Seit einigen Jahren spielen E-Flight und Urban Air Mobility auch im aerokurier eine Rolle. Viele namhafte Luftfahrtunternehmen sind inzwischen in diesem Segment aktiv, mancher Flugzeugbauer hat bereits elektrisch angetriebene Muster in die Luft gebracht. Unter all den Konzepten, die in ihrer Entwicklung mehr oder weniger weit fortgeschritten sind, gehört der Lilium Jet sicher zu den extravagantesten. Während jene Projekte, die dem klassischen Flugzeugbau entstammen und mit Tragflächen, Leitwerk und Propeller auch am ehesten an bekannte Konstruktionsphilosophien erinnern, meist nur in Fachblättern Beachtung finden, schaffte es Lilium in die Mainstream-Medien: "Die Himmelsstürmer aus Bayern" titelte "Capital", n-tv sprach vom "Flixbus der Lüfte", und viele weitere Medien sprangen auf den Zug auf und zitierten begierig das wenige, was man aus der Firmenzentrale in Weßling, 25 Kilometer südwestlich von München, zu hören bekam. Detaillierte aerokurier-Nachfragen blieben 2017 unbeantwortet. Damit verschwand Lilium vom Radar der Redaktion – bis im Mai 2019 eine Mail eintrudelte, deren Anhang es in sich hatte. "Die Flugleistung des Lilium-Jets und von eVTOLs im Allgemeinen – eine Konzeptberechnung" lautete der Titel der Abhandlung, die hier zum Download zur Verfügung steht.
In einem Telefonat stellte sich der Autor als Ingenieur vor, der bei einem Flugzeughersteller beschäftigt sei. Er habe sich schon lange über die Daten gewundert, die Lilium zu seinem Fluggerät veröffentlichte, und irgendwann angefangen, nachzurechnen. "Ich habe anhand der verfügbaren Werte andere Parameter, die ich für die Berechnung benötigte, aus den veröffentlichten Grafiken abgeleitet und wenige noch fehlende Werte wohlwollend pro Lilium geschätzt", sagt der Mann, der die Redaktion darum bittet, seinen Namen nicht zu nennen.
Das Drei-Phasen-Missionsmodell
Für seine Konzeptkritik an Lilium greift der Ingenieur auf ein Drei-Phasen-Missionsmodell zurück, kurz 3P-Modell. Daraus schlussfolgert er zunächst allgemeine qualitative Erkenntnisse, die unabhängig von Liliums Konstruktion für eVTOLs allgemein gültig sind. Anschließend setzt er die Zahlen zur Abbildung des Lilium-Jets ein. In einem dritten Schritt variiert er die Eingangswerte, um ihre Sensitivitäten auf die erzielbare Reichweite und den Pro-Kopf-Verbrauch aufzuzeigen.
Das 3P-Modell gliedert die Flugmission in drei Phasen: den vertikalen Start, den Reiseflug und die vertikale Landung. Beschleunigungs- und Verzögerungs- sowie Steig- und Sinkflugphasen sind dabei nicht explizit berücksichtigt. Dies sei laut Autor legitim, da Steigflugphasen mit Blick auf die Gesamtmissionszeit nur einen Bruchteil ausmachen und deren benötigte Mehrenergie durch Minderenergie in entsprechender Sinkflugphase teilweise kompensiert würden. Signifikante Höhenunterschiede zwischen Start und Ziel oder eine Phase zum Hochfahren der Triebwerke seien ebenso wenig berücksichtigt wie weitere elektrische Verbraucher an Bord.
Aus seinen Vorüberlegungen zieht er bezüglich der möglichen Reichweite von E-VTOLs einige wenig überraschende Schlüsse: Die Reichweite steigt, wenn die Reiseflug-Gleitzahl oder der Wirkungsgrad im Reiseflug, das Akkumassenverhältnis (der Anteil des Akkugewichts an der maximalen Startmasse) die Energiedichte oder der Wirkungsgrad im Schwebeflug gesteigert werden. Sie steigt auch, wenn die Gesamtrotorfläche der Triebwerke zunimmt. Eine Erhöhung der Schwebeflugdauer oder der maximalen Abflugmasse hingegen lassen die Reichweite sinken.
