Werden selbstfliegende Flugzeuge den Himmel verändern?

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Über einem Alfalfa-Feld im San Joaquin Valley in Kalifornien fliegt ein kleines Crop-Spraying-Flugzeug bedrohlich tief über dem Boden. Die Gefahr für Menschen ist jedoch gering, da das Flugzeug ohne Pilot an Bord unterwegs ist.

„Wir können tatsächlich tiefer fliegen als ein menschlicher Pilot“, sagt Russ Marotzke, während das Flugzeug über die Felder gleitet.

Laut ihm bedeutet das tiefere Fliegen weniger Sprühverluste und somit weniger Chemikalien im Vergleich zum konventionellen, manuellen Crop-Dusting.

Das unbemannte Flugzeug gehört zu Pyka, wo Marotzke als Flight Test Engineer arbeitet.

In einer umgebauten Flughalle aus dem Zweiten Weltkrieg, mit Blick auf die San Francisco Bay, entwickelt das Start-up selbstfliegende Flugzeuge ohne Cockpit, die entweder zum Besprühen von Feldern oder zum Transport von Gütern konzipiert sind.

Pyka zählt zu einer kleinen Gruppe von Unternehmen, die darum wetteifern, autonome Starrflügler kommerziell einzusetzen.

Fliegende Lufttaxis, sogenannte elektrische Senkrechtstarter (eVTOL), haben bislang den Großteil der Aufmerksamkeit im Bereich autonomes Fliegen auf sich gezogen.

Doch parallel dazu läuft ein weniger öffentliches Rennen, um selbstfliegende Flugzeuge zunächst für Aufgaben wie das Sprühen von Feldern oder den Gütertransport einzusetzen – und irgendwann, so hoffen viele Hersteller, auch Passagiere zu befördern.

„Ein vollständig ausgebauter, allgegenwärtiger Passagierbetrieb ist das große Ziel“, sagt Michael Norcia, Mitgründer und CEO von Pyka, der sich eine große Flotte von Pyka-Flugzeugen mit Minibus-Kapazität vorstellt, die entlang der Ost- und Westküste der USA Passagiere transportiert.

„Es besteht eine gute Chance, dass wir diesen Punkt erreichen, bevor die eVTOL-Branche so weit ist.“

Ich befinde mich auf einem Testgelände von Pyka für Crop-Sprayer, etwa 80 km (50 Meilen) östlich der Fabrik des Unternehmens, zu erreichen über eine holprige Schotterpiste.

Heute testen Marotzke und ein Kollege ein Software-Update an einem Demonstrationsflugzeug.

Etwa ein Dutzend Pyka-Flugzeuge sind bereits in Brasilien im Einsatz, wo sie unter anderem Baumwolle und Sojabohnen besprühen – Arbeit, die zuvor von menschlichen Piloten geleistet wurde.

Das Crop-Spraying-Flugzeug ist vollständig elektrisch angetrieben, mit dem Akku in der Nase. Es kann etwa 35 Minuten fliegen und transportiert bis zu 300 Liter Sprühflüssigkeit im Tank in der Mitte.

Pykas Flugzeuge werden manchmal als große Drohnen bezeichnet, doch das scheint unterschätzt: Alle haben eine Spannweite von 11,5 Metern.

In einem Container neben dem Feld markieren die Ingenieure am Computer den Bereich, den das Flugzeug besprühen soll. Die Software plant anschließend die Route, unter Berücksichtigung bereits erfasster Hindernisse wie Stromleitungen.

Der Startvorgang auf der Startbahn neben dem Feld verläuft nahtlos. Etwa 15 Minuten später landet das Flugzeug nach Erkennung eines niedrigen Füllstands (heute Wasser) automatisch, um manuell nachgefüllt und die Batterie gewechselt zu werden. Danach hebt es erneut ab und setzt das Besprühen genau dort fort, wo es aufgehört hat.

Autonomes Fliegen unterscheidet sich von einem Autopiloten.

Ein Autopilot unterstützt, ähnlich wie Tempomat und Spurhalteassistent in einem Auto.

