MATISSE: Forschungsprojekt zu Feststoffbatterien für E-Flugzeuge
Konkret ist beim AIT die Rede von einer „aeronautischen Anwendung“. Bei größeren Verkehrsflugzeugen ist eine direkte Elektrifizierung des Antriebs derzeit eher unwahrscheinlich, hier dürften E-Fuels (oder in der Luftfahrt Sustainable Air Fuels, kurz SAF genannt) am ehesten zur Dekarbonisierung beitragen. Bei kleineren Flugzeugen werden aber bereits heute zum Teil elektrische Propellerantriebe angeboten.
Die zentrale Herausforderung, um den E-Flugzeugen zu mehr Marktanteilen zu verhelfen, sind aber weniger die Elektromotoren als die Energiespeicher. Um den Ansprüchen der Luftfahrt zu entsprechen, benötigen die Batterien eine hohe Energiedichte und müssen zugleich sehr sicher sein. Daher bieten sich die Solid-State-Batterien aus Aktivmaterialien mit hoher Energiedichte und festem, nicht entflammbaren Elektrolyt für diesen Einsatz an – wenn sie denn in einigen Jahren auf den Markt kommen.
Um den Einbau der Batterien in Flugzeuge (egal ob rein elektrisch oder als Hybrid) zu optimieren, verfolgt das MATISSE-Konsortium einen besonderen Ansatz: Die Solid-State-Batterien sollen als tragendes Bauteil ausgelegt und so in die Struktur des Flugzeugrumpfes integriert werden. Bisher sind die Batterien keine strukturelle Komponente der Flugzeug-Konstruktion, sondern werden in den tragenden Rahmen eingebaut.
Batterie wird in Flugzeugstruktur integriert
Dem MATISSE-Konsortium schwebt die Entwicklung von multifunktionalen, strukturellen Bauteilen mit integrierter Semi-Solid-State-Batterie vor. Um die Batteriezellen in die Flugzeugstruktur zu integrieren, willen die Forscher etwa feste Laminat- und Sandwich-Strukturen auf ihre Tauglichkeit hin untersuchen. Außerdem sollen Sensoren direkt in die Batterie und die Struktur verbaut werden, um die Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu messen.
Bei den Zellen selbst wollen die Forscher mit NMC811-Kathoden, Si/C-Anoden und „Solid-State-Batterien aus Aktivmaterialien mit hoher Energiedichte und festem, nicht entflammbaren Elektrolyt“ arbeiten. So soll sich einer Energiedichte von 170-270 Wh/kg auf Zellebene ergeben. Werden solche Zellen in feste Kohlefaserkompositlamite integriert, sollen pro Kilogramm mehr als 500 Wh zusätzlich gespeichert werden können. Laut dem AIT entspricht das „mehr als einer Verdoppelung der spezifischen Energie heutiger Module mit monofunktionalen Batterien“.
Dabei soll es nicht bei theoretischer Forschung bleiben. Im Rahmen vom MATISSE soll ein Demonstrator entwickelt werden, der auf der Flügelspitze einer Pipistrel Velis Electro installiert wird – einen Flugbericht zu diesem Flugzeug können Sie hier nachlesen. Anmerkung der Redaktion: Das Artikelbild zeigt nicht eine Pipistrel Velis Electro, sondern das Pipistrel PVRK-1 Miniliner Concept mit solchen Modulen an den Flügelspitzen.
Das Modul soll 40 Batteriezellen mit 72 Volt Gleichspannung umfassen. Bis zum Projektende 2025 sollen umfangreiche Tests durchgeführt werden. So sollen die Ergebnisse des Projekts auch Aspekte im Zusammenhang mit der Flugzertifizierung, der Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus und dem virtuellen Scale-up umfassen, um den Weg für eine Industrialisierung solcher Batterien zu ebnen.
Neben dem AIT als Koordinator und Pipistrel als Hersteller des E-Flugzeugs sind das CIRA (Italian Aerospace Research Centre), Sensichips, Lead Tech, Israel Aerospache Industries und aus Deutschland das KIT beteiligt.
„Der Weg zu einer klimaneutralen Luftfahrt beginnt erst“, sagt Helmut Kühnelt, Forscher am AIT und MATISSE-Koordinator. „Wie auch schon beim Vorgängerprojekt SOLIFLY wollen wir auch mit MATISSE die europäische Luftfahrtindustrie im Sinne des Green Deals mit zukunftsweisenden Batterietechnologien dabei unterstützen, hybridelektrische Kurz- und Mittelstreckenflugzeuge auf den Weg zu bringen und somit wesentlich zur Erreichung der Pariser Klimaziele beizutragen.“
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