Fraunhofer IISB: 1000-PS-Elektromotor (94 kg) für Clean Aviation AMBER und Wasserstoff-Brennstoffzellen

Fraunhofer IISB im Programm Clean Aviation: Fokus auf Luftfahrt und hybride Systeme mit Wasserstoff-Brennstoffzellen

Ein neu entwickelter Elektromotor des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB (Fraunhofer IISB) erreicht 1000 Pferdestärken, obwohl er lediglich 94 kg wiegt und in seinen Abmessungen in etwa einem Gaszylinder für 12,5 kg entspricht. Damit kommt der Antrieb auf eine Leistungsdichte von 8 kW pro Kilogramm – deutlich mehr als bei typischen E-Auto-Motoren (2–4 kW/kg) und sogar oberhalb moderner Luftfahrtantriebe (5–6 kW/kg).

Konstruktion: vier dreiphasige Hairpin-Wicklungen und direkte Öl-Sprühkühlung

Um diese Kennwerte zu realisieren, setzt das Team auf ein neuartiges Layout mit vier dreiphasigen Hairpin-Wicklungen. Die Leiter werden dabei nicht als flexibler Runddraht ausgeführt, sondern als starre Kupferschienen (Stäbe), die U-förmig zur "Haarnadel" gebogen sind. Auf diese Weise lässt sich bei gleichem Bauraum mehr Kupfer unterbringen, was höhere Ströme und damit mehr Leistung ermöglicht; zugleich verbessert die Bauweise die Kühlung und erhöht die mechanische Stabilität.

Die Wärme wird zudem über eine direkte Kühlung mittels Öl-Sprühstrahl wirksam abgeführt. Dadurch kann der Motor mit höherer Leistung betrieben werden, ohne zu überhitzen. Gerade in der Luftfahrt, wo Bauraum und Masse besonders stark limitiert sind, spielt die kompakte Auslegung ihre Vorteile aus.

Einordnung der Leistung und Materialwahl für hohe Drehzahlen

Als Vergleich: Beim Tesla Model S Plaid kommen drei Motoren zum Einsatz, um insgesamt auf rund 1020 Pferdestärken zu kommen – der hier beschriebene Motor erreicht ein nahezu gleiches Ergebnis allein.

Ein weiterer zentraler Baustein ist der Einsatz von NO15-Stahl mit einer Dicke von nur 0,15 mm, also ungefähr halb so dick wie in den meisten Elektromotoren. Die geringere Blechdicke reduziert Wirbelströme, senkt damit die Erwärmung und steigert die Effizienz, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Ausgelegt ist der neue Motor für etwa 21 000 Umdrehungen pro Minute.

Redundanz und Einbettung in Clean Aviation (AMBER) für Wasserstoff-Brennstoffzellen

Der Antrieb ist in vier unabhängige Sektionen gegliedert; jede Sektion verfügt über eine eigene Wicklung, einen eigenen Inverter sowie eine eigene Regelung. Diese Architektur erhöht die Betriebssicherheit: Fällt eine Sektion aus, können die übrigen weiterarbeiten – ein Aspekt, der für Anwendungen in der Luftfahrt besonders relevant ist.

Entstanden ist die Entwicklung im Projekt AMBER, das zur EU-Initiative Clean Aviation gehört und hybride elektrische Systeme mit Wasserstoff-Brennstoffzellen für Regionalflugzeuge voranbringen soll. Ziel ist es, die CO2-Emissionen in der Luftfahrt im Vergleich zu den Werten von 2020 um mindestens 30% zu senken. Am Programm sind unter anderem auch Avio Aero mit dem Turboprop-Triebwerk Catalyst sowie GE Aerospace beteiligt; den Elektromotor selbst hat Fraunhofer IISB jedoch vollständig – von der Konzeptphase bis zur Validierung gemäss Luftfahrtstandards – entwickelt.

Auch wenn 94 kg Masse bei 1000 Pferdestärken beeindruckend sind, bleibt der Schritt vom Laborprototyp hin zu zertifizierter Luftfahrtausrüstung anspruchsvoll. Zudem ist weiterhin offen, ob Wasserstoff-Brennstoffzellen im Regionalverkehr einen zuverlässig stabilen Betrieb sicherstellen können.

Trotzdem ist dieser Motor für eine Branche, in der Fortschritte oft in Jahrzehnten gemessen werden, eine beachtliche ingenieurtechnische Leistung.