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Der lange Weg zum vollelektrischen Flug

Im Innovationspark in Dübendorf haben ETH-Bachelorstudierende ein vollelektrisches Flugzeug entwickelt: die sogenannte e-Sling. Am 1. Oktober fand der langersehnte Erstflug statt. Zeit für einen Rückblick über zwei intensive Projektjahre.

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TEXT: Sander Metting van Rijn - FOTOS: Marc Bührer

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Steht man auf dem weitläufigen Areal des Innovationsparks Zürich, gleich neben dem Flugplatz Dübendorf, und lässt seinen Blick über den Asphalt schweifen, so fallen einem sofort zwei grosse Schiffscontainer ins Auge, versehen mit einem grossen «e-Sling»-Schriftzug und einer riesigen Blache mit unzähligen Sponsorenlogos. Sie sind ein Hinweis darauf, was hinter den schweren Toren des altehrwürdigen Hangars 3 vor sich geht. Öffnet man
eines dieser Tore, so erhascht man einen Blick auf ein kleines vierplätziges Flugzeug. Eigentlich nichts Ungewöhnliches an diesem Ort. Doch die e-Sling hat eine etwas andere Geschichte zu erzählen.

Steht man auf dem weitläufigen Areal des Innovationsparks Zürich, gleich neben dem Flugplatz Dübendorf, und lässt seinen Blick über den Asphalt schweifen, so fallen einem sofort zwei grosse Schiffscontainer ins Auge, versehen mit einem grossen «e-Sling»-Schriftzug und einer riesigen Blache mit unzähligen Sponsorenlogos. Sie sind ein Hinweis darauf, was hinter den schweren Toren des altehrwürdigen Hangars 3 vor sich geht. Öffnet man
eines dieser Tore, so erhascht man einen Blick auf ein kleines vierplätziges Flugzeug. Eigentlich nichts Ungewöhnliches an diesem Ort. Doch die e-Sling hat eine etwas andere Geschichte zu erzählen.

Das e-sling-Team
Das e-sling-Team: Rafael Sutter, Jan Wallimann, Joël Meyer, Colin Jüni, Sander Metting van Rijn, Robin Feuz, Maurice Kaulich, Mischa Buob, Anna Thumann, Elsa Wrenger, Patrick Benito, Nicholas Behr, Mario Camenzind, Emanuel Pytlik, Timo Kleger, Roland Stärk, Benedict Hildisch, Colin Merk, David Filiberti, Fabio De Carli.

Anders als die meisten Flugzeuge in der Schweiz wird dieses nicht mit fossilen Brennstoffen, sondern mit Batterien angetrieben. Das ist zwar bemerkenswert, doch es gibt bereits viele umweltfreundliche Flugzeuge, die, wie die e-Sling, emissionsfreies Fliegen ermöglichen. Wirklich aussergewöhnlich ist, dass diese e-Sling nicht etwa von einem etablierten Flugzeughersteller gebaut wurde, sondern von Studierenden der ETH Zürich, welche sich noch mitten in ihrer Ausbildung zum Bachelor befinden.

Bis spät in die Nacht 

Seit mittlerweile zwei Jahren gehen sie täglich in diesem Hangar ein und aus, an bis zu sechs Tagen die Woche. In der gut ausgerüsteten Werkstatt wird gelötet, gehämmert, genietet und gerechnet. Dass die Studierenden hier viel Zeit verbringen, wird beim genaueren Beobachten der Werkstatt schnell klar: In der Galerie stehen zwei Sofas, zwei Kühlschränke, Mikrowelle, Geschirrspüler und eine grosse Kaffeemaschine. Diese Ausstattung ist essenziell, denn um die hochgesteckten Projektziele erreichen zu können, wird hier nicht selten bis spät in die Nacht gearbeitet. Doch für die Studierenden lohnt es sich, viel Zeit zu investieren. Zum ersten Mal im Studium können sie das Gelernte im grossen Stil in die Praxis umsetzen. Sie können stark von der engen Zusammenarbeit mit der Industrie profitieren und erste Kontakte knüpfen. Und in regelmässigen Reviews während des Projekts bekommen sie wertvolle Inputs vom betreuenden Professor, von ehemaligen Fokusstudierenden und auch von Fachkräften aus der Industrie.

