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Simulation Simulation bringt elektrische Kurzstreckenflugzeuge sicher auf den Markt

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Magnix entwickelt saubere, leise, leichte und effiziente Motoren für die zivile Luftfahrt und will damit Gemeinden auf der ganzen Welt verbinden. Welchen Herausforderungen das Unternehmen dabei gegenüberstand und wie es diese mit den Simulation löste.

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Obwohl Elektroflugzeuge aufgrund der Akkulaufzeit auf Flüge von bis zu 650 Meilen beschränkt sind, macht diese Entfernung immer noch rund 45 % der weltweiten Flüge von Fluggesellschaften aus.
Obwohl Elektroflugzeuge aufgrund der Akkulaufzeit auf Flüge von bis zu 650 Meilen beschränkt sind, macht diese Entfernung immer noch rund 45 % der weltweiten Flüge von Fluggesellschaften aus.
(Bild: ©Tim Barker / NOI Pictures)

Elektroautos haben in den letzten Jahren allmählich ihren Weg aus unseren Köpfen auf die Straßen gefunden. Hatten sie zunächst nur begrenzte Reichweite, legen sie heute Entfernungen zurück, die zumindest nahe an die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor herankommen. Jetzt zeichnen sich erstmals elektrische Flugzeuge am Horizont ab.

Elektrische Propellerflugzeuge für Kurz- und Mittelstrecken

Die Ingenieure von Magnix entwickeln mit Hilfe der Multiphysik-Simulation von Ansys Elektromotoren für Propellerflugzeuge, die die Kurz- und Mittelstreckenflugindustrie revolutionieren könnten. Denn mit dieser Technologie ist zum Beispiel ein 90-Minuten-Flug wirtschaftlicher und bequemer als eine 8-stündige Autofahrt. Gleiches gilt für einen 30-Minuten-Flug im Vergleich zu einer 150-Minuten-Autofahrt.

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Magnix will Gemeinden weltweit verbinden

Magnix produziert vollelektrische Antriebssysteme für die zivile Luftfahrt und Verteidigung und will den Wandel in der Luft- und Raumfahrtindustrie voran treiben. Das Ziel: Gemeinden auf der ganzen Welt durch die elektrische Luftfahrt verbinden. Dafür entwickelt das Unternehmen sauberere, leisere, leichtere und effizientere Motoren mit deutlich niedrigeren Betriebskosten.

Die Technik hinter den elektrischen Antrieben

  • Antriebe arbeiten ohne Getriebe: Die Magnix-Technologie hat eigenen Angaben zufolge die Fähigkeit, die Luft- und Raumfahrtindustrie nachhaltig zu beeinflussen. Bedenkt man zum Beispiel, dass sich Turbinentriebwerke in herkömmlichen Flugzeugen normalerweise mit 10.000 bis 20.000 min-1 und die Propeller nur mit 1900 min-1 drehen, wird klar, dass diese Diskrepanz ein komplexes und schweres Getriebe erfordert, um beide auszurichten. Die Motoren von Magnix erzeugen ihre Leistung und ihr Drehmoment bei genau 1900 min-1, so dass der Propeller direkt mit dem Motor verbunden werden kann. Das Getriebe entfällt. Dies reduziert sowohl das Gewicht und die Komplexität des Systems als auch die Wartungskosten.
  • Ohne Luft effizienter fliegen: Zudem sind traditionelle Triebwerke darauf angewiesen, ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu verbrennen, um Flugzeuge anzutreiben. In größeren Höhen wird daher mehr Kraftstoff benötigt, da die Luft weniger dicht ist. Die Motoren von Magnix benötigen keine Luft, so dass sie die gleiche Leistung und das gleiche Drehmoment erzeugen, egal ob sie auf 20.000 Fuß oder auf Meereshöhe fliegen. Dies macht den Flugverkehr wesentlich effizienter.
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Herausforderung: Bestehendes neu erdenken

Laut Magnix hat die Luftfahrtindustrie im letzten Jahrhundert viele evolutionäre Entwicklungen erlebt, aber seit der Erfindung des Triebwerks nur wenige revolutionäre Sprünge gemacht. Die heutigen Motoren haben einen Wirkungsgrad von 30 bis 40 %. Elektromotoren haben das Potenzial, einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % zu erreichen. Eine erhebliche Reduktion von Emissionen und Energieverbrauch ist die Folge. Derzeit verursacht die Luftfahrtindustrie rund 4,9 % aller Kohlendioxidemissionen weltweit und macht rund 12 % aller Kohlendioxidemissionen im Verkehrssektor aus. Während die Automobilindustrie Tesla als Wegbereiter der Elektrifizierung hat, fehlt der Luft- und Raumfahrtindustrie ein ähnliches Aushängeschild – bis jetzt.