Autonome Systeme zielen darauf ab, den gesamten Flug einschließlich Start und Landung mit möglichst geringer oder gar keiner menschlichen Einwirkung zu steuern, indem Algorithmen Sensorinformationen verarbeiten und das Flugzeug steuern.

Selbstfliegende Flugzeuge haben sich im Vergleich zu selbstfahrenden Autos langsamer entwickelt, obwohl sie in einer Umgebung unterwegs sind, die als strukturierter und vorhersagbarer gilt.

Das liegt unter anderem daran, dass große Technologiefirmen sich „voll auf Autos konzentriert“ haben, erhebliche Summen in die Technologie investierten, sagt Mykel Kochenderfer, Experte für sichere Flugautonomie an der Stanford University.

Doch auch die strengeren Sicherheitsstandards für Flugzeuge im Vergleich zu Autos erschweren den Einsatz.

„Die Folgen von Flugunfällen können einfach so schwerwiegend sein“, sagt Kochenderfer.

Die militärische Nachfrage hat die Technologie vorangetrieben. Viele Unternehmen verfügen über Verteidigungsverträge, um ihre Systeme zu demonstrieren und zu testen, oft mit weniger regulatorischen Hürden als im zivilen Bereich. Einige beliefern bereits militärische Kunden.

In den USA ist Pykas Crop-Sprayer bislang das größte autonom fliegende Starrflügelflugzeug, das für den kommerziellen zivilen Einsatz zugelassen ist. Die Operationen sind jedoch auf klar definierte landwirtschaftliche Umgebungen beschränkt und benötigen einen Bodenoperator und einen visuellen Beobachter. Zuvor hatte Pyka ähnliche Genehmigungen in Brasilien erhalten, wo die Regularien weniger streng sind.

Großbritannien hat bislang keine vergleichbaren Langzeitoperationen genehmigt, obwohl das britische Unternehmen Windracers um Erlaubnis bittet, einen autonomen Frachttransport in Shetland und Orkney einzurichten. Die Flugzeuge, die Güter in abgelegene Regionen transportieren sollen, fliegen bereits Einsätze in der Ukraine.

„Es wäre der erste schwere Frachttransport per Drohne in Großbritannien und vermutlich überhaupt irgendwo“, sagt Stephen Wright, Gründer und Vorsitzender von Windracers.

Befürworter argumentieren, dass autonome Flugzeuge Pilotenmangel entgegenwirken, Menschen aus危险er Arbeit wie dem Feldbesprühen herausholen, Effizienz steigern – beispielsweise durch höhere Ladungskapazitäten – und Kosten senken könnten, wenn ein Operator mehrere Flugzeuge überwachen kann.

Außerdem könnte Automatisierung das Fliegen sicherer machen, da in der Vergangenheit Unfälle zurückgingen, als automatisierte Systeme eingeführt wurden.

Pilotenverbände bleiben skeptisch.

Die US Air Line Pilots Association (ALPA) nennt das Entfernen von Piloten „ein ernsthaftes Wagnis mit der Sicherheit und einen Schritt zu weit“.

Die US National Agricultural Aviation Association, die Crop-Dusting-Piloten vertritt, sagt, dass kleine unbemannte Flugzeuge für ihre Piloten schwer zu erkennen seien. Bemannte Flugzeuge könnten zudem größere Flächen schneller besprühen.

Pyka und Windracers entwickeln Flugzeuge von Grund auf neu, da dies die Integration von Automatisierung von Beginn an ermögliche und das Flugzeug auf den Einsatzzweck zuschneidere.

Andere Unternehmen rüsten bestehende größere Flugzeuge nach.

Gefördert durch die Investitionsabteilung von Boeing testet das US-Unternehmen Reliable Robotics derzeit sein System am Cessna 208B Grand Caravan, einem einmotorigen Frachtflugzeug, das über hunderte Kilometer etwa 1360 kg Ladung transportieren kann.

