Kistler: Messtechnik für alternative Flugzeugantriebe Sauber fliegen als Entwicklungsaufgabe

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Engagierte Studierende der ETH Zürich entwickeln CO₂-freie Antriebsstränge für Kleinflugzeuge. Dabei nutzen sie in zwei Projekten einen Drehmomentsensor und – für den geplanten Brennstoffzellenantrieb – einen der Druck- und Temperaturtransmitter 4080BT von Kistler.

Die Dekarbonisierung der Luftfahrt ist eine grosse technische Herausforderung, insbesondere bei Grossflugzeugen und auf der Langstrecke. Pro Tag starten weltweit im Schnitt über 100 000 kommerzielle Flüge – der Luftverkehr ist damit verantwortlich für 2,5 Prozent der globalen, durch Menschen verursachten CO₂-Emissionen. Zwar gibt es neben nachhaltigem Kerosin (SAF, sustainable aviation fuel) und potentiellen Alternativtreibstoffen für Turbinen, wie Wasserstoff oder Flüssigmethan, auch Ansätze für elektrische Antriebe – gespeist durch Batterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen –, es wird jedoch mit zunehmender Flugdauer und Passagierkapazität immer schwieriger, die hohe Energiedichte von Kerosin und Flugbenzin adäquat zu ersetzen.

Kleinflugzeug bereits ohne Emissionen

Dass es bei Kleinflugzeugen und auf der Kurzstrecke bereits möglich ist, zeigt eindrucksvoll das Schweizer Team Cellsius. Der im Jahr 2022 gegründete Verein widmet sich der nachhaltigen Aviatik und bietet Studierenden im Abschlussjahr des Bachelor­studiums die Möglichkeit, ihr Wissen und Können am realen Flugzeug zu erproben und auszubauen. Im ersten Projekt «e-Sling», das vom Jahr 2020 bis zum Jahr 2022 lief, wurde ein Tiefdecker mit einem Elektroantrieb ausgestattet – Cellsius gelang es damit, das weltweit erste von Studierenden gebaute und zugelassene viersitzige E-Flugzeug zu bauen. Im September 2022 hob die voll­elektrische e-Sling erstmals vom Testgelände in Dübendorf ab – ein grosser Erfolg, dem eine intensive Flugerprobungsphase folgte. Für die Auslegung des Motors und die Entwicklung der Leistungselektronik wurde frühzeitig ein Drehmomentsensor von Kistler beschafft. Er ist integraler Teil des Prüfstands am Standort Dübendorf der ETH. Dort befinden sich die Hangars, Start- und Landebahnen. Der Flugplatz ist inzwischen Teil des Swiss Innovation Park Zurich und wird weiter ausgebaut, um Platz für Labors, Werkstätten, Büros und Unterrichtsräume zu schaffen.

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Komfortabel Drehmomente messen

Frederic Huwyler, der im jüngsten Projekt H2 für den Elektromotor im Brennstoffzellen-Antriebsstrang zuständig ist, berichtet über die Anpassung und Integration des Elektromotors im Flugzeug e-Sling. Das Rotor-Stator-Paket des Sponsors e+a Elektromaschinen und Antriebe AG – die gesamte Vereinstätigkeit wird durch Sponsoren finanziert und unterstützt, zu denen auch Kistler gehört – wurde dabei auf dem Prüfstand getestet, um Belastungskollektive zu optimieren und die Regelung des Drehmoments zu validieren. «Der Drehmomentsensor 4520A von Kistler hat uns dabei geholfen, sicherzustellen, dass das vorn am Propeller anliegende Drehmoment auch dem entspricht, was hinten angelegt wird – die e-Sling verfügt über einen Variable-​Pitch-Propeller, der eine entsprechende Regelung erfordert», erläutert Frederic Huwyler.

Der Drehmomentsensor 4520A basiert auf Dehnmessstreifen. Er zeichnet sich besonders durch sein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis aus und bietet eine hohe Dynamik mit berührungsloser Signalübertragung (analoges Ausgangssignal 0 bis 10 VDC) bei Messbereichen bis zu 1000 Nm und Drehzahlen bis 10 000 1/min. Wie Frederic Huwyler weiter berichtet, wurde für den Propeller des Flugzeugs e-Sling ein Drehmoment von 400 Nm benötigt. «Im Reiseflug sind es etwa 340 Nm bei etwa 2 300 1/min Drehzahl am Propeller, daher haben sich unsere Vorgänger für einen Sensor mit einem Messbereich bis 500 Nm entschieden.»