Elektroflugzeuge: großes Potenzial für die Nachhaltigkeit

„Kurzstreckenflüge sind heute relativ unüblich und teurer als sie sein sollten“, sagte Magnix CEO Roei Ganzarski. „Ein 100-Meilen-Flug kann leicht 400 Dollar an Treibstoff kosten, aber ein Elektroflugzeug könnte den Flug für nur 12 Dollar an Stromkosten durchführen. Es ist heute nicht vorstellbar, dass nur zwanzig Menschen in einem Flugzeug von Cambridge nach Coventry, Frankfurt nach Würzburg oder Brüssel nach Antwerpen fliegen. Elektroflugzeuge haben aber das Potenzial, diese und kleinere Städte auf eine Weise miteinander zu verbinden, die bisher noch als zu unprofitabel oder als ökologischer Wahnsinn erachtet wird.“

Das Rad neu erfinden

Magnix steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen, um das Gesicht des Flugverkehrs zu verändern. In erster Linie basieren die meisten Innovationen im Luftverkehr auf der Verbesserung bestehender Designs. Für Magnix war es aber wichtig, von Grund auf neu zu beginnen. Ziel war es, wirklich innovativ und nicht an Erwartungen oder gängige Überzeugungen gebunden zu sein. Doch die Herstellung von Motoren und Wechselrichtern für Flugzeuge ist unglaublich komplex. Sie müssen nicht nur leicht sein, sondern auch mehrere Anforderungen erfüllen.

„Physikalisches Bauen und Testen jeder möglichen Motor- und Umrichterkonstruktion kam einfach nicht in Frage“, so Ganzarski weiter. „Wir sind ein agiles Unternehmen und wollen keine Zeit damit verschwenden, jedes einzelne Design zu bauen, um zu sehen, ob es funktioniert. Es ist viel besser, physikalische Tests auf die vielversprechendsten Designs zu konzentrieren. Wir brauchten ein Werkzeug, das uns helfen konnte, neue Designs zu modellieren und Aspekte, wie strukturelle Integrität und Leistung, unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu verstehen."

„Darüber hinaus geht es um die Sicherheitsfrage. Wir wollen helfen, Flugzeuge zu bauen, in denen ich meine Kinder gerne fliegen lassen würde. Das ist die oberste Priorität, und das Nachdenken über das, was wir auf einer sehr persönlichen Ebene tun, hat jedem in unserem Team geholfen, sich wirklich mit der Stärke und Bedeutung dieser Aufgabe vertraut zu machen.“

Simulation als Lösung

Magnix hat sich für die Tools von Ansys entschieden, um die strukturellen Eigenschaften von elektrischen Komponenten und die Auswirkungen neuer Konfigurationen auf die Motorteile zu simulieren. Dies ermöglicht es Magnix, schnell Prototypen zu erstellen und neue Produkte in einer Geschwindigkeit zu entwickeln, die weit über die Prüfung physischer Teile hinausgeht.

„Wir haben uns andere Simulationsanbieter angesehen, aber Ansys bietet uns ein bewährtes Erfahrungsniveau“, sagt Ganzarski. „Die Lösung erlaubt uns, die Funktionsweise der Motoren zu simulieren sowie Belastungsbedingungen, Strömungsdynamik oder individuelle Struktureigenschaften zu untersuchen."

Schnellere Time-to-Market

Der Einsatz von Ansys-Simulationswerkzeugen ermöglicht es Magnix, hunderte von Teilen und Konfigurationen in der gleichen Zeit zu testen, die für die physische Herstellung und den Test nur eines einzigen Teils erforderlich wäre. Das verbessert die Time-to-Market erheblich. Gleichzeitig wird so sichergestellt, dass alle neuen Teile oder Konfigurationen den gemeinsamen Sicherheitsvorschriften der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie entsprechen. So vergeudet das Team keine Zeit mit der Herstellung einer Komponente, die von Industriebehörden verboten werden würde. Alle Komponenten sind dadurch sicher und betriebsbereit. Die Ansys-Technologie ist bei Branchenverbänden wie der FAA, EASA, Transport Canada und ANAC bekannt und respektiert und gibt dem Magnix-Team die Gewissheit, dass ihre Designs sicher sind und die gesetzlichen Anforderungen weltweit erfüllen.

Obwohl Elektroflugzeuge aufgrund der Akkulaufzeit auf Flüge von bis zu 650 Meilen beschränkt sind, macht diese Entfernung immer noch rund 45 % der weltweiten Flüge von Fluggesellschaften aus. „Es ist wirklich sehr einfach“, schließt Ganzarski. „Ohne Simulation müssten wir Kompromisse bei Zuverlässigkeit, Qualität oder Geschwindigkeit eingehen, und das ist für uns inakzeptabel. Der Einsatz von Ansys hilft uns dabei, schneller die Ersten zu sein.“

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