„Lego“ in der Stratosphäre: Wie intelligente Flugzeugverbünde die Kommunikationssicherheit revolutionieren
Satelliten sind weit weg, teuer und unflexibel. Flugzeuge hingegen kämpfen in der Höhe mit der Instabilität. Ein Forschungsteam der TH Wildau arbeitet unter der Leitung von Prof. Alexander Köthe an einer visionären Lösung: „Verbundflugzeuge“. Diese unbemannten Systeme sollen sich in der Stratosphäre wie Lego-Bausteine zusammenfügen. Dass dieses Projekt wissenschaftliche Spitzenklasse ist, belegt nun auch die hochkarätige Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). +++ English version below +++
Stellen Sie sich vor, eine Naturkatastrophe unterbricht die gesamte Kommunikation in einem abgelegenen Gebiet. Satelliten sind zu weit weg oder nicht optimal positioniert, und herkömmliche Drohnen haben nicht die Ausdauer, um tagelang über dem Einsatzort zu kreisen. Hier setzt das Forschungsprojekt zur Formations- und Kopplungsregelung von Verbundflugzeugen der TH Wildau an, das seit 2025 auch von der DFG gefördert wird.
Ein Ritterschlag für die Forschung an der TH Wildau
Die Bewilligung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ist mehr als nur eine Finanzierung – sie ist ein Gütesiegel. In den Ingenieurwissenschaften liegt die Bewilligungsquote für solche Projekte bei unter 25 Prozent. Für Hochschulen für Angewandte Wissenschaften (HAWs) wie die TH Wildau ist die Hürde sogar noch deutlich höher: Ihr Anteil an den DFG-Förderungen liegt insgesamt bei deutlich unter 2 Prozent.
Prof. Alexander Köthe, der das Projekt leitet, betont die Bedeutung dieses Erfolgs:
„Dass wir uns in diesem Wettbewerb durchsetzen konnten, unterstreicht die wissenschaftliche Relevanz unseres Vorhabens. Wir betreiben hier Grundlagenforschung auf internationalem Niveau, die normalerweise eher an großen Universitäten verortet ist.“
Das Dilemma der extremen Flügel
Darum geht’s in dem Projekt: Um monatelang nur mit Solarenergie in der Stratosphäre (in ca. 20 km Höhe) zu bleiben, benötigen Flugzeuge eine gewaltige Spannweite bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht. Doch was dort oben aerodynamisch ideal ist, wird beim Aufstieg durch die turbulente Troposphäre zum Verhängnis. Viele bisherige Projekte scheiterten, da die langen, dünnen Tragflächen unter der Last der Böen brachen.
Die Lösung des Wildauer Teams: das Verbundflugzeug. Mehrere robuste Einzelflugzeuge steigen getrennt auf und koppeln sich erst in der ruhigen Stratosphäre zu einer hocheffizienten und stabilen Formation zusammen – „ein bisschen wie Lego-Steine“, sagt Prof. Köthe.
Multi-Agenten-Systeme: Schwarmintelligenz statt Supercomputer
Die größte technische Hürde ist der Moment des Andockens. Wenn zwei Flugzeuge sich in der Luft berühren, entstehen gewaltige Luftverwirbelungen – sogenannte Wirbelschleppen. Um diese Kräfte zu beherrschen, setzt das Projekt auf sogenannte Multi-Agenten-Systeme (MAS).
Im Gegensatz zu klassischen Systemen, bei denen ein Zentralrechner alles steuert, ist bei diesem dezentralen Ansatz jedes Flugzeug ein „intelligenter Agent“:
- Dezentrale Regelung: Jedes Flugzeug besitzt einen eigenen Regler und „denkt mit“.
- Informationsaustausch: Die Agenten kommunizieren drahtlos und tauschen Daten über Position und Kräfte aus.
- Ausfallsicherheit: Es gibt keinen „Single Point of Failure“. Fällt ein Regler aus, kann das betroffene Flugzeug aus der Formation gelöst werden, während der Rest die Mission sicher fortsetzt.
Die Mathematik hinter der Punktlandung
Das Projekt widmet sich zunächst der mathematischen Modellierung. Es gilt, Flugbahnen (Trajektorien) zu berechnen, die so energieeffizient wie möglich sind. Dabei müssen die Flugzeuge präzise von oben oder unten an den Verbund herangeführt werden, da ein seitliches Verschieben physikalisch kaum möglich ist.
Zur Validierung der Modelle wird eine hochgenaue Simulationsumgebung geschaffen. Doch Prof. Köthe und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Janik Hopf gehen noch weiter: Geplant sind Versuche mit kleinen Drohnen, um die theoretischen Ansätze auch experimentell unter Beweis zu stellen.