Start ins Abenteuer 

Die ambitionierten Ziele des Projekts wurden vor über drei Jahren gesetzt. Im Rahmen von zwei Bachelorarbeiten an der ETH Zürich wurde eine Machbarkeitsstudie zum Bau eines vollelektrischen Flugzeugs erarbeitet. Zeitgleich träumte Carlo Schmid, als jüngster Pilot im Alleinflug ehemaliger Weltrekordhalter für die Weltumrundung, von einem batteriebetriebenen Kleinflieger in der Schweiz.
Als sich Carlo mit seiner Idee an die ETH wandte, war das Projekt schnell initiiert: Maschinenbau- und Elektrotechnikstudierende der ETH Zürich sollen das Flugzeugkonzept aus der Machbarkeitsstudie in die Realität überführen. Das Ziel: die Entwicklung eines vierplätzigen, batteriebetriebenen Flugzeugs.

Anders als die meisten Flugzeuge in der Schweiz wird dieses nicht mit fossilen Brennstoffen, sondern mit Batterien angetrieben. Das ist zwar bemerkenswert, doch es gibt bereits viele umweltfreundliche Flugzeuge, die, wie die e-Sling, emissionsfreies Fliegen ermöglichen. Wirklich aussergewöhnlich ist, dass diese e-Sling nicht etwa von einem etablierten Flugzeughersteller gebaut wurde, sondern von Studierenden der ETH Zürich, welche sich noch mitten in ihrer Ausbildung zum Bachelor befinden.

Bis spät in die Nacht 

Seit mittlerweile zwei Jahren gehen sie täglich in diesem Hangar ein und aus, an bis zu sechs Tagen die Woche. In der gut ausgerüsteten Werkstatt wird gelötet, gehämmert, genietet und gerechnet. Dass die Studierenden hier viel Zeit verbringen, wird beim genaueren Beobachten der Werkstatt schnell klar: In der Galerie stehen zwei Sofas, zwei Kühlschränke, Mikrowelle, Geschirrspüler und eine grosse Kaffeemaschine. Diese Ausstattung ist essenziell, denn um die hochgesteckten Projektziele erreichen zu können, wird hier nicht selten bis spät in die Nacht gearbeitet. Doch für die Studierenden lohnt es sich, viel Zeit zu investieren. Zum ersten Mal im Studium können sie das Gelernte im grossen Stil in die Praxis umsetzen. Sie können stark von der engen Zusammenarbeit mit der Industrie profitieren und erste Kontakte knüpfen. Und in regelmässigen Reviews während des Projekts bekommen sie wertvolle Inputs vom betreuenden Professor, von ehemaligen Fokusstudierenden und auch von Fachkräften aus der Industrie.

Start ins Abenteuer 

Die ambitionierten Ziele des Projekts wurden vor über drei Jahren gesetzt. Im Rahmen von zwei Bachelorarbeiten an der ETH Zürich wurde eine Machbarkeitsstudie zum Bau eines vollelektrischen Flugzeugs erarbeitet. Zeitgleich träumte Carlo Schmid, als jüngster Pilot im Alleinflug ehemaliger Weltrekordhalter für die Weltumrundung, von einem batteriebetriebenen Kleinflieger in der Schweiz.
Als sich Carlo mit seiner Idee an die ETH wandte, war das Projekt schnell initiiert: Maschinenbau- und Elektrotechnikstudierende der ETH Zürich sollen das Flugzeugkonzept aus der Machbarkeitsstudie in die Realität überführen. Das Ziel: die Entwicklung eines vierplätzigen, batteriebetriebenen Flugzeugs.

Die Entwicklung des vollelektrischen Antriebsstrangs

Ausgangslage für die e-Sling war eine Sling TSi des südafrikanischen Flugzeugherstellers Sling Aircraft. Dieses Flugzeug wird jeweils kit-basiert geliefert und muss anschliessend selbst zusammengebaut werden. Im Fall des Projekts e-Sling verzichtete man aber auf den gesamten herkömmlichen Antriebsstrang, welcher normalerweise aus Tanks für fossile Brennstoffe und einem Verbrennungsmotor besteht, und übernahm lediglich die Flugzeugstruktur, welche einige spezifische Anpassungen erhielt. Die Entwicklung des gesamten elektrischen Antriebsstrangs lag also in den Händen der Fokusstudierenden. So wurden während des ersten Fokusprojekts im Jahr 2020/21 alle Komponenten, welche für den Antriebsstrang relevant sind, entwickelt. Dazu gehören die zwei Flügelbatterien inklusive Kühlsystem, eine Hochvolt-Verteileinheit, ein Inverter sowie Elektromotor und Propeller. Auch die ganze Flugzeugstruktur auf Basis der gelieferten Einzelteile sowie das Niedervoltsystem inklusive Kabelbaum wurden von den Studierenden gebaut. Die gesamte Software bis hin zur Mensch-Maschine-Schnittstelle im Cockpit lag ebenfalls im Aufgabenbereich der Studierenden.

