Elektromodellflieger – waren das Pioniere?

Anfangs, das war so in den 60er-Jahren des letzten Jahrhunderts, waren es in der allgemeinen Wahrnehmung einfach nur Spinner, die versuchten, mit überschweren Batterien und schwachen, stets an der Abrauchgrenze operierenden Elektromotoren kleine Fliegerchen in die Luft zu bekommen. Sicher war ihnen eigentlich nur eines: die bemitleidenden Blicke der Flugkameraden oder deren ätzender Spott, wenn es wieder mal nicht geklappt hatte.

Eine Art technisch beseelter Masochismus war wohl Voraussetzung für das Dranbleiben und Weitermachen. Dass die Idee in der Modellszene überlebt hat und letztlich doch eine Erfolgsstory wurde, bezweifelt heute keiner mehr. Auf manchen unserer Plätze zählen die Verbrennungsmotoren bereits zu den Exoten, wenn dies auch – zugegebenermassen – zuweilen der Regulations- und Verbotswut unserer Behörden anstelle von technischen Überzeugungen unter den Modellflugkameraden zuzuschreiben ist. Unbestritten bleibt: Elektroantriebe haben sich dank Brushlessmotor und LiPo-Akku in allen Modellsportarten fest etabliert und lassen bei einigermassen sachgerechter Herangehensweise kaum noch Leistungswünsche offen.

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts kursieren, beginnend in China, dann aber auch in den USA und Europa, ernsthaft werdende Überlegungen zur Elektrifizierung des Fahrzeugverkehrs. Technisch war wohl die einsetzende Serienreife und Massenproduktion eines neuen Batterietyps auslösend, des erstmals 1991 von Sony (Japan) in einer Videokamera auf den Markt gebrachten Lithium-Ionen-Akkus der Zellen-grösse 18650 (18 mm Ø, 65 mm lang). Erstaunlicher Weise hat sich an der Zelle bis heute, nun bald drei Jahrzehnte später, die äusserlichen Abmessungen betreffend, nichts verändert. Auch der innere Aufbau ist prinzipiell immer noch derselbe. Etwa ein Jahrzehnt brauchte es, bis sie hochstromtauglich wurde (der Modellflieger kennt sie unter dem Namen Konion). Auch die Kapazität ist im Zuge der Reifung gewachsen. Nicht um Welten übrigens, so doch von ursprünglich 1200 mAh auf das heute Dreifache. Entwicklung auf diesem Sektor braucht einfach Zeit.

2015 bekam die Diskussion um das Elektroauto einen völlig neuen Drive. Er speist sich weniger aus neuen technischen Innovationen als dem bekannten VW-Dieselskandal. Und seit 2018 kann sich kein zukunftsbewusster Mensch mehr an der modernen Gret(a)chenfrage mehr vorbeidrücken: Wie hältst du's mit dem Klima?

Dennoch stösst die neue, (lokal) emissionsfreie Antriebs-technik auf jede Menge Skepsis. Und das nicht nur in Kreisen benzinwütiger Auspuffsound-Fanatiker, nicht nur bei den einschlägig Beschäftigten im Autoland D, die wohl nicht ganz zu Unrecht um ihre Jobs bangen, auch nicht nur in Kreisen der über Nacht ärmer gewordenen Anleger von Automobilaktien. Nein, es sind seriöse Wissenschaftler, die mit Zahlen und Fakten hinterlegte Befürchtungen äussern, dass im einstigen Wirtschaftswunderland nun auch die abrupt einsetzende Verkehrswende teuer werden oder ganz «in die Hose» gehen könnte.

Das provoziert die natürlich erst mal naiv anmutende Frage, warum die positiven Erfahrungen im Kleinen (Modell-technik) sich offensichtlich nicht ins Grosse (Rest des mobilen Lebens) übertragen lassen. Und – überspringen wir mal gedanklich die Übergangsphase – ob es weltweit (nur so macht es Sinn!) überhaupt möglich und wünschenswert wäre, einen Grossteil des öffentlichen Verkehrs mit elektrischer Energie zu bestreiten, selbst wenn diese – Wunschenken ist keine Schande – in hinreichenden Mengen verfügbar wäre und grösstenteils regenerativen Quellen entströmt.