Bezüglich des Pro-Kopf-Verbrauchs als Maß der Effizienz und Nachhaltigkeit des Fluggeräts stellt er beispielsweise fest, dass er sinkt, wenn Gleitzahl, Wirkungsgrad im Reiseflug und das Passagiermassenverhältnis (der Anteil der Nutzlast an der maximalen Startmasse) erhöht werden. Der Pro-Kopf-Verbrauch erhöht sich hingegen, wenn bei konstanter Gleitzahl die maximale Abflugmasse erhöht, die Gesamtrotorfläche verringert oder der Wirkungsgrad im Schwebeflug verringert wird.
Die wichtigste qualitative Erkenntnis über den Elektroflug im Allgemeinen erschließt sich für den Autor, wenn sowohl in der Formel für die Reichweite als auch in der für den Pro-Kopf-Verbrauch die Schwebeflugphase gegen null geht. Dann kann bei konstanter Gleitzahl, Energiedichte und Wirkungsgrad im Reiseflug gefolgert werden, dass das Akkumassenverhältnis der "Treiber" der Reichweite ist, während das Passagiermassenverhältnis der "Treiber" für effizienten Pro-Kopf-Verbrauch ist, wobei beide Werte bei konstanter Restmasse miteinander konkurrieren. Das gelte ebenso für Verbrennungsantriebe und Brennstoffzellen. Nur sei die Energiedichte eines Lithium-Akkus sehr viel schlechter als die von erdölbasierten Treibstoffen, während die von Wasserstoff sehr viel besser sei und dabei zudem unmittelbar null CO2 emittiert werde. Laut Autor gilt: Mehr Reichweite muss durch höheren Pro-Kopf-Verbrauch erkauft werden. Je weiter geflogen werden soll, desto ineffizienter wird es. Gibt man dann noch beträchtliche Reichweite auf, um mit hohem Energieaufwand vertikal zu starten und zu landen, könne es nicht effizienter werden.
Anwendung auf den Lilium Jet
Gemäß Liliums Website ist der Jet für fünf Insassen konzipiert. Inklusive Gepäck geht der Autor von einer Nutzlast von etwa 500 Kilogramm aus. Das MTOW, das auf der Lilium-Website nicht mehr genannt wird, wurde von "Spiegel Online" in einem Bericht über den Erstflug des Prototyps mit 1500 Kilogramm erwähnt. Durch Anschauung schätzt der Autor die Masse des Akkus wohlwollend auf 500 Kilogramm. "Viel mehr dürfte in die schlanken, kurzen Tragflächen und die eng erscheinende Kabine nicht hineinpassen", erklärt er. Damit folgt, dass das Akkumassen- und das Passagiermassenverhältnis ein Drittel beträgt. Für beide Verhältnisse gilt zunächst, dass sie jeweils so groß wie möglich sein sollten, jedoch in Summe kleiner 1 sein müssen, weil der restliche Flugapparat nicht masselos sein kann.
"Veranschlagt man für jedes der 36 Triebwerke eine Masse von fünf Kilogramm, ergibt sich eine Restmasse von 320 Kilogramm für Struktur, Fahrwerk, Systeme – darunter die Klappensteuerung und Stromleitungen zur Triebwerksversorgung – sowie Klimaanlage, eventuell Heizung und Avionik sowie Interieur", erklärt der Autor. "Soweit erscheint das als eine gerade noch lösbare, aber hoch ambitionierte Konstruktionsaufgabe. Die geschätzten Massen erscheinen damit auch plausibel."
