Britisches Team entwickelt 100-kW-Supraleitermotor für Elektroflugzeuge

Wenn der Motor auf eine ultrakalte Temperatur von 20 Kelvin (K) (-253 °C bzw. -423 °F) abgekühlt wird, verlieren die speziellen Materialien praktisch ihren gesamten elektrischen Widerstand. Das bedeutet, dass ein kleiner Motor enorme Lasten bewältigen kann, ohne unnötige Wärme zu erzeugen.

Herausforderung durch die Temperatur Der kommerzielle Flugverkehr steht vor einem strengen Gewichtsdilemma, das konventionelle Elektromotoren nicht überwinden können.

Herkömmliche Strahltriebwerke liefern weit mehr Leistung pro Gewichtseinheit als konventionelle Elektromotoren bewältigen können, hauptsächlich weil herkömmliche Kupferleitungen bei maximaler Auslastung unverhältnismäßig schwer werden und sich gefährlich überhitzen.

Einordnung fuer Autofahrer

Supraleitende Motoren überwinden diese technologische Hürde und stellen die einzige bekannte Innovation dar, die das enorme Verhältnis kann, das erforderlich ist, um ein kommerzielles Passagierflugzeug vom Boden zu heben. „Supraleitende Technologie bietet einen Weg zu deutlich leichteren und effizienteren Antriebssystemen, bringt jedoch auch erhebliche ingenieurtechnische Herausforderungen bei der kryogenen Kühlung, dem Schutz und der Systemintegration mit sich", sagte Professor Min Zhang, der die ASL an der Strathclyde-Universität leitet.

Ein supraleitender axialer Luftfahrtmotor ist ein Elektromotor, der kryogen gekühlte Materialien verwendet, um elektrischen Widerstand zu eliminieren. Obwohl als „hochtemperatur" bezeichnet, erfordert die supraleitende Bänder des Motors dennoch eine kryogene Kühlung auf Temperaturen zwischen 20 K und 77 K.

Dies stellt jedoch einen massiven ingenieurtechnischen Durchbruch dar, da der Motor bei deutlich höheren Temperaturen arbeitet als herkömmliche Supraleiter, die eine extreme Kühlung mit flüssigem Helium bei 4 K benötigen.

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Anforderungen für den Prototyp: Um dieses physikalische Phänomen in einen funktionierenden Prototypen umzusetzen, musste das Team der Universität Strathclyde die Lücke zwischen grundlegender Supraleiterforschung, Kryotechnik und der Integration mechanischer Systeme überbrücken.

Das multidisziplinäre Team gelang es, komplexe physikalische Prinzipien in eine einzelne funktionierende Maschine zu bündeln. Der Prototyp wurde mit verlustarmen supraleitenden Wicklungen, einem neuartigen bürstenlosen Startmechanismus und einem internen kryogenen Kühlsystem integriert, das auch während des Betriebs unter Rotation funktioniert.

Diese kombinierte Technologie beweist, dass eine vollständig supraleitende Motorarchitektur als einheitliche, praxistaugliche Plattform betrieben werden kann. Diese Temperaturschwelle verändert alles für den Luftfahrtkonzern Airbus, der das Projekt im Rahmen seines Programms ZEST1 (Zero Emissions for Sustainable Transport) unterstützt hat.

Technischer Hintergrund

Der Wettlauf um die Null-Emissionen: Airbus setzt auf flüssigen Wasserstoff als Treibstoff für seine zukünftige emissionsfreie Flotte. Flüssiger Wasserstoff muss an Bord bei extrem tiefen Temperaturen gespeichert werden, wodurch er eine Doppelfunktion erfüllt.

Es dient als Treibstoff für das Flugzeug und gleichzeitig als Kühlmittel für den supraleitenden Motor. „Dieser Demonstrator zeigt, dass vollständig supraleitende Flugzeugmotoren nicht mehr nur ein theoretisches Konzept sind", sagte Professor Zhang.

Neben Airbus setzen sich mehrere weitere Unternehmen wie Hinetics, HyFlux aus dem Vereinigten Königreich sowie Giganten wie Toshiba und Raytheon dafür ein, mit Hochtemperatursupraleitern extrem effiziente Motoren mit hoher Leistungsdichte zu entwickeln. Die Luftfahrtindustrie verursacht etwa 2,5 Prozent der globalen CO₂-Emissionen.

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Obwohl ein 100-kW-Motor für den Anflug eines kommerziellen Passagierflugzeugs noch zu schwach ist, betrachtet das Team den endgültigen Beweis des Konzepts: Die zugrundeliegende Physik funktioniert.

Genau dieser Sprung in der Leistungsdichte ist nötig, damit zukünftige Wasserstoff-elektrische und vollständig elektrische Flugzeuge endlich vom Boden abheben können. Der nächste Schritt besteht darin, diese Architektur auf Megawatt-Klassen supraleitende Systeme für größere kommerzielle Flugzeuge zu skalieren.