Elektromotoren sind wahre Meister der Futterverwertung. Selbst im Modellmassstab verwandel sie bis zu 93% der zugeführten Energie in Drehzahl und Drehmoment. Im Auto, wo alles einige Nummern grösser spriesst, liegt der übliche Wirkungsgrad bei ostblockwahl- ergebnisähnlichen 98% plus. Dennoch müssen die Motoren geköhlt werden, denn selbst bei schlichten 100 Kilowatt (kW) Input müssen bis zu 2 kW, die Leistung eines Heizlüfters, entzogen werden. Ist nicht tragisch, denn rein mit Strom möchte man schliesslich im Winter nicht heizen müssen. So liefert der Antriebsmotor nebenbei die Arbeitsgrundlage für die eingebaute Wärmepumpe der Wagenheizung. Und verglichen mit seinen CO₂-NOx- und feinstaubemittierenden Pendants, die je nach Beschäftigungsgrad 60 bis 90% der zugeführten petrochemischen Energie in heisse Luft verwandeln, steht selbst ein «schlechter» E-Motor immer noch gut da. Die Prozentverhältnisse verbessern sich bei innerstädtischen Schleichfahrten – heute vielerorts eher die Regel als die Ausnahme – nochmals zugunsten der E-Maschine. Und dass der E-Motor beim Verzögern Energie rückgewinnt (Rekuperation) und damit auch seine Bremsen schont, ist wohl hinlänglich bekannt. Da ist es fast schon überflüssig noch dranzusetzen, dass «Beschleunigung» im elektromobilen Zeitalter neu definiert werden konnte. Nein, am Motor kann's nicht liegen,

wenn die E-Mobilität mit prozentualen Zulassungszahlen im unteren einstelligen Bereich nicht aus den Puschen kommt. Entwicklungspotenziale hat der E-Motor indes weiterhin, wenn auch nicht primär bei Effizienz und Leistung, sondern eher auf der Kostenseite.

Man wird sich erinnern: Beim Modellflug kursierte dieser Begriff auch schon mal, als es galt, die alte Kurzwellenfernsteuertechnik (27, 35 oder 40 MHz) durch die moderne 2,4-GHz-Technik zu ersetzen. Das Ergebnis ist bekannt; die damals grassierende Angst heute gänzlich unverständlich. Ob dies auch beim E-Mobil in absehbarer Zeit der Fall sein wird, muss sich noch zeigen. Klar, ein E-Mobil, das die A7 von Kempten bis Flensburg tankstoppfrei durchfährt, ist nicht in Sicht, es sei denn, man füllte – ähnlich den Tiptanks beim Flugzeug – noch zwei Dachboxen mit Akkus. Auch hier ist die Begründung längst geistiges Allgemeingut: Lithium-Ionen-Akkus der eingangs erwähnten Grösse 18650, die sich zu Tausenden im Wagenboden eines Elektroautos versammeln, bringen es heute auf eine Energiedichte von etwa 200 Wattstunden je Kilo (Wh/kg) Batteriegewicht. Das ist nominal mehr als das unserer LiPos, die sich gewöhnlich mit etwa 150 Wh/kg begnügen, aber nahezu nackt im luftigen Klettband-Body werkeln dürfen, während die Traktionsbatterie im Auto eines umgebenden Mantels inklusive Kühlflüssigkeit und schützender Elektronik bedarf. Das nimmt sich im Ergebnis nicht viel. LiPos sind zudem auf hohe Belastbarkeit hin gezüchtet

und bezahlen diese Stärke mit einer Lebensdauer von nur 50 bis 200 Ladezyklen – für kommerzielle Anwendungen undisputabel. Und während Otto Normalmodellflieger nach acht bis zehn Minuten forcierter Kunstflugmanöver das Heimweh nach der Landebahn übermannt, hat der E-Auto-Fahrer dann gerade erst die Autobahnauffahrt erreicht. Die begrenzte Betriebszeit ist damit beim Hobby wohl der Schlüssel zum Geheimnis des Erfolgs und der anderen Problem. Da tröstet es auch nur wenig, wenn man weiss, dass die durchschnittliche Fahrstrecke eines Autos heute bei nur 40 Kilometern liegt.