Die Entwicklung des vollelektrischen Antriebsstrangs

Ausgangslage für die e-Sling war eine Sling TSi des südafrikanischen Flugzeugherstellers Sling Aircraft. Dieses Flugzeug wird jeweils kit-basiert geliefert und muss anschliessend selbst zusammengebaut werden. Im Fall des Projekts e-Sling verzichtete man aber auf den gesamten herkömmlichen Antriebsstrang, welcher normalerweise aus Tanks für fossile Brennstoffe und einem Verbrennungsmotor besteht, und übernahm lediglich die Flugzeugstruktur, welche einige spezifische Anpassungen erhielt. Die Entwicklung des gesamten elektrischen Antriebsstrangs lag also in den Händen der Fokusstudierenden. So wurden während des ersten Fokusprojekts im Jahr 2020/21 alle Komponenten, welche für den Antriebsstrang relevant sind, entwickelt. Dazu gehören die zwei Flügelbatterien inklusive Kühlsystem, eine Hochvolt-Verteileinheit, ein Inverter sowie Elektromotor und Propeller. Auch die ganze Flugzeugstruktur auf Basis der gelieferten Einzelteile sowie das Niedervoltsystem inklusive Kabelbaum wurden von den Studierenden gebaut. Die gesamte Software bis hin zur Mensch-Maschine-Schnittstelle im Cockpit lag ebenfalls im Aufgabenbereich der Studierenden.
Der e-sling rollt auf die Piste

Testkampagne & Zulassung

Ein zweites Fokusprojekt-Team übernahm die e-Sling im Herbst 2021. Das Flugzeug war nahezu fertiggebaut, doch all die verschiedenen Systeme funktionierten noch nicht im Verbund. So war es die Aufgabe des frischen Teams, das Flugzeug zum Abheben zu bringen. Zunächst wurde der gesamte Antriebsstrang, losgelöst vom restlichen Flugzeug, in den beiden Containern vor dem Hangartor auf Herz und Nieren geprüft. Als der komplette Antriebsstrang zuverlässig funktionierte, widmete sich das gesamte Team dem Einbau des Systems in die fertig gebaute Flugzeugstruktur. Es folgten Gesamtsystemtests des Flugzeugs am Boden, welche nun auch vorerst abgeschlossen werden konnten. Das Flugzeug wird nun vom EAS und dem BAZL in Zusammenarbeit mit den Studierenden in der Kategorie «homebuilt» zugelassen. Nach über zwei Jahren intensiver Arbeit war das gesamte Team stolz darauf, dass die e-Sling endlich flugfertig war.

Testkampagne & Zulassung

Ein zweites Fokusprojekt-Team übernahm die e-Sling im Herbst 2021. Das Flugzeug war nahezu fertiggebaut, doch all die verschiedenen Systeme funktionierten noch nicht im Verbund. So war es die Aufgabe des frischen Teams, das Flugzeug zum Abheben zu bringen. Zunächst wurde der gesamte Antriebsstrang, losgelöst vom restlichen Flugzeug, in den beiden Containern vor dem Hangartor auf Herz und Nieren geprüft. Als der komplette Antriebsstrang zuverlässig funktionierte, widmete sich das gesamte Team dem Einbau des Systems in die fertig gebaute Flugzeugstruktur. Es folgten Gesamtsystemtests des Flugzeugs am Boden, welche nun auch vorerst abgeschlossen werden konnten. Das Flugzeug wird nun vom EAS und dem BAZL in Zusammenarbeit mit den Studierenden in der Kategorie «homebuilt» zugelassen. Nach über zwei Jahren intensiver Arbeit war das gesamte Team stolz darauf, dass die e-Sling endlich flugfertig war.
Mithilfe eines 9-Zoll-Touchscreen-Displays werden sämtliche relevanten Systeminformationen an den Piloten weitergegeben.
Mit einer gespeicherten Energie von 44 kWh und einer Betriebsspannung von maximal 718 Volt erlauben sie eine Reichweite von rund 150 km.
Der 104 kW permanenterregte Synchronmotor mit radialem Fluss wird während des ganzen Fluges luftgekühlt und sorgt für den nötigen Antrieb. Drehmomentdichte: 22.5 Nm/kg - doppelt so gross wie beim herkömmlichen Verbrennungsmotor.
Zum E-Sling