Weiter wirft der Autor einen Blick auf die Akkutechnologie: "Die besten Lithium-Ionen-Akkus erreichen aktuell eine Energiedichte von bis zu 240 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Werden diese in einer Akkumulatoreneinheit zusammengeschaltet und mit Kühl-, Überwachungs- und Regelungssystem versehen, reduziert sich der Wert auf immer noch gut gemeinte 220 Wh/kg. Somit stünde der Flugmission eine gespeicherte Energie von 110 kWh zur Verfügung." Hier zieht er einen Vergleich zum Straßenverkehr: "Teslas Model S stellt laut Wikipedia 100 kWh bereit und schafft damit bis zu 600 Kilometer. Somit läge sein Pro-Kopf-Verbrauch bei fünf Personen an Bord bei 3,3 kWh je 100 Kilometer."
Die Gleitzahl, erklärt der Autor, lässt sich unter anderem anhand von Gesamtmasse, Flügelfläche und Flügelstreckung berechnen. Die beiden letzteren erhält man aus der bekannten Flügelspannweite von elf Metern und der Bezugsflügeltiefe, welche er anhand der Draufsicht auf der Website von Lilium und mittels eines computergestützten Skalierwerkzeugs mit 0,9 Metern ermitteln konnte. Daraus berechnet der Autor den Auftriebskoeffizienten, ermittelt weiter den auftriebsinduzierten Widerstand und ergänzt diesen um zusätzliche Widerstände wie Oberflächenreibung des Flügels inklusive Spalteffekte, Reibung der Triebwerksgehäuse und des Leitwerks. Daraus folgert er für die Gleitzahl im Reiseflug einen Wert von 10.
Auch mit dem Antrieb beschäftigt sich der Autor eingehend. Die Gesamtrotorfläche aller 36 Triebwerke schätzt er anhand computergestützter Skalierung auf etwa einen Qua-dratmeter, den Wirkungsgrad im Reiseflug infolge systembedingter Verluste eines ummantelten, kleinen Rotors hoher Blattzahl setzt er mit 60 Prozent an. Weiterhin führt er aus, dass es einen Zielkonflikt gibt bei der Rotor-auslegung, die nur für den Reise- oder den Schwebeflug optimal sein kann. Es fehle bauartbedingt an einer Blattverstellung.
Ernüchterndes Ergebnis
Nach Ermittlung und wohlwollender Schätzung aller benötigten Eingangswerte errechnet er die maximal mögliche Schwebeflugdauer von 67,7 Sekunden – ohne Transition in den Reiseflug und damit ohne Erzielung nennenswerter Reichweite. "Infolge dieses ersten Ergebnisses habe ich dann 60 Schwebeflugsekunden für Start und Landung reserviert und die übrigen 7,7 Schwebeflugsekunden in eine Reiseflugphasenzeit von 3:42 Minuten umgerechnet, da der Leistungsbedarf im
Reiseflug nur einem Bruchteil des Leistungsbedarfs im Schwebeflug entspricht. Während dieser Reiseflugzeit erzielt man dann mit 300 km/h eine Reichweite von gut 18 Kilometer. Dann ist der Akku leer." Dabei ergebe sich ein Pro-Kopf-Verbrauch von knapp 120 kWh je 100 Kilometer – der 36-mal größer ist als der des oben erwähnten, voll besetzten Tesla Model S. Im Zuge der Variation bestimmter Parameter – Erhöhung von Akkumassen- und Passagiermassenverhältnis, Erhöhung der Gleitzahl auf 15, Erhöhung der Wirkungsgrade im Schwebe- und im Reiseflug auf ihr theoretisches Maximum – errechnet er eine mit diesem Konzept maximal mögliche Reichweite von 145 Kilometern und eine Flugzeit von 29 Minuten. "Diese Werte gelten dann immer noch nur für eine beängstigend kurze Schwebeflugdauer von einer Minute und bedeuten schon jede Menge Optimierungsarbeit für Lilium", gibt er zu bedenken. Weiterhin verweist er darauf, dass sich die Reichweite um satte 50 Kilometer reduzieren würde, sollte die Zulassungsbehörde aus Sicherheitsgründen auch nur eine Minute mehr Schwebezeit fordern.
