Zusammenfassung:
Das britische Unternehmen BAE Systems erweitert seine hochfliegende Solardrohne PHASA-35 um eine neue drahtlose Stromversorgungsfunktion, die mithilfe einer Bodenstation Mikrowellenenergie gezielt an die fliegende Drohne abgibt, um deren Energie zu ergänzen. Das Projekt erhielt von der britischen Advanced Research and Invention Agency (ARIA) eine Vertragsunterstützung in Höhe von 15,7 Millionen Pfund und rund 21 Millionen US-Dollar mit dem Ziel, die Technologieentwicklung und Flugverifizierung innerhalb der nächsten dreieinhalb Jahre abzuschließen. Wenn der Test erfolgreich ist, soll diese Methode das Problem lösen, dass solarbetriebene Höhendrohnen nachts und bei fehlendem Sonnenlicht im Winter Schwierigkeiten haben, den Flug aufrechtzuerhalten.
PHASA-35 ist ein solarbetriebenes UAV für große Flughöhen mit langer Lebensdauer, das auch als „High Altitude Pseudolite“ (HAPS) klassifiziert ist. Es ist für den Betrieb in der Stratosphäre oberhalb von etwa 20.000 Metern ausgelegt. Es kann den meisten Wetterbedingungen und dem traditionellen Flugverkehr ausweichen und weiterhin mit einer Geschwindigkeit von etwa 90 Kilometern pro Stunde fliegen. Das Flugzeug verfügt über einen 35 Meter langen Flügel aus Kohlefaserverbundwerkstoff. Der Rumpf ist sehr leicht. Auf der Oberfläche der Flügel sind Solarzellen angeordnet, die Energie für Elektromotoren und Bordgeräte liefern.
Der größte Vorteil dieses Flugzeugtyps besteht darin, dass er lange Zeit über bestimmten Gebieten bleiben kann, um Missionen durchzuführen. Der Einsatz solarbetriebener Höhendrohnen ist kostengünstiger als bei herkömmlichen Satelliten, die in den Weltraum gebracht werden müssen und wie normale Flugzeuge das Einsatzgebiet wechseln können. Zukünftig kann PHASA-35 Kommunikationsrelais, Erdbeobachtung, Überwachung und andere Aufgaben übernehmen, die einen langfristigen Dauerbetrieb erfordern.
Theoretisch kann sich PHASA-35 auf Solarenergie verlassen, um tagsüber Strom zu erzeugen, während überschüssiger Strom in der Batterie gespeichert wird, um nachts den Flug aufrechtzuerhalten. BAE Systems hat sich zuvor das Ziel gesetzt, für dieses Flugzeug einen ununterbrochenen Flug von bis zu einem Jahr zu ermöglichen. Diese Fähigkeit hängt jedoch stark von den örtlichen Sonneneinstrahlungsbedingungen ab.
In der Nähe des Äquators ist es für solarbetriebene Drohnen einfacher, genügend Sonnenlicht zu bekommen, da sich die Länge von Tag und Nacht im Laufe des Jahres weniger ändert. Doch in hohen Breitengraden wie Großbritannien ist die Situation völlig anders. Im Winter werden die Tage deutlich kürzer und die Nächte länger. In manchen Zeiträumen kann es sogar für längere Zeit zu einem Mangel an wirksamem Sonnenlicht kommen. Bei Flugzeugen, die jederzeit die Höhe halten müssen, wird die Batteriekapazität letztendlich zu einem entscheidenden Faktor bei der Bestimmung der Flugzeit.
Wenn eine große Anzahl von Batterien hinzugefügt wird, um die langen Winternächte zu bewältigen, erhöht sich das Gewicht des Flugzeugs weiter. Bei einem extrem leichten, solarbetriebenen Flugzeug wie der PHASA-35 wirkt sich die Gewichtszunahme direkt auf die Flugeffizienz aus und belegt gleichzeitig Gewichtsraum, der sonst für Kommunikationsausrüstung, Sensoren und andere Missionslasten genutzt werden könnte.
ARIA startete daher das Projekt „Persistent Atmospheric Platform“ mit der Hoffnung, ein neues Energiesystem zu entwickeln, das es hochgelegenen Solarplattformen ermöglichen würde, Tag-, Nacht- und saisonalen Einschränkungen zu entgehen. Prismatic, eine Tochtergesellschaft von BAE Systems, wird PHASA-35 als tatsächliche Flugverifikationsplattform nutzen, um in den nächsten dreieinhalb Jahren schrittweise Technologien für die drahtlose Bodenstromversorgung zu entwickeln und zu testen.
Das Grundprinzip besteht darin, vom Boden aus eine spezielle Energieübertragungsstation zu errichten, um elektrische Energie in gerichtete Mikrowellenstrahlen umzuwandeln und die Energie präzise an PHASA-35 in großer Höhe zu senden. Im Inneren des Flugzeugflügels wird ein spezielles Empfangsgerät integriert, das die empfangene Mikrowellenenergie in elektrische Energie umwandelt und diese dann dem Motor- und Batteriesystem des Flugzeugs zuführt.