Fossile Brennstoffe wie Diesel oder Benzin können es mit 12000 bis 13000 Wh/kg einfach besser. Ist eine andere Liga, und auch damit nicht entwertet, dass die entsprechenden Motoren nur einen kleinen Bruchteil davon effizient nutzen können. Wer jetzt in Energiedichtetabellen stöbert, stösst rasch auf den Tabellenführer Wasserstoff ( $H^2$ ) mit 33000 Wh/kg und wird sich daran erinnern, mal was vom Brennstoffzellenauto als reichweitenangstfreier Alternative gehört zu haben. Nun, leider trägt auch der Wasserstoff, der zwar umweltgerecht zu Was-

serdampf verbrennt, zwei der Elektrizität nicht unähnliche Probleme mit im Rucksack: In direkt verwertbarer Form kommt er nirgends in der Natur vor, muss verlustbehaftet erzeugt werden. Denn selbst wenn man Strom (aus regenerativen Quellen) zu seiner Herstellung aufwendet, werden nur etwa 50% davon in Wasserstoffgas verwandelt. Die spätere Rückführung vom Wasserstoffgas in Strom via Brennstoffzelle läuft nicht besser. Wiederum geht die Hälfte der zugeführten Energie in Wärme über, sodass am Prozessende ein Gesamtwirkungsgrad von

25% verbleibt. Und selbst wenn neuere Experimente hier einige Prozent Besserung versprechen: Der Turbodiesel kann's heute schon besser!

Das zweite Problem betrifft Transport und Lagerung. Die winzig kleinen Wasserstoffatome sind nämlich in der Lage, die Wandungen üblicher Metallgasflaschen zu durchdringen. Sie werden daher heute für mobile Einsätze unter hohem Druck (bis zu 700 bar) in mehrlagigen Spezialbehältern eingesperrt, deren abdichtende Kunststoffschicht etwa 10% des Behältergewichts ausmacht. Die restlichen 90% gehen auf

das Konto der druckstabilen Ummantelung aus epoxidharzgebundenen Glas- und Karbonfasern. Dieser Compound senkt zwar das Verpackungsgewicht, ist aber weder umweltfreundlich zu produzieren noch ist bis dato die Entsorgungsfrage auch nur im Ansatz gelöst (was übrigens auch für die aus ähnlichem Material gebauten Rotorflügel der Windräder gilt). Da Wasserstoffpipelines aus oben genannten Gründen aufwändig sind und nur in Ausnahmefällen als realisierbar gelten, muss das Gas somit verlustbehaftet komprimiert und in Druckbehältern zur Abgabestelle gekarrt werden. Der andere Weg, das Gas zu verflüssigen und dann in doppelwandigen Tankwagen zum Abnehmer zu transportieren, nutzt zwar die Transportkapazitäten besser, bedingt aber wegen der Kühlung einen dreifach höheren Primärenergieaufwand. Idealer wären $H_2$ -Tankstellen, bei denen das Gas an Ort und Stelle erzeugt würde. Das setzt aber einen lokal vorhandenen Überschuss an Primärenergie (Wind- und/oder Solarstrom) voraus. Eine solche Versorgungslogistik existiert bis dato nicht. Das Speichern an den Tankstellen erfolgt bei Mitteldruck (50 bar) und erfordert daher vergleichsweise grosse Tankvolumina, meist in Form von Turmbehältern. Daher ist auch der Tankvorgang bei Wasserstoff nochmals verlustbehaftet (hochverdichten und abkühlen). Im Gegensatz zu Strom ist Wasserstoff zwar besser speicherbar, benötigt aber selbst bei Hochdruckspeicherung deutlich mehr Speichervolumen als Erdgas, Benzin oder Diesel, was mobile Anwendungen einschränkt. Und wer die dem Wasserstoff innewohnenden Gefahrenpotenziale nicht ganz ignorieren möchte, darf gern mal in der Geschichte der Luftschiffe blättern.