Das Fazit des Autors ist ernüchternd und passt so gar nicht zur glänzenden Selbstdarstellung Liliums. "Das Versprechen einer Reichweite von 300 Kilometern und einer Flugdauer von bis zu einer Stunde ist für das vollgewichtige, fünfsitzige Konzeptflugzeug mit aktueller Akkutechnologie nicht realisierbar."
Zustimmung aus der Fachwelt
Ein Ingenieur rechnet nach und ein Prestigeprojekt Made in Germany, in das Investoren Millionen Euro gesteckt haben, zerfällt angesichts mindestens 200 Jahre alter physikalischer Erkenntnisse? Es scheint so. Umso mehr, weil auch Fachkollegen den Ergebnissen zustimmen."Ich halte die Annahmen des Autors bezüglich der unveröffentlichten Parameter des Lilium Jets und seine Rechnungen für plausibel", erklärt Erol Özger, Professor für Luftfahrttechnik an der Technischen Hochschule Ingolstadt. "Ich habe seine Ausführungen mit Interesse gelesen, und das Ergebnis überzeugt mich." Özger hat auch selbst einige Rechnungen in der Causa angestellt. "Ich habe dabei für das Schweben den Wirkungsgrad des Antriebs mit etwa 0,62 um mehr als das Dreifache höher angesetzt, als dies der Kollege gemacht hat, um sogenannte Technologieeffekte zu berücksichtigen. Dennoch ähneln meine Ergebnisse denen des zitierten Autors, die Realität sieht düster aus." Zudem verweist Özger darauf, dass ein wichtiger Punkt hier noch gar nicht berücksichtigt sei: die Sicherheitsreserven. "In dieser einfachen Flugleistungsuntersuchung sind die nicht anzutastenden Reserven in Flugzeit und Reichweite, die im kommerziellen Luftverkehr heute Standard sind, gar nicht enthalten! Seine Berechnung ist damit sicher noch zu optimistisch."
Auch von der TU München bekommt der Autor Rückendeckung. "Die Rechnungen sind nachvollziehbar, und die Werte stimmen in etwa mit denen überein, die auch wir angesetzt haben, als wir uns das Konzept genauer anschauten", sagt Professor Mirko Hornung, Leiter des Lehrstuhls für Luftfahrtsysteme. Diskutabel sei allenfalls der Wirkungsgrad der Fans, der praktisch irgendwo zwischen 40 und 85 Prozent liegen könne, aber mit 60 Prozent nicht unrealistisch angesetzt sei. Das Gesamturteil des Professors ist entsprechend vernichtend: "Lilium erzeugt mit seinen Behauptungen und der hochprofessionellen PR nichts anderes als eine Scheinwelt, denn das Fluggerät kann die postulierten Leistungsdaten bei heutigem Stand der Technik nicht erreichen."
Anfangs habe man an der TU München Lilium interessiert verfolgt, umso mehr, weil CEO Daniel Wiegand hier sein Studium der Luft- und Raumfahrttechnik absolviert hat. "Das Team kam auch zu uns und hat seine Idee vorgestellt, aber uns war schnell klar, dass das Basiskonzept so nicht funktionieren kann", erinnert sich Hornung. Man habe seinerzeit Hilfe angeboten, aber das Lilium-Team habe abgelehnt. "Die wollten nur das Label der TU München als Referenz und haben damit ihr Image weiter aufpoliert, mutmaßlich, um sich für Investoren interessant zu machen. Da haben wir dann unser Veto eingelegt und darauf gedrungen, keine Verbindung mehr zwischen dem Lilium und dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme herzustellen. Mit solch windigen Sachen wollen wir nichts zu tun haben."