Sensor bewährt sich bei Tests

Auch Michael Haslinger, im Team Leistungselektronik des Projekts H2 für die Systeme Inverter und DC/DC-Wandler zuständig (Regeln der Energieübertragung von den Batterien zum Antriebsstrang), hat gute Erfahrungen mit dem Drehmomentsensor von Kistler gemacht: «Er lässt sich dank der sehr guten Dokumentation einfach einrichten und programmieren und ist sehr verlässlich im Handling und in der Nutzung», berichtet Michael Haslinger. Mit Hilfe des Sensors gelang es ihm und seinem Team, die Regelung des Inverters zu verifizieren. «Praktisch sind auch die integrierte Drehzahlmessung und das einfache Auslesen der Werte. Ausserdem hatten wir, anders als bei manch anderem Sensor, keine EMI-Probleme mit dem 4520A.»

Reichweite und Nutzlast vergrössern

Da jedoch Reichweite und Flugdauer des innovativen Elektro-Viersitzers e-Sling begrenzt sind, nahm Cellsius – der Verein wird von einem sechsköpfigen Vorstand geleitet sowie von Professoren der ETH Zürich beraten – direkt einen weiteren Anlauf. Im Projekt H2 wird ein Flugzeug Light Wing AC4 mit einem Brennstoffzellenantrieb ausgerüstet, um eine Flugdauer von mehr als zwei Stunden und eine Reichweite über 250 Kilometer zu ermöglichen – und auch dafür spielt Technologie von Kistler eine wichtige Rolle. Zum Drehmomentsensor kommt dann ein weiterer spezieller Transmitter hinzu.

Leicht dank Miniatur-Kombisensor

Cedric Mägli, Ingenieur für das Brennstoffzellensystem, berichtet: «Ein Antriebsstrang mit Brennstoffzelle ist ein komplexes System, das viele einzelne Komponenten erfordert. Wir entwickeln einen Grossteil davon selbst.» Die beiden Wasserstofftanks befinden sich unter den Tragflächen des Flugzeugs AC4, hinzu kommen das Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle selbst sowie mit den drei Kreisläufen für die Luft- und Wasserstoffzufuhr und die Kühlung, Pufferbatterien, Leistungselektronik und natürlich der Elektromotor – all das erhöht die Abflugmasse des Flugzeugs. Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Medien müssen zudem stets kontrolliert werden, was zusätzliche Messtechnik erfordert. Cederic Mägli führt aus: «Wir waren deshalb bestrebt, die Sensorik möglichst zu vereinfachen und in einem Anschlussblock ohne zusätzliche Halterungen unterzubringen. Der Sensor von Kistler passt da sehr gut ins Konzept.»

Der kombinierte Druck- und Temperaturtransmitter 4080BT ist ein piezoresistiver Miniatursensor mit 12,5 mm Durchmesser und nur knapp 12 g leicht. Dank der eingebauten PT-1000-Sonde sind kombinierte Druck- und Temperaturmessungen bis 150 °C (kompensiert) und maximal 20 bar möglich. Dazu sagt Cederic Mägli: «Dank des sehr kompakten Transmitters 4080BT konnten wir Anzahl und Gewicht der nötigen Sensorik reduzieren. Ausserdem erfüllt er mühelos die Anforderungen hinsichtlich Temperatur- und Druckbereich sowie Genauigkeit.»

Hochgenaue, robuste Sensorik unabdingbar

Wann das emissionsfreie Flugzeug AC4 von Cellsius erstmals abheben wird, steht noch in den Sternen. Dass es das tun wird, ist ziemlich sicher. Die Studierenden erwerben im Zuge der Projekte nicht nur jede Menge wertvolles Wissen im praktischen Umgang mit alternativen Antriebssträngen – mit ihren Proofs of Concept zeigen sie, was heute bereits möglich ist. Martin Stierli, Business Development Manager Aviation bei Kister, war schon mehrmals bei Cellsius am Flugplatz und Testgelände Dübendorf. Er sagt zur Zusammenarbeit: «Als Hersteller innovativer Messtechnik freuen wir uns, Nachwuchsingenieure bei ihren Forschungsprojekten zu unterstützen – insbesondere wenn es um mehr Nachhaltigkeit im Luftverkehr geht. Da im Rahmen des Projekts H2 noch einige messtechnische Herausforderungen anstehen, bleiben wir sehr gerne in engem Kontakt mit dem Cellsius-Team. Egal ob Schubmessung am Propeller, Zugversuche am Flügel oder diverse Vibrationsmessungen, wir sind da und können dank unseres vielfältigen Portfolios Lösungen finden.» (kmu) SMM

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