Die vorstehenden Aussagen sollten indes nicht das Aus der Wasserstofftechnologie beschwören, aber doch klar ma-

chen, dass es bis dorthin noch ein weiter Weg sein wird. Deshalb konzentriert sich der Aufsatz nun wieder auf die Batterietechnologie, die, wie verschiedene Lösungen zeigen, ja prinzipiell funktioniert und auf gutem Weg ist, die Achillesferse der geringen Reichweite wenigstens teilweise zu bedecken.

Wer solche Überschriften liest, sollte einfach weiterblättern. Die eingangs genannte Li-Ionen-Zelle von Sony und alles, was ihr aus Südkorea und China nachfolgte, brauchten beinahe zwei Jahrzehnte, um

«strassentauglich» und einiger-massen schnelladefähig zu werden. Fortschritte bezüglich Innenwiderstand, Kapazität und Energiedichte schleppten sich in Trippelschritten über Dekaden hin. Die Hoffnungen auf «Quick Wins» in der Batterietechnologie ist, so sie je bestanden hat, in heutiger Zeit Illusion. Ob man nun wieder von Natriumbatterien faselt (alter Hut, aber nicht mobilitäts-affin) oder gar das kreuzbrave Magnesiummetall zum Hoffnungsträger erhebt, ist egal. Es wird, selbst wenn es im Versuchsstadium klappt, noch Jahrzehnte bis zur Marktreife neuer, besserer oder versorgungssicherer Akkus dauern.

Bleibt uns der bewährte Lithium-Ionen-Akku, der die elektromobile Zukunft einleiten und sie noch Jahre begleiten wird. Leider wächst er nicht auf den Bäumen. Die Rohstoffe, aus denen er besteht, kommen aus zahlreichen über den gesamten Globus verteilten Fundstätten und sind inzwischen Gegenstand geostrategischer Wirtschaftsinteressen. Das Gelingen der elektrischen Verkehrswende wird somit mehr noch als von weiteren technischen Fortschritten von der ungehinderten Verfügbarkeit (und Bezahlbarkeit) folgender Grundstoffe abhängen: Lithium, Kobalt, Nickel für die Akkus, dazu Seltene-Erden-

Metalle sowie grosse Mengen Kupfer für die Motoren und die Anbindung der Ladesäulen, schliesslich Platin, wenn die Brennstoffzelle dann doch zum Zug kommen sollte. Leider erfreuen sich alle genannten Stoffe auch in anderen Industrie-bereichen grosser Nachfrage. So geht ein Drittel aller Lithiumförderung an die Glas- und Keramikindustrie. Das bekannt knappe Kobalt ist für die Metallveredelung (Werkzeugbau) unverzichtbar. Die Kobaltförderung konzentriert sich auf die Demokratische Republik Kongo und ist nicht frei von ethischen Bedenken, weil die Arbeitsbedingungen dort wohl kaum den Vorstellungen mitt-europäischer Gewerkschaften entsprechen dürften. Übrigens: Fast kein Akku (auch NiMH) kommt heute ganz ohne Kobalt aus. Taurig, dass die sich als endlich abzeichnende Ressource seit Jahren in allen möglichen Bling-Bling-Verwendungen, wie etwa billige Solar-gartenleuchten, verplempert wird. Versuche, das bewährte Übergangsmetall durch Mangan oder Nickel zu substituieren, laufen, wobei Nickel zunehmend an Bedeutung gewinnt. Auch Nickel zählt als wichtiger Legierungsbestandteil (Edelstahl) zu den vielgefragten Metallen.

Seltene Erden – unverzichtbar für die Magnetherstellung – sind, ganz entgegen ihrer Bezeichnung, in der Erdkruste nicht wirklich selten. Dass sie heute dennoch zu 85% aus dem Reich der Mitte kommen, hängt mit der cleveren Wirtschaftspolitik der Chinesen in den 90er-Jahren zusammen: Erst wurde der Markt mit Billig-angeboten überschwemmt, sodass andere Vorkommen bald als unwirtschaftlich aufgegeben wurden. Seit etwa 10 Jahren ist ein kontinuierlicher Preisanstieg zu beobachten. Tesla verzichtet daher beim S-Modell auf Dauermagnete und arbeitet stattdessen mit asynchron laufenden magnetfreien Rotoren. Solche E-Motoren sind zwar etwas grösser

und schwerer, doch anscheinend bewegt man sich damit auf der sicheren Seite.