Hornung erklärt auch, warum der große Aufschrei unter Fachleuten bisher ausgeblieben ist. "Alle haben Sorge, es könnte ein ,Cargolifter-Effekt‘ eintreten. Als der Luftschiffentwickler in die Insolvenz ging, zog er die gesamte Branche mit sich; auch Ideen, die hätten funktionieren können, waren daraufhin tot. Das will man vermeiden, denn auch bei eVTOLs gibt es gute Ansätze wie beispielsweise den Volocopter. Da werden realistische Werte für Reichweite und Energieverbrauch kommuniziert, offen bleibt aber, was die Fortbewegung damit am Ende kostet."
Lilium erklärt sich – und weicht aus
Mit den Rechercheergebnissen konfrontiert, reagiert Lilium überrascht und unterstellt, dass von vornherein eine negative Berichterstattung beabsichtigt sei. "Unsere Daten basieren auf einer Synthese der Leistung bestimmter Komponenten des Flugzeugs, die einzeln am Boden gemessen werden, und den Daten, die wir während der sieben Monate Flugerprobung und aus modernster Simulationssoftware erhalten haben", erklärt Oliver Walker-Jones, Head of Communication bei Lilium, dessen komplette Antworten hier nachzulesen sind.
Zur Konzeptkritik äußert sich Lilium erwartbar: Mit den 100 Kilogramm pro Passagier gehe man konform, die anderen verwendeten Werte seien jedoch nicht genau, was zu falschen Schlussfolgerungen führe. Das Gesamtgewicht sei nach wie vor ein Internum, das man aus geschäftspolitischen Gründen nicht kommuniziere. Ferner gebe es ein Video, das zeige, wie der Lilium Jet zwei Minuten Schwebeflug vollführe, was unseren Autor und seine Kritik widerlege. Überdies experimentiere man bereits mit Batterien mit 300 Wh/kg, die laut Walker-Jones "leicht verfügbar" seien. Weiter erklärt der Pressechef, man setze auf kleine Mantelpropeller, weil man diese Bauweise aerodynamisch günstig in den Flügel inte-grieren, über Schwenkmechanismen die Steuerung realisieren und den Lärm gegenüber einem Helikopter um 25 Dezibel verringern könne. Zudem reagierten sie schneller auf Eingaben, was dem Jet eine "bemerkenswerte Manövrierfähigkeit" verleihe, und erfüllten aufgrund ihrer Anzahl die EASA-Forderungen zur Ausfallsicherheit von Luftfahrtantrieben. Zum von uns kritisierten geringen Wirkungsgrad der kleinen Propeller: kein Wort.
Auch die Frage nach der fehlenden Reserve bei der Schwebeflugdauer wischt Walker-Jones mit Allgemeinplätzen beiseite. Sowohl EASA als auch FAA hätten für eVTOLs alternative Reservekonzepte entwickelt und sich weit von den üblichen 45 Minuten entfernt, da viele Konstruktionen diese Zeit generell nicht erreichen würden. Schließlich bleibt er auch bei den Nachfragen nach Energieverbrauch und Kosten des Verkehrsmittels Lilium vage, aber der Behauptung treu, dass man bis 2025 einen Verkehrsträger mit einer Landeplatz-Infrastruktur aufgebaut haben will, der Fortbewegung zu Taxikosten ermöglicht.
Ein Investor im Verteidigungsmodus
Einer von Liliums Geldgebern ist Frank Thelen. Der aus der TV-Show "Die Höhle der Löwen" bekannte Investor hat mit seiner Firma Freigeist Capital in das Flugtaxi einen erheblichen Betrag investiert. Auf seinem LinkedIn-Account beschrieb Thelen das Projekt am 15. Mai 2019 als "verrückt, aber machbar" und schob nach, dass die Wahrscheinlichkeit, das Geld zu verlieren, sehr hoch gewesen sei. Mit den Ergebnissen unserer Recherche konfrontiert, reagiert er dünnhäutig und weist uns mehrfach darauf hin, dass er unsere Fragen für wertend und zum Teil unverschämt halte.
