Einführung eVTOL
Multicopter-Abfertigungshalle VOLOPORT in Singapur
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Volocopter GmbH [Media Hub])
Management Summary
Auch in der Flugzeug-Industrie findet eine Elektrorevolution statt. Rasante Fortschritte bei Energiedichte und Produktionskosten von Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen eine neue Kategorie von Elektrofluggeräten, die senkrecht starten und landen kann.
Diese sogenannten eVTOL-Flugzeuge (electrical Vertical Takeoff and Landing) benötigen keine aufwendige Infrastruktur und sind damit Enabler für ein neues Marktsegment in der Luftfahrt, das von der NASA als Urban Air Mobility (UAM) bezeichnet wird [1]:
- Marketsandmarkets (Marktforschung)
prognostiziert im UAM-Segment für 2030 einen Umsatz von ~9 Milliarden $ [2]. - Morgen Stanley (Investmanbank) sieht
2040 einen Umsatz von ~1 Billionen $ [2].
Die Vielzahl der Konstruktionen erinnert an die kambrische Explosion, einem Erdzeitalter mit einer besonders hohen Artenvielfalt. Es gibt Senkrechtstarter mit wenigen großen und mit vielen kleinen Propellern, Modelle mit gekapselten Propellern, Modelle mit Klapp- ,Vertikal- oder Horizontalpropellern, etc.
- eVTOL ohne Tragflächen haben typischerweise eine Kapazität von 1-2 Personen und werden als Multicopter bezeichnet.
- eVTOL mit Tragflächen sind für 1-6 Personen ausgelegt und damit in der Regel größer als Multicopter.
Beide Konstruktionsarten haben Vor- und Nachteile. Multicopter haben eine nahezu uneingeschränkte Manövrierfähigkeit und können auch rückwärts oder seitwärts mit hoher Geschwindigkeit fliegen. Senkrechtstarter mit Tragflächen können nur Vorwärts schnell fliegen, haben dafür aber eine wesentlich höhere Reichweite.
Auch bei den Geschäftsmodellen lassen sich 2 Klassen identifizieren:
- Die meisten Neugründungen konzentrieren sich auf die kommerzielle Luftfahrt, d.h. sie produzieren eVTOL-Flugzeuge, die sie an Fluggesellschaften wie United Airlines oder Lufthansa verkaufen wollen (B2B). Manche Start-ups wie z.B. die deutsche Firma Volocopter planen zusätzlich zum Verkauf den Aufbau eines eigenen Flugdienstes (B2C).
- Die übrigen Start-ups fokussieren sich auf den privaten Luftfahrt, d.h. sie wollen Ihre Senkrechtstarter an Privatpiloten verkaufen (B2C). Die schwedische Firma Jetson Aero ist hier der Pionier, die Firma verkauft bereits seit 2022 einen einsitzigen Multicopter an Privatpiloten. Lassen Sie sich von diesem Flugvideo faszinieren.
Zwischen Konstruktionsart und Geschäftsmodell gibt es eine gewisse Korrelation: Die größeren Tragflächen-Senkrechtstarter werden überwiegend für die kommerzielle Luftfahrt und die kleineren Multicopter für Privatkunden entwickelt.
Aber auch hier gilt: Ausnahmen bestätigen die Regel.
eVTOL ohne Tragflächen (Multicopter)
Senkrechtstarter ohne Tragflächen werden auch als Multicopter bezeichnet und sind wie vergrößerte Spielzeugdrohnen konstruiert. Senkrecht stehende Propeller sorgen sowohl für Auftrieb („Fluggerät fällt nicht runter“) als auch für Vortrieb („Fluggerät bewegt sich vorwärts“).
Abb. 1 – Erstflug Volocopter-Prototyp in 2011
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Volocopter GmbH [Media Hub])
Abb. 2 – Volocity von Volocopter
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Volocopter GmbH [Media Hub])
Bereits 2011 fand der 1. bemannte Multicopter-Flug mit einem Protoypen der deutschen Firma Volocopter statt, unter den Multicopter-Start-ups ist Volocopter damit der Pionier. Das damalige Flugmodell wurde aus Komponenten für Spielzeugdrohnen aufgebaut, was in Abb. 1 deutlich zu erkennen ist.
In vielen Iterationsschritten wurde aus dem Prototypen der heutige, 2-sitzige Multicopter Volocity entwickelt (Abb. 2).
Der Volocity hat bereits eine sehr hohe Anzahl an bemannten Testflügen in verschiedenen Ländern absolviert. Der erste kommerzielle Einsatz ist 2024 bei der Olympiade in Paris geplant.