Das Nachrüsten an bereits zugelassenen Flugzeugen erlaube es dem Unternehmen, sich ausschließlich auf die Sicherheitsnachweise des autonomen Systems zu konzentrieren, statt auch noch die Zulassung eines neuen Flugzeugs anstreben zu müssen, sagt Robert Rose, Mitgründer und CEO.

Merlin Labs, ebenfalls in den USA ansässig, arbeitet sich durch zunehmend größere Militärflugzeuge und setzt sein System nun am zweimotorigen Lockheed Martin C-130J Militärtransporter ein, gefolgt von kommerziellen Mehrbesatzungs-Frachtflugzeugen.

„Es ist ein gemeinsames Autonomie-System, das zwischen verschiedenen Flugzeugen wechseln kann“, erklärt Matt George, Gründer und CEO von Merlin.

Die Unternehmen unterscheiden sich auch in ihrem Umgang mit KI.

Reliable Robotics nutzt KI gar nicht, da dies die Zertifizierung erschweren würde.

Merlin verfolgt hingegen einen stärker KI-basiierten Ansatz.

Dieser Unterschied zeigt sich besonders bei sogenannten Detect-and-Avoid-Systemen.

Eine der größten Herausforderungen autonomer Flugzeuge ist die Nachbildung der Fähigkeit eines Piloten, andere Flugzeuge und Hindernisse zu erkennen und sicher daran vorbeizumanövrieren – mit nahezu keinem Spielraum für Fehler.

Da es bislang keine perfekte Lösung gibt, rüsten die Unternehmen unterschiedliche Sensorsysteme nach und ergänzen bereits vorhandene durch zusätzliche Backups.

Reliable Robotics hat ein luftgestütztes Radar zur Erkennung anderer Flugzeuge in mehr als acht Kilometer Entfernung hinzugefügt. Die Software folgt festen Regeln, um zu entscheiden, wie das Flugzeug reagieren soll.

„Besser als das Auge eines Piloten“, sagt Rose.

Merlin nutzt hingegen KI-gesteuerte Kameras zur Objekterkennung und -klassifizierung.

Pyka nutzt von Beginn an Lidar, um Bäume, Fahrzeuge, große Vögel und Gelände zu erkennen. Da die Reichweite kurz ist, plant das Unternehmen zudem den Einbau von KI-gesteuerten Kameras – den ersten Einsatz von KI an Bord.

„Für viele Dinge gibt es keinen Grund, KI zu nutzen… aber um zu erkennen, dass sechs Pixel in der Ferne ein Flugzeug sind und nicht irgendein anderer Fleck, ist das perfekt geeignet“, sagt Norcia.

Das KI-Dilemma erstreckt sich auch auf die Kommunikation mit dem Flugverkehrskontrollsystem.

In gemeinsam genutztem Luftraum müssen Flugzeuge in der Lage sein, Funkanweisungen zu empfangen, zu interpretieren und darauf zu reagieren, typischerweise von der Flugverkehrskontrolle.

Reliable Robotics löst dies durch einen Piloten am Boden, der zunächst voll ausgebildet ist, um Kommunikation und sicherheitsrelevante Entscheidungen zu übernehmen.

Merlin plant, generative KI einzusetzen, die anhand von Tausenden Stunden aufgezeichneter Gespräche trainiert wurde, um Anweisungen zu verstehen und selbst zu antworten.

„Unser Problem ist schwieriger… aber wir wollen über das Fernsteuern hinausgehen“, sagt George.

Merlin plant, die Anzahl der Piloten schrittweise von zweien auf einen und schließlich auf keinen zu reduzieren.

Pykas Norcia sagt, man sei zufrieden, anderen „die Vorreiterrolle“ zu überlassen, um den besten Weg im gemeinsam genutzten Luftraum zu finden.

Währenddessen erwarten viele, dass selbst wenn vollständig autonomes Passagierfliegen noch in weiter Ferne liegt, die Technologie, die derzeit entwickelt wird, in die kommerzielle Luftfahrt Einzug halten wird – möglicherweise sogar die Sicherheit im bemannten Fliegen erhöhen wird.

Das, so ALPA, der US-Pilotenverband, wäre eine willkommene Entwicklung.