Das Fraunhofer-Leitprojekt ALBACOPTER^® gehört zu den Forschungsvorhaben, die intern und extern eine große Aufmerksamkeit genießen. Nach zwei Jahren Laufzeit fand am 29. März 2023 in Manching bei Ingolstadt, einem Ort mit besonderem Umfeld und langjähriger Tradition im Bereich der Luftfahrt, ein Treffen statt, das den zahlreichen Gästen aus der Industrie gewidmet war. Im Fokus standen dabei die Themen Materialien und aerodynamische Strukturen, Energiespeicher- und Antriebstechnik, autonomes Fliegen sowie die Abbildung als digitaler Zwilling.

Anhand von Demonstratoren wurde der aktuelle Stand der Entwicklungen dem Fachpublikum aus den Bereichen Luftfahrt, autonome Mobilität, Energiespeicher und Sensorentwicklung sowie aus Urban-Air-Mobility-Netzwerken präsentiert. Neben spannenden Vorträgen und Diskussionen an den Exponaten hatten die Besucherinnen und Besucher die Möglichkeit, die Vision der Experimentalplattform des ALBACOPTER 0.5 und 1.0 mittels Virtual Reality greifbar zu erleben.

Anlässlich der Zwischenevaluation nach gut der Hälfte der Laufzeit des Fraunhofer-Leitprojekts ALBACOPTER^® lud das Fraunhofer IVI die Projektpartner, Mitglieder der Zentrale der Fraunhofer-Gesellschaft sowie den Beirat mit Vertretern aus Industrie und Wissenschaft nach Dresden ein. Die sechs am Vorhaben beteiligten Institute informierten über ihre bisherigen Fortschritte in den Teilprojekten »Experimentalfluggerät«, »Autonomes Fliegen«, »Materialien und Strukturen«, »Energie und Antrieb« sowie »Digitaler Zwilling« und gaben einen Ausblick auf die weiteren Entwicklungsschritte der nächsten zwei Jahre. Der Beirat zeigte sich beeindruckt angesichts der vorgestellten Ergebnisse und Demonstratoren.

Gelegenheit zum fachlichen Austausch und spannende Einblicke in die Entwicklungen an den Partnerinstituten bot ein umfangreicher Technologiemarktplatz. Anhand zahlreicher Exponate, darunter beispielsweise ein Mockup der Energieschnittstelle zwischen E-Hover und Fluggerät, der ALBACOPTER^® Flight Controller sowie eine Hardware-in-the-Loop-Simulation, bestehend aus einem digitalen und realen Modell, konnten die Gäste die Projektinnovationen hautnah erleben. Über allem schwebte zudem ein handgefertigtes Modell der fliegenden Experimentalplattform im Maßstab 1:3.

»Durch das stetig wachsende Verkehrsaufkommen im Personen- und Güterverkehr – vor allem im urbanen Raum – stößt die vorhandene Infrastruktur immer mehr an die Grenzen ihrer Kapazität. Den Verkehrsraum in seiner dritten Dimension stärker zu erschließen, würde Städte entlasten und abgelegenen Gegenden neue Chancen bieten.«

• zum Magazin (Beitrag auf Seite 58)

Zur Erprobung und Validierung innovativer Fluglageregler, Autopiloten, Sensoren und Energiemanagement Systemen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens ALBACOPTER^® zwei »Songbirds 150« der Firma Germandrones beschafft. Die Fluggeräte mit VTOL-Fähigkeit (Vertical Take-off and Landing) haben eine Spannweite von 3 m und können bis zu 4 kg Nutzlast tragen. Damit ist genug Power für zusätzliche Bordcomputer und weitere Sensoren vorhanden. Wie beim Fluggerät ALBACOPTER^® 0.5 geplant, besitzen auch diese Drohnen schwenkbare Antriebe, wodurch Forschungsergebnisse adaptierbar und leicht verwertbar werden. Um die Songbirds erfolgreich steuern zu können, nahmen vier Fernpiloten des Fraunhofer IEM und IVI an einer mehrtägigen Schulung teil. Am 26.08.2021 wurden die Fluggeräte in Berlin Moabit an die beiden Institute übergeben. 

Seit dem Start unseres Forschungsvorhabens im Januar 2021 haben sich die sechs beteiligten Fraunhofer Institute IVI, ICT, LBF, IOSB, IEM, IMS intensiv mit der Konzeption des Demonstrators ALBACOPTER^® 0.5 beschäftigt und erste Modelle entworfen.

Alle drei Varianten wurden anhand unterschiedlicher Kriterien bewertet und ihre Performance miteinander verglichen. Im engen Austausch mit den Industriepartnern, dem Beirat und den beteiligten Instituten erfolgen nun weitere Untersuchungen sowie die Erarbeitung eines Vorzugskonzepts mit bereits definierten Eigenschaften:

• ca. 7 m Spannweite, ca. 3 m Rumpflänge
• Transportbox mit 25 kg Tragfähigkeit, ca. 120 Liter
• Abfluggewicht 125 kg
• schwenkbare Antriebe
• 5,5 kWh-LiPo-Batterien
• SpaceFrame-Rumpfarchitektur
• Tragfläche in konventioneller Composite Schalenbauweise
• Flugsteuerung PX4 mit Risikosteuerung

Parallel dazu laufen die Arbeiten zur Energieversorgung- und Antriebsentwicklung sowie bei der Realisierung des autonomen Fliegens.

