Wenn Sie während des heutigen Fluges Solar Impulse TV gesehen haben, dann haben Sie vielleicht einen Eindruck davon bekommen, wie groß das Team ist. Die Ground Crew und das Logistikteam befinden sich in den USA, um sicherzustellen, dass die Flüge vom Start bis zur Landung reibungslos verlaufen. Das Marketing- & Kommunikationsteam sowie die Mitarbeiter des Mission Control Center (dazu zählen Meteorologen, Fluglotsen und der Flugleiter) sind alle in Payerne (Schweiz) und leiten den Piloten während des Fluges mit allen möglichen Programmen und Satellitenverbindungen. Außerdem gibt es noch das Multimediateam, das sich zwischen dem alten und dem neuen Kontinent aufgeteilt hat, für Unterhaltung sorgt und die Verbindung hält, während die schlanke Silhouette der HB-SIA durch den Himmel von Nordamerika gleitet. Aber wo sind die Ingenieure?

Wir haben sie an einem ruhigen Ort versteckt, wo der Himmel immer grau ist und es kaum Abwechslung gibt … am Stadtrand von Zürich. Wir müssen doch sicherstellen, dass sie nicht weglaufen, oder nicht? Aber Spaß beiseite, die Männer und Frauen, die gemeinsam dazu beigetragen haben, die HB-SIA zu bauen, sind extrem beschäftigt, ein neues Spielzeug zu bauen: Die zweite Generation des solargetriebenen Flugzeuges von Solar Impulse, der HB-SIB. Wenn Sie also geglaubt haben, dass das Abenteuer mit einer eleganten Landung am New Yorker JFK Flughafen diesen Sommer endet, dann haben Sie sich getäuscht. Das Abenteuer geht mit der Weltumrundung weiter, die für das Jahr 2015 geplant ist.

Die Designphase für den Bau der HB-SIB ist abgeschlossen und die Ingenieure von Solar Impulse sind zurzeit damit beschäftigt, Einzelteile in Vorbereitung auf die Montage zu testen, die für Ende 2013 vorgesehen ist. Vor einigen Wochen hat man in einem sogenannten Iron Bird die elektrischen Kabel und die gesamte Elektronik in einem Testcockpit überprüft. Alles wurde genauso aufgebaut, wie bei einem „richtigen“ Flugzeug, wobei sich Hunderte von Kabeln durch das gesamte Cockpit zogen. Jedes Teil wird ursprünglich allein getestet, aber bei einem komplexen elektrischen System mit verschiedenen Maschinen und zahlreichen Variablen muss auch überprüft werden, wie alles zusammenspielt. Die Tests waren erfolgreich. Die vier Motoren laufen bei 300 rpm (Umdrehungen pro Minute), und zwar gleichzeitig mit allen anderen Systemen wie dem Antrieb, den Batterien und dem Ausgleichsregler. Es sind noch ein paar weitere Tests geplant und wenn alles in Ordnung ist, dann wird es so, wie es ist, in das Cockpit der HB-SIB übernommen.

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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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"MAKING OF" EINES SOLARFLUGZEUGS

Dies ist der erste Artikel einer Serie über die Konstruktion der zweiten Flugzeuggeneration von Solar Impulse, der HB-SIB, in der ich schrittweise „hinter den Vorhang“ blicke. Ich werde Ihnen die verschiedenen Teams vorstellen, die an diesem Projekt beteiligt sind. Ich werde mit dem ersten Schritt beginnen, der für die Entwicklung eines Solarflugzeuges notwendig ist: das Konzept. Warum sieht die HB-SIA so aus, wie sie aussieht? Wie wird ihr größerer Bruder aussehen? Auch wenn diese Fragen scheinbar unschwer zu beantworten sind, müssen sie doch sorgfältig untersucht werden.

Ich habe ein Gespräch mit Peter Frei, dem Leiter für Konzept-Design und Aerodynamik bei Solar Impulse, geführt. Peter Frei kennt André seit ihren gemeinsamen Zeiten bei der Schweizer Luftwaffe und gehörte von Beginn an zum Projekt. Er hat an den ersten Treffen an der Eidgenössischen Polytechnischen Hochschule Lausanne (EPFL) teilgenommen, bei denen Simulationen und Kalkulationen bestätigt haben, dass die HB-SIA als Flugzeug und nicht als Luftschiff konzipiert werden muss, damit sie allein mit Solarenergie fliegen kann.

Das Design eines Flugzeugs ist ein multidisziplinärer Prozess. Die Person mit der entsprechenden Idee und Zielsetzung legt die Vorgaben fest. Bertrands Ziel war es, allein mit Solarenergie um die Welt zu fliegen. Um dieses Ziel zu erreichen, hatten die Ingenieure bereits Angaben zur Energiequelle, zu Flugspezifikationen (z.B. Überflug der Ozeane) und zu Mindestgewichtsanforderungen, zu denen unter anderem gehörte, dass ein bemanntes Solarflugzeug nachts fliegen kann, dass Batterien Energie speichern können und dass Vorräte für den Piloten verstaut werden können. Das generelle Konzept hat Peters Neugier geweckt und ihn davon überzeugt, seine umfassende Erfahrung als Ingenieur einzusetzen, um Lösungen für diese strengen Anforderungen zu finden. Neugier und Kreativität sowie Teamwork sind die Hauptbestandteile, um ein Ausgangskonzept zu entwerfen. Ideen müssen hinterfragt werden und ein kritischer Gedankenaustausch mit allen ist der einzige Weg, leichtere, billigere und effizientere Lösungen zu finden.

Die Entwicklung des ersten Konzepts für ein Solarflugzeugs ist ein langwieriger Prozess, an dem viele Menschen beteiligt sind. Für die HB-SIB dauerte dieser Prozess mehr als ein Jahr, während es für die HB-SIA noch länger gedauert hat, da es das erste Flugzeug seiner Art war. Am Anfang stehen dreidimensionale Entwürfe und einfache Berechnungen per Hand, mit denen die Experten entsprechende Ideen entwickeln, die in einem Team von Ingenieuren die Grundlage für weitere Diskussionen bilden.

Peter war schon immer von Flugzeugen fasziniert. Er hat schon als Kind ständig Modellflugzeuge gebaut. Das Interesse am Aufbau von Fluggeräten bildet einen der Hauptgründe, warum die Entwicklung des weltweit ersten Solarflugzeugs, das am Tag und in der Nacht fliegen kann, für ihn eine unglaubliche Leistung darstellt. Zusammen mit einem seiner ehemaligen Schüler, Roger Ruppert, hat er entschieden, inwieweit ihre Erfahrungen mit Ultraleichtmaterial übertragbar sind und welche Flügelspannweite in dem Wissen, dass diese über die Spannweite bestehender Flugzeuge hinaus geht, in der Realität noch zu bewältigen ist.

Obwohl die HB-SIA und die HB-SIB denselben Ursprung haben, sind sie doch fundamental verschieden. Das neue Flugzeug ist eine optimierte und komplexere Version seines kleinen Bruders. Es wird um 11% größer sein, mehr Gewicht tragen können, widerstandsfähiger in feuchten klimatischen Bedingungen sein und der Komfort für den Piloten wird vor allem für längere Flugstrecken, die mehrere Tage dauern können, deutlich verbessert. Sie können diese Unterschiede in den weiteren Folgen dieser Serie selbst entdecken. Bleiben Sie dran!

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