Sollte es Volocopter gelingen, diesen Termin zu halten, wäre dies wieder eine Pionierleistung und ein Medienereignis mit weltweiter Sichtbarkeit.
Abb. 3 – Ehang-Testflug in Spanien
Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Guangzhou EHang Intelligent Technology Co. Ltd. [Homepage])
Abb. 4 – Jetson ONE von Jetson Aero
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Jetson AB [Homepage])
Auch in Asien und anderen Ländern Europas wurden Multicopter-Start-ups gegründet.
In China entwickelt die Firma Ehang einen flügellosen Senkrechtstarter mit einem dem Velocity vergleichbaren Leistungsdaten. Ehang konnte bereits eine Vielzahl von Testflügen durchführen, unter anderem auch in Spanien (Abb. 3). Ähnlich wie Volocopter adressiert Ehang mit seinem Multicopter den kommerziellen Luftverkehr.
Die schwedische Firma Jetson Aero ist ein Beispiel für ein Start-up, das sich auf den privaten Luftverkehr fokussiert. Jetson ist das erste Start-up, das seinen 1-sitzigen Senkrechtstarter Jetson ONE (Abb. 4) bereist seit 2022 an Privatkunden ausliefert. Schauen sie sich dieses Video an und lassen Sie sich faszinieren.
Viele weitere Multicopter-Start-ups wurden weltweit gegründet, eine vollständige Übersicht finden Sie auf unserer Seite eVTOL-Start-ups für Multicopter.
eVTOL mit Tragflächen
Senkrechtstarter mit Tragflächen erhalten ihren Auftrieb beim Überlandflug durch die Auftriebskräfte an den Flügeln. Für den Start und die Landung benötigen sie aber auch wie die Multicopter vertikale Propeller.
Abb. 5 – Senkrechtstarter Boeing B-22 Osprey
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of The Boeing Company [Gallery])
Abb. 6 – Tragflächen-eVTOL von Joby Aviation
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Joby Aviation. (c) [Media Kit])
Der Pionier unter den Tragflächen-Senkrechtstarter mit Propellerantrieb ist die B-22 Osprey (Abb. 5), diese verfügt über 2 große Rotoren mit über 11 m Durchmesser, die jeweils von einer Turbine angetrieben werden. Für den senkrechten Start stehen die Propeller in einer vertikalen Position, für den Vorwärtsflug werden diese nach vorne geklappt.
Die B-22 Osprey wurde in einem Gemeinschaftsprojekt von den US-Firmen Bell und Boeing entwickelt und vereinigt die Senkrechtstart-Eigenschaften eines Hubschraubers mit einer großen Reichweite eines konventionellen Flugzeugs. Allerdings ist die B-22 kein elektrischer Senkrechtstarter, da die beiden Turbinen mit Kerosin angetrieben werden.
Das US-amerikanische Start-up Joby hat das Grundprinzip der Klapp-Propeller von der B-22 übernommen und damit einen elektrischen Tragflächen-Senkrechtstarter mit 6 Propellern entwickelt (Abb. 6).
Mit seinen Protoytpen konnte Joby schon eine Vielzahl an Testflügen absolvieren.
Abb. 7 – Beta-Modell mit 4 Vertikal- und 1 Schub-Propeller
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Beta Technologies Inc.. [Media Kit])
Abb. 8 – Archer-Modell mit 6 Vertikal- und 6 Klapp-Propeller
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy Archer Aviation Inc. [Media Kit])
Da Elektromotoren viel leichter und preiswerter als kerosin-betriebene Turbinen sind, können in einem eVTOL viel mehr Propeller verbaut werden.
Damit lassen sich elektrische Senkrechtstarter auch ohne Klapp-Propeller konstruieren, wie in Abb. 7 zu erkennen ist.
Das Modell von Beta Technologies hat 4 vertikale Propeller für den senkrechten Start und und einen Schub-Propeller im Heck für den Vortrieb. Während des Überlandflugs werden die Vertikalpropeller in einer stromgünstigen Position gefahren und deaktiviert.
Auch eine Kombination von Klapp- und Vertikalpropellern ist möglich, wie in Abb. 8 beim Senkrechtstarter von Archer Aviation zu sehen ist.
Dieses Modell verfügt über 6 Vertikal-Propeller an der hinteren und 6 Klapp-Propeller an der vorderen Flügelkante. Zum senkrechten Start werden alle 12 Propeller genutzt, für den Vorwärtsflug werden die 6 Klapp-Propeller in eine horizontale Position gefahren und die 6 Vertikal-Propeller deaktiviert.