"Freigeist hat tiefgreifende Einblicke in die Entwicklung von Batterietechnologien sowie das notwendige Wissen, um die grundsätzliche Machbarkeit eines Lilium Jets zu prüfen", erklärt Thelen, dessen Antworten hier zu finden sind. "Es benötigt herausragende Köpfe, um das physikalisch Machbare wirklich umzusetzen. Hier haben uns die vier Gründer überzeugt." Das Besondere an Lilium sei der komplett neue, disruptive Ansatz. Auch Forscher, die sich ihr ganzes Leben mit Flugzeugbau befasst hätten, könnten, ohne mit allen Parametern der Technologie vertraut zu sein, keine fundierte Einschätzung zur Machbarkeit abgeben, so Thelen. "Was wir hier sehen, ist eine Grundproblematik der Deutschen: Wir sind das Volk der Bedenkenträger. Anstatt innovative, junge Unternehmen und visionäre Gründer zu unterstützen, ersticken wir ihre Ideen mit unserer Skepsis im Keim." Thelen kritisiert, dass sich der aerokurier "auf die Meinungen einiger Professoren, die nicht die nötigen Parameter kennen" stütze, um die Lilium-Technologie bewerten zu können, und fragt abschließend: "Sie halten es für komplett ausgeschlossen, dass eine Reihe hochkarätiger Ingenieure und Experten, die seit vielen Jahren an Lilium arbeiten, ein Durchbruch in der Geschichte der Luftfahrt gelungen ist?"
Am Ende bleibt die Skepsis
Nach Sichtung aller zur Verfügung stehenden Informationen fällt es nach wie vor schwer, das zu glauben. Auf keines der von uns vorgebrachten Argumente, die gegen die postulierte Leistung sprechen, ist Lilium entkräftend eingegangen. Es wurden keine neuen Daten genannt, abgesehen davon, dass man an Akkus mit einer Energiedichte von 300 Wh/kg arbeite. Und selbst mit diesem Wert käme das Fluggerät auf maximal 77 Kilometer Reichweite und gute 15 Minuten Flugzeit, und das bei nach wie vor beängstigend kurzer VTOL-Schwebeflugdauer von einer Minute. Um 300 Kilometer zu erreichen, bräuchte es laut
Autor der Konzeptkritik eine Energiedichte von 398 bis 650 Wh/kg und damit eine andere als die Lithium-Ionen-Technologie. Die in der Forschung befindlichen Lithium-Schwefel-Akkus hätten jedoch noch keine wirtschaftlich ernst zu nehmende Lebensdauer, und der Pro-Kopf-Verbrauch läge dann noch immer etwa siebenfach über dem Tesla, kritisiert er.
"Auch der jüngst veröffentlichte, dreiminütige Flug des Lilium Jets beweist nur, dass die Konstruktion an sich flugfähig ist", schließt der Ingenieur. "Es ist trotz ungenauer Werte klar, dass 300 Kilometer, eine Stunde Flugzeit und ein Pro-Kopf-Verbrauch ähnlich dem eines Elektroautos nicht erreicht werden können. Das jüngste Testflugvideo zeigt, dass allein etwa 1:30 Minuten für vertikales Starten und Landen sowie die Beschleunigung auf und Verzögerung von 35 Knoten Fluggeschwindigkeit angesetzt werden müssen. Dieser Wert erhöht sich natürlich, wenn der Jet statt 35 Knoten 300 km/h schnell fliegt. Es dürfte auch klar sein, dass Testflüge zunächst nicht mit voller Masse geflogen werden, schlicht um mehr Flugzeit für die Testmission zu haben."
Die Variationsrechnungen in seiner Kritik zeigten, dass nur mit erheblichem Drehen an Stellschrauben wie Rotorkreisfläche, Gesamtmasse und Wirkungsgrad im Schwebeflug annähernd das erreicht werden könne, was Lilium behauptet. "Meine Kernaussagen widerlegt Lilium nicht. Da bin ich mir sehr sicher."