Diese Lösung unterscheidet sich offensichtlich vom kabellosen Laden im herkömmlichen Sinne. Die Drohne landet nicht auf dem Boden und kommt nicht mit Ladegeräten in Kontakt. Stattdessen fliegt es weiterhin in einer Höhe von Zehntausenden Metern und erhält dabei Energie von Langstrecken-Bodengeräten. Solange die Bodenstation den Standort des Flugzeugs weiterhin mit Energie versorgen kann, kann die PHASA-35 daher auch bei Sonnenuntergang weiterfliegen.
Für solarbetriebene Höhendrohnen ist die größte Bedeutung dieser Technologie nicht nur die Verlängerung der Nachtflugzeit, sondern auch die Möglichkeit, das begrenzte Gewichtsbudget des Flugzeugs neu zu verteilen. Wenn Flugzeuge keine Batterien mehr mit großer Kapazität mitführen müssen, die lange Winternächte aushalten, kann das Gewicht der Batterien reduziert und das freiwerdende Gewicht für den Anbau von Kommunikationsausrüstung, Radar, elektrooptischen Sensoren oder anderen Missionsnutzlasten genutzt werden.
BAE Systems gab an, dass sich die PHASA-35 bereits als kostengünstige alternative Satellitenplattform bewährt habe und dass dieses Projekt weiter untersuchen werde, wie dieses Flugzeug eine stärkere Dauerbetriebsfähigkeit erhalten könne. Das ultimative Ziel besteht darin, dass solare Höhenplattformen nicht mehr durch das saisonale Sonnenlicht eingeschränkt werden und so tatsächlich das ganze Jahr über ein langfristiger Lufteinsatz möglich ist.
PHASA-35 hat bereits mehrere Flug- und Haltbarkeitstests absolviert. Das Flugzeug absolvierte seinen Erstflug im Jahr 2020 und hat seitdem Dutzende Stunden Dauertests und eine umfassende Überprüfung der darin enthaltenen Sensoren durchlaufen. Es ist für den Betrieb in der Stratosphäre über lange Zeiträume konzipiert und soll Aufgaben übernehmen, die für herkömmliche Satelliten und einige bemannte Flugzeuge nur schwer wirtschaftlich zu bewältigen sind.
Wenn sich die bodengestützte Mikrowellenenergieversorgungstechnologie endgültig bewährt, könnte der Anwendungsbereich dieses Flugzeugs weiter erweitert werden. Bei Kommunikationsmissionen kann die Höhenplattform lange Zeit über dem Zielgebiet schweben, um eine Kommunikationsweiterleitung für abgelegene Gebiete bereitzustellen. Für Überwachungs- und Erdbeobachtungsmissionen kann es lange Zeit in der Nähe eines festen Gebiets bleiben, ohne so häufig landen und aufladen zu müssen wie gewöhnliche Drohnen.
Die drahtlose Stromversorgung vom Boden zu Flugzeugen in großer Höhe ist jedoch immer noch mit vielen technischen Problemen konfrontiert, darunter der Effizienz der Mikrowellenenergieübertragung, der Strahlsteuerung über große Entfernungen, dem Gewicht der Flugzeugempfangsausrüstung, der Energieübertragung unter komplexen Wetterbedingungen und der Flugsicherheit. Einer der Kernpunkte dieses Projekts besteht darin, durch tatsächliche Flugdemonstrationen zu überprüfen, ob diese Technologie in einer realen atmosphärischen Umgebung stabil funktionieren kann.
Der Vertrag von ARIA wird in drei Phasen vorangetrieben, mit dem Endziel, dass PHASA-35 ein komplettes System für eine umfassende Flugdemonstration mitführt. Wenn sie letztendlich erfolgreich sind, könnten solarbetriebene Höhendrohnen von einem Betriebsmodus, bei dem sie sich tagsüber auf die Sonne und nachts auf Batterien verlassen, zu einem Allwetter-Energiesystem übergehen, das „Solarenergie mit bodengestützter drahtloser Energieversorgung kombiniert“.
Für PHASA-35 bedeutet dies, dass seine ursprüngliche größte Schwäche – der Mangel an Sonnenlicht in der Nacht und im Winter – voraussichtlich durch Energieversorgung aus der Erde behoben werden kann. Für den gesamten HAPS-Bereich könnte diese Technologie es Solarflugzeugen in großer Höhe ermöglichen, tatsächlich das ganze Jahr über in der Luft zu bleiben, und so eine neue Plattform zwischen herkömmlichen Flugzeugen und Satelliten bei bestimmten Kommunikations-, Überwachungs- und Erdbeobachtungsmissionen bilden.
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