Abb. 9 – Lilium Jet mit 30 elektrischen Düsentriebwerken
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Lilium GmbH [Media Kit])
Abb. 10 – Modell von AIR mit nach vorne geneigten Vertikalpropellern
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of AIR VEV Ltd. [Press Kit])
Mit 30 Propellern hat der Lilium Jet der gleichnamigen deutschen Firma die höchste Propellanzahl. Dieses sind ummantelt, Lilium spricht daher von elektrischen Düsentriebwerken (Abb. 9). Für den Senkrechtstart werden die Düsen in eine vertikale Position geklappt.
Das israelische Start-up Air gehört zu den Firmen, die Tragflächen-Senkrechtstarter für Privatkunden entwickeln. Das Modell verfügt in Summe über 8 Propeller, die in vertikaler Position mit leichter Neigung in Flugrichtung an einer vorderen und einer hintern Gondel fixiert sind (Abb. 10).
Viele weitere Start-ups für Tragflächen-Senkrechtstarter wurden weltweit gegründet, eine vollständige Übersicht finden Sie auf unserer Seite eVTOL-Start-ups für Tragflächen-Senkrechtstarter.
eVTOL-Geschäftsmodelle für die kommerzielle Luftfahrt
Im kommerziellen Luftverkehr werden die Senkrechtstarter zu Beginn Flugstrecken von bis zu 200 km abdecken, die mangels Infrastruktur, Kosten oder Geräuschkulisse nicht von konventionellen Flugzeugen oder Hubschraubern beflogen werden können.
Viele eVTOL-Start-ups nennen als Beispiel die Verbindung vom City-Center zu den am Stadtrand liegenden Flughäfen, also Strecken, die bisher vom Pkw oder öffentlichen Verkehrsmitteln in 1-2 Stunden bedient werden. Durch den Einsatz eines Senkrechtstarters kann die Reisezeit auf 10-20 Minuten reduziert werden.
Abb. 11 – Volocity über Paris
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Volocopter GmbH [Media Hub])
Abb. 12 – Abfertigungsgebäude in Pontoise-Cormeilles bei Paris
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Volocopter GmbH [Media Hub])
Der ersten regelmäßige eVTOL-basierte Luftverkehr soll in Paris in zusammen mit der Olympiade 2024 eröffnet werden, die geplanten Flugrouten werden die beiden Flughäfen CDG und Orly sowie die Innenstadt und das Olympia-Gelände verbinden. Dabei sollen bereits für Hubschrauber freigegebene Flugkorridore genutzt werden, um den Genehmigungsaufwand bei den Flugsicherungsbehörden zu reduzieren.
Flugdienstbetreiber und eVTOL-Hersteller ist die deutsche Firma Volocopter, zum Einsatz kommt der 2-sitzige Multicopter Volocity (Abb. 11). Auf dem Flugfeld von Pontoise-Cormeilles wurde in Kooperation mit dem französischen Flughafenbetreiber Groupe ADP ein Abfertigungsgebäude errichtet, um die Betriebsabläufe am Boden unter realistischen Bedingungen zu erproben (Abb. 12).
Nach Abschluss der Olympiade ist ein Weiterbetrieb des Flugdienstes durch Volocopter geplant.
Weitere eVTOL-Verbindungen zwischen Flughafen und Innenstadt sind in den kommenden Jahren auch in den USA, Asien und weiteren Städten in Europa zu erwarten.
Auch Ballungscentren mit hoher Verkehrsdichte und für den Straßenverkehr ungünstiger Topographie bieten viel Potential für elektrische Senkrechtstarter. Beispiele sind das Silicon Valley mit den stets überfüllten Highways und den als Nadelöhr wirkenden Brücken ins Umland, Norwegen mit seiner Insel- und Fjordlandschaft sowie der Stadtstaat Singapur.
Aber auch in ländlich geprägten Gebieten haben die eVTOL-Flieger viele Anwendungsmöglichkeiten, so z.B. im Tourismus.
Beispiele sind Sight-Seeing-Flüge durch den Gran Canyon in den USA oder an populären Wasserfällen wie Niagara und Igazu (Amerika) oder Victoria (Afrika).
Auch bei einer Safari in der Serengeti sind die leisen eVTOL von Vorteil, da sie doch schon bei mittlerer Flughöhe kaum zu hören und damit für die nicht-invasive Wildtierbeobachtung geradezu prädestiniert sind.
Luftfahrzeuge für die kommerzielle Luftfahrt müssen einen anspruchsvollen und zeitintensiven Zulassungsprozess durchlaufen.
Die meisten eVTOL-Hersteller, die wir vorherigen Abschnitt Senkrechtstarter mit Tragflächen vorgestellt haben, können daher frühestens 2025 mit dem Verkauf beginnen. Bis dahin benötigen die Firmen eine solide Finanzierung, um die hohen Aufwände für Entwicklung, Produktion und Zulassung stemmen zu können.
