzzles gerecht zu werden.

Wenn die Gestaltung der HB-SIA bereits unglaublich schwierig war, da es sich um das erste Flugzeug seiner Art gehandelt hat, ist die Herausforderung für die HB-SIB umso größer. Sie fragen sich, warum? Ein bereits gutes System zu optimieren ist eine ganz eigene geistige Herausforderung und bedarf einer ordentlichen Portion Know-How, physikalischen Kenntnissen, gesundem Menschenverstand und einem guten Gespür für die „Inneneinrichtung“. Was für eine Mischung!

Aber Spaß beiseite, die HB-SIB wird vielleicht so aussehen wie die HB-SIA, aber damit enden auch die Gemeinsamkeiten. Die HB-SIB wird nicht nur 11% größer sein, sondern sich auch in vielen anderen Dingen weiterentwickelt haben, so bei der Spannweite der Flügel, den Motoren, der Ausstattung des Piloten und der Größe des Cockpits.

Auf die Frage, wie er sich gefühlt habe, als man ihm sagte, er würde ein Solarflugzeug der ganz eigenen Art bauen, sagte Jonas: „Ich habe es damals gar nicht so gesehen. Ich war vielleicht jung genug, um einfach loszulegen und Ideen zu entwickeln, die Dinge umzusetzen. Aber ich war nie allein und bin es auch heute nicht.“ Das ist er in der Tat nicht, denn neben dem notwendigen Informationsaustausch zwischen den Teams ist das Design des Flugzeugs eine Teamleistung von (auf dem Foto von links nach rechts, von hinten nach vorne) Pascal Barmet, Frederick Tischhauser, Michael McGrath, Jonas Schär, Oliver Ensslin, Simon Bodmer, Lukas Staub und Martin Meyer.

Abrakadabra! 

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