Innerhalb des virtuellen Demonstratortreffens am 21. Juli 2021 konnten sich der Beirat und die Partner aus der Wirtschaft über den aktuellen Stand informieren und ihre Ideen und Hinweise einbringen. Aus den Gesprächen heraus ergaben sich spannenden neue Ansätze und Potentiale für weitere Kooperationen. 

So vielfältig der Einsatz von VTOL-Systemen ist, so zahlreich sind die daran geknüpften Anforderungen an eine zuverlässige Umfeldsensorik. Nur eine stabile Erkennung von Objekten rundum das Fluggerät kann als Grundlage einer sicheren Flugsteuerung zur Kollisionsvermeidung dienen.

Die Fraunhofer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten dabei interdisziplinär und tragen dort wirksam zum Fortschritt in ihren Disziplinen bei: Optische Sensorverfahren zur Distanzmessung, Digitaler Zwilling, KI-Algorithmen zur Objekterkennung, sowie Fusions- und Integrationslösungen, sind dabei beispielhaft zu nennen.

Bei ALBACOPTER^® kommen nun die Sensorexperten zusammen, um die Aufgabe »geringes Sensorgewicht mit höchster Sensorperformance und Robustheit« zu lösen.

Ein neuester LiDAR-Photodetektor des Fraunhofer IMS (Abb.) fließt beispielsweise in das Projekt als zukunftsweisender Prototyp mit ein. Mit dem intelligenten »Lichtsammler« werden bis zu einzelne Photonenereignisse registriert, was den Forschern erlaubt, umfassende Abstandssensoren zu realisieren. Auf Software-Seite arbeitet das Fraunhofer IVI zudem an Algorithmen für die sphärische Darstellung von Kamera-Daten zur Realisierung der Umfelderkennung.

Aufgrund der im Rahmen von ALBACOPTER^® angestrebte Flexibilität, Sensoren durch jeweils neuere Generationen ersetzen zu können, entsteht somit eine einmalige Umfeldsensorik-Experimentierplattform für das VTOL-Anwendungsfeld.

Im Leitprojekt ALBACOPTER^® werden neuartige Antriebssysteme für eVTOL konzipiert, demonstriert und erprobt. Während im Bereich der eVTOL heute häufig Direktantriebe verwendet werden, gehen die Forschungspartner im Leitprojekt ALBACOPTER^® bewusst einen alternativen Weg um performantere Antriebe darzustellen. Ziel ist es, einen sicheren Antrieb mit einer höheren gewichtsspezifischen Dauerleistung zu entwickeln. In der aktuellen Projektphase sind unterschiedliche Lösungsansätze betrachtet worden. »Wir haben inzwischen verschiedenste Antriebstopologien untersucht und bewertet und wir sehen, dass unser Ansatz klare Vorteile bringen kann« meldet der Projektleiter für Energiespeicher und Antriebstechnik, Dr. Lars Fredrik Berg. Das bevorzugte Konzept nutzt eine hochdrehende Synchronmaschine und ein mehrstufiges Stirnradgetriebe, um die hohen Funktionsanforderungen, die an den Antrieb gesetzt werden zu erfüllen. »Aktuell befinden wir uns im Endstadium der Konzeptphase und wir gehen nun in die Detailkonstruktion der Antriebseinheit« berichtet Dr. Berg. Neben der Entwicklung des Antriebes entwickeln die Forscherinnen und Forscher in Karlsruhe auch einen Antriebsprüfstand für die realitätsnahe Erprobung von e-VTOL Antriebe in einer Leistungsklasse von bis zu 450 kW. 

Sekundärzellen gewährleisten hochreversible Interkalations- und Deinterkalationsprozesse und können deshalb sehr häufig geladen und entladen werden. Dennoch kommt es nach einer gewissen Nutzungszeit zu Degradationsmechanismen, die zu Leistungsverlust oder sogar exothermischen Reaktionen führen können. Deshalb untersuchen die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer LBF gezielt das Verhalten unterschiedlicher Zellen und Stromverbinder beim Laden und Entladen mit sehr hohen Strömen, wie sie z. B. in Flugphasen mit besonderen Leistungsanforderungen auftreten. Hierfür entsteht ein spezieller Laboraufbau mit in Reihe verschalteten Sekundärzellen (Abb.), um den instationären Temperaturverlauf von Zellen und Stromverbindern untersuchen zu können. Mit diesen Ergebnissen stehen dann heute oftmals unzureichend beachtete Daten für einen zuverlässigen Einsatz in eVTOL-Energiespeichersystemen zur Verfügung.

Mit dem Leitprojekt ALBACOPTER^® die dritte Dimension erobern

Zu den leistungsfähigsten Gleitvögeln gehört der Albatros. Seine grandiose Manövrierfähigkeit und sein müheloses Schweben auf den Luftströmen über tausende Kilometer hinweg sind bewundernswert. Ein Konsortium aus sechs Fraunhofer-Instituten will dieses Phänomen aus der Natur aufgreifen und mit dem ALBACOPTER^® ein Fluggerät entwickeln, das nicht nur fantastisch schweben, sondern auch effizient starten und landen kann. Am 8. März 2021 fand virtuell das offizielle Kick-off-Meeting statt.

• zur Presseinformation

Im Januar 2021 startete das Fraunhofer-Leitprojekt ALBACOPTER^® – Experimental Vertical Take-Off and Landing Glider. 

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