Der grosse Event

Das junge und frische Studentenleben machte natürlich vor den Hangartoren keinen Halt. So waren während den beiden Projektjahren immer wieder Teamevents und kleine Feiern angesagt und das e-Sling-Team wuchs zu einer grossen Familie zusammen. Nachdem nun das Flugzeug fertig gebaut wurde und kurz vor dem Erstflug steht, möchte das ganze Team den Anlass natürlich auch gebührend feiern. So findet am 1. Oktober der grosse Erstflug-Event auf dem Areal des Innovationsparks statt. E-Sling freut es ganz besonders, EKZ nicht nur als Hauptsponsor, sondern auch als Eventsponsor der grossen Feier an seiner Seite zu haben. Das ganze Team kann es kaum erwarten, die e-Sling endlich durch die Wolken fliegen zu sehen!

Der grosse Event

Das junge und frische Studentenleben machte natürlich vor den Hangartoren keinen Halt. So waren während den beiden Projektjahren immer wieder Teamevents und kleine Feiern angesagt und das e-Sling-Team wuchs zu einer grossen Familie zusammen. Nachdem nun das Flugzeug fertig gebaut wurde und kurz vor dem Erstflug steht, möchte das ganze Team den Anlass natürlich auch gebührend feiern. So findet am 1. Oktober der grosse Erstflug-Event auf dem Areal des Innovationsparks statt. E-Sling freut es ganz besonders, EKZ nicht nur als Hauptsponsor, sondern auch als Eventsponsor der grossen Feier an seiner Seite zu haben. Das ganze Team kann es kaum erwarten, die e-Sling endlich durch die Wolken fliegen zu sehen!

Das Projekt geht in die nächste Runde

Um die Reichweite der e-Sling in Zukunft verbessern zu können, haben die Studierenden im letzten Jahr parallel zur Fertigstellung des Flugzeugs bereits erste Erfahrungen mit der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie gesammelt. Der Einsatz von Wasserstoff scheint vielversprechend zu sein, denn dieser besitzt eine deutlich höhere Energiedichte als die verbauten Batterien. So wurde im letzten Jahr ein Prototyp eines Brennstoffzellensystems entwickelt. Dieses System bildet nun die Grundlage für die nächste Generation der Fokusprojekt-Studierenden, welche pünktlich zum Semesterstart Mitte September das Projekt übernehmen werden. Ihr Ziel wird es dann sein, das aufgebaute Knowhow vom batteriebetriebenen Flugzeug und vom wasserstoffbasierten Projekt zu kombinieren und einen Antriebsstrang für ein Batterie-Wasserstoff-Flugzeug zu entwickeln, sodass in absehbarer Zukunft emissionsfreies Fliegen auch mit erhöhter Reichweite möglich sein wird.

Das Projekt geht in die nächste Runde

Um die Reichweite der e-Sling in Zukunft verbessern zu können, haben die Studierenden im letzten Jahr parallel zur Fertigstellung des Flugzeugs bereits erste Erfahrungen mit der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie gesammelt. Der Einsatz von Wasserstoff scheint vielversprechend zu sein, denn dieser besitzt eine deutlich höhere Energiedichte als die verbauten Batterien. So wurde im letzten Jahr ein Prototyp eines Brennstoffzellensystems entwickelt. Dieses System bildet nun die Grundlage für die nächste Generation der Fokusprojekt-Studierenden, welche pünktlich zum Semesterstart Mitte September das Projekt übernehmen werden. Ihr Ziel wird es dann sein, das aufgebaute Knowhow vom batteriebetriebenen Flugzeug und vom wasserstoffbasierten Projekt zu kombinieren und einen Antriebsstrang für ein Batterie-Wasserstoff-Flugzeug zu entwickeln, sodass in absehbarer Zukunft emissionsfreies Fliegen auch mit erhöhter Reichweite möglich sein wird.
Eigendesign im Rahmen einer Bachelorarbeit: mit den Winglets hat das Flugzeug eine Spannweite von rund 10.4 m.