Nicht alle Neugründungen werden bis 2025 überleben, wie das Beispiel Kitty Hawk zeigt. Im Jahr 2010 vom keinem geringeren als Larry Page, einem der beiden Google-Gründer, gestartet, wurde die Entwicklung 2022 eingestellt. Das Geschäftsmodell sah einen ferngesteuerten Taxi-Flugbetrieb vor, was bei einem nur einsitzigen Flugmodell nicht sehr profitabel erscheint.
Auch bei den beiden deutschen Start-ups Lilium und Volocopter ist die Euphorie aus den Anfangsjahren einer gewissen Nüchternheit gewichen. Beide Firmen werden nicht mehr von ihren jeweiligen Gründern, sondern von ehemaligen Airbus-Managern geleitet, die eine strikte Kostendisziplin in die Start-ups eingebracht haben.
Grundsätzlich schätzen wir die Erfolgsaussichten der beiden deutschen eVTOL-Start-ups aber als vergleichsweise gut ein, verfügen doch beide Firmen über wichtige Alleinstellungsmerkmale:
- Volocopter plant 2024 – wie bereits oben beschrieben – als 1. Hersteller den Start einen kommerziellen Multicopter-Flugbetriebs in Paris.
Dieses weltweite Medienereignis dürfte die Sichtbarkeit von Volocopter schlagartig erhöhen. - Lilium verfügt mit dem Lilium-Jet über den größten Tragflächen-basierten Senkrechtstarter mit einer Kapazität von 6 Passagieren plus Pilot.
Insbesondere der Kurzstrecken-Flugverkehr mit konventionellen Flugzeugen wird in der Gesellschaft in zunehmenden Maße kritisiert, hier bietet der Lilium Jet im Zeitalter von „Flugscham“ eine CO2-freie Alternative.
eVTOL-Geschäftsmodelle für die private Luftfahrt
In vielen Ländern sind die Zulassungsvorschriften für den privaten Luftverkehr wesentlich einfacher gestaltet als für den gewerblichen Luftverkehr; von dieser Situation profitieren auch einige eVTOL-Start-ups.
In den USA benötigen einsitzige Fluggeräte gar keine Zulassung, wenn die Nutzlast unter 113 kg (250 lb) und Höchstgeschwindigkeit unter 102 km/h (60 mph) liegt. Fluggeräte dieser Kategorie werden von der US-Luftfahrtbehörde FAA als Ultra-Light-Vehicles (ULV) klassifiziert [3].
Abb. 13 – Multicopter Jetson ONE von Jetson Aero
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Jetson AB [Homepage])
Abb. 14 – Luke Sykwalker im X34 Landspeeder (Star Wars, 1977)
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of THE WALT DISNEY COMPANY)
Der von der schwedischen Firma Jetson Aero entwickelte einsitzige Multicopter Jetson ONE (Abb. 13) fällt unter die ULV-Kriterien und wird bereits seit 2022 an Privatkunden verkauft. Unter den Start-ups, die auf den privaten Luftverkehr setzen, ist Jetson damit weltweit führend.
Das Video von dem über eine Dünenlandschaft fliegenden Jetson ONE hat uns in der Redaktion sehr fasziniert. Es erinnert an Luke Skywalker, der im X34 Landspeeder im über die Wüste gleitet (Abb. 14).
Abb. 15 – Multicopter von Ryse Aero
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of Ryse Aero Technologies, LCC [Homepage])
Abb. 16 – LIFT-Multicopter HEXA
(Mit freundlicher Genehmigung/Courtesy of LIFT Aircraft Inc. [Homepage])
Auch die beiden US-Start-ups Ryse Aero und LIFT Aircraft entwickeln Multicopter nach der FAA Ultra-Light-Vehicles-Spezifikation:
- Ryse Aero wurde in Ohio gegründet, einem ländlich geprägten Gebiet der USA mit sehr großen Farmen. Dementsprechend vermarktet Ryse seinen Senkrechtstarter (Abb. 15) als Arbeitsgerät für Farmer. Der Multicopter soll beim Zusammentreiben von Rindern, der Inspektion von Zäunen oder dem Wachstumscheck von Pflanzen helfen.
- LIFT Aircraft setzt ähnlich wie Jetson auf Freizeitflieger, möchte seinen Multicopter (Abb. 16) aber vermieten und nicht verkaufen. Auf der Homepage können bereits Flug-Reservierungen in verschiedenen Gegenden der USA vorgenommen werden.