Platin und Platinmetalle wie etwa Palladium oder Rhodium kommen ebenfalls zu 85% aus China. Krasse 35% davon dienen dem Erhalt innerfamiliärer Harmonie und werden von der Schmuckindustrie abgegriffen. Der Grossteil verschwand bisher in den Abgaskatalysatoren und könnte so bei einer Verkehrswende in die Brennstoffzellen fliessen.

Bei Kupfer, dessen Bedeutung in der Elektrizität wohl nicht weiter erklärt zu werden braucht, hat die preisliche Aufwärtsentwicklung der letzten Jahre auch mal einen positiven Trend befördert: Die Recyc-

lingquote stieg sehr drastisch an. Vielleicht ist das die Chance der Europäer, in Technologien zu investieren, die auch schwerer zu trennende Grundstoffe alter Batterien wiedergewinnen, um einerseits die Importabhängigkeit zu mindern, aber auch mal auf einem Gebiet zu reüssieren, auf dem der ostasiatische Vorsprung noch nicht jede Hoffnung raubt. Und die Umwelt wird es danken.

Bliebe noch die Sorge um das viel diskutierte Lithium, das bekanntlich aus Salzseen im Hochland der Anden gewonnen wird. Diese Abbauart ist sehr wirtschaftlich, weil das Lithiumsalz mittels Sonnenenergie durch stufenweise Dehydrierung und mit hohem Rein-

heitsgrad gewonnen werden kann. Die damit einhergehende Umwelteinwirkungen der lokal höheren Wasserverdunstung und damit absinkender Grundwasserspiegel ist neuerdings Gegenstand zunehmender Kritik. Kaum bekannt ist, dass in Australien 2015 fast genau so viel Lithium abgebaut wurde wie in Argentinien und Chile zusammen, allerdings in Form des Minerals Spodumen, das einen deutlich höheren Aufbereitungsaufwand erfordert. Ähnliche Vorkommen finden sich in Kanada. Und noch eine gute Nachricht: China rangiert endlich mal mit nur 6% der Weltabbaumenge unter «ferner liefen». Deutsche Auto-

konzerne geben derzeit viel Geld dafür her, sich den Lithiumnachschub für eine künftige westliche Batterieproduktion zu sichern. Allerdings kämpft man dabei allerorts mit dem bekannten Hase-Igel-Problem: Der andere ist immer schon da.

Nein, das mit dem Pionierstatus der E-Modellflieger kommt wohl nicht ganz hin, trotz des nicht zu leugnenden Verdiensts, einer zukunftsweisenden Technik durch private Forschungsanstrengungen mit zum Durchbruch verholfen zu haben. Die weltweite Herausforderung einer künftigen elektrischen Verkehrswende wird wohl mehr in der Energie- und Rohstofflogistik liegen. Es sind damit zwar technische, noch mehr aber weltwirtschaftpolitische Ideen gefragt. Ob eine in sich zersplitterte EU da gegenüber den mit harten Bandagen kämpfenden Wirtschaftsriesen China und USA gute Karten hat, wird vielfach bezweifelt. Dem bisherigen Autoland Deutschland stehen fraglos die grössten Anstrengungen bevor, namentlich, wenn China auf die eigentlich naheliegende Idee kommen sollte, uns zeitnah die Lithium-Ionen-Akkus, die Seltene-Erden-Magnete, nur noch eingebaut in der unteren Hälfte von Autos «made in China» zu liefern.

Sehen wir das Positive. Die allgemeine E-Mobilität wird schrittweise kommen. Sie wird unser Leben nicht grundstürzend verändern, aber manchenorts dazu führen, dass wieder gefahren werden darf, wo dies bisher eingeschränkt oder sogar verboten war. Hatte die Umstellung auf Elektroantrieb bei den Modellflugplätzen nicht vielerorts ähnliche Erfolge? Na, dann lägen wir mit unserer Idee von Silent Flight doch nicht vollkommen daneben!

Ludwig Retzbach

Quelle: Die Wirtschaftsdaten entstammen der Material-Studie_e-mobilBW