Drei Fragen an Prof. Alexander Köthe
Was ist die größte Herausforderung, Flugzeuge in der Höhe mechanisch zu koppeln?Bereich öffnenBereich schließen
Flugzeuge können nur fliegen, weil an den Tragflächenenden ein permanenter Druckausgleich stattfindet – die sogenannte Wirbelschleppe. Diese geht mit großen Kräften und Momenten einher, die während des Koppelvorgangs kompensiert werden müssen. Das macht den Prozess wissenschaftlich hochspannend.
Wie weit sind wir noch von einem dauerhaften Einsatz entfernt?Bereich öffnenBereich schließen
Es ist ein Grundlagenprojekt. Wir betreten wissenschaftliches Neuland. Es müssen Lager konstruiert, Systemarchitekturen implementiert und Sicherheitsnachweise erbracht werden. Es gibt also noch sehr viel zu tun, bevor solche Verbünde beispielsweise Internet in entlegene Gebiete bringen.
Was fasziniert Sie persönlich am meisten an diesem Projekt?Bereich öffnenBereich schließen
Wir entwickeln die Grundlagen selbst und erarbeiten uns ein tiefgehendes Verständnis für Zusammenhänge, die auch über Verbundflugzeuge hinaus Anwendung finden können. Zudem ist die Perspektive reizvoll, eine Plattform zu schaffen, die bei Katastrophen Menschenleben retten kann.
Hintergrund: Exzellenz durch Kooperation
Um dieses Mammutprojekt zu realisieren, kooperiert die TH Wildau mit internationalen Schwergewichten.
Mit dabei sind Prof. Dr. Steffi Knorn (TU Berlin), eine Expertin für verteilte Regelung, sowie Prof. Carlos Cesnik (University of Michigan) und Prof. Bart Besselink (University of Groningen).
Auch dieser Schulterschluss zeigt: In Wildau wird an der Luftfahrt der Zukunft gebaut.
Weitere Informationen
Zur Forschungsgruppe: KLICK
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‘Lego’ in the stratosphere: How intelligent aircraft networks are revolutionising communication security
Satellites are far away, expensive and inflexible. Aircraft, on the other hand, struggle with instability at high altitudes. A research team at TH Wildau, led by Prof. Alexander Köthe, is working on a visionary solution: ‘networked aircraft’. These unmanned systems are designed to fit together like Lego bricks in the stratosphere. The fact that this project is at the cutting edge of science is now also confirmed by the high-profile funding it has received from the German Research Foundation (DFG).
Imagine a natural disaster interrupting all communication in a remote area. Satellites are too far away or not optimally positioned, and conventional drones do not have the endurance to circle the site for days on end.
This is where the TH Wildau research project on formation and coupling control of composite aircraft comes in, which has also been funded by the DFG since 2025.
A knighthood for research at TH Wildau
Approval by the German Research Foundation (DFG) is more than just funding – it is a seal of approval. In engineering sciences, the approval rate for such projects is less than 25 percent. For universities of applied sciences (HAWs) such as TH Wildau, the hurdle is even higher: their share of DFG funding is well below 2 percent overall.
Prof. Alexander Köthe, who is leading the project, emphasises the significance of this success:
‘The fact that we were able to prevail in this competition underlines the scientific relevance of our project. We are conducting basic research at an international level, which is normally more likely to be found at large universities.’
The dilemma of extreme wings
This is what the project is about: in order to remain in the stratosphere (at an altitude of approx. 20 km) for months on end using only solar energy, aircraft need a huge wingspan and very low weight. But what is aerodynamically ideal up there becomes fatal when ascending through the turbulent troposphere.
Many previous projects have failed because the long, thin wings broke under the load of the gusts.
The Wildau team's solution: the composite aircraft. Several robust individual aircraft ascend separately and only dock together in the calm stratosphere to form a highly efficient and stable formation – ‘a bit like Lego bricks,’ says Prof. Köthe.
Multi-agent systems: swarm intelligence instead of supercomputers
The biggest technical hurdle is the moment of docking. When two aircraft touch in the air, enormous air turbulence occurs – known as wake vortices. To control these forces, the project relies on multi-agent systems (MAS).
In contrast to classic systems, in which a central computer controls everything, this decentralised approach treats each aircraft as an ‘intelligent agent’:
- Decentralised control: Each aircraft has its own controller and ‘thinks for itself’.
- Information exchange: The agents communicate wirelessly and exchange data on position and forces.
Fail-safe: There is no single point of failure. If a controller fails, the affected aircraft can be released from the formation while the rest continue the mission safely.
The mathematics behind precision landing
The project is initially focusing on mathematical modelling. The aim is to calculate flight paths (trajectories) that are as energy-efficient as possible. The aircraft must be guided precisely from above or below into the formation, as lateral movement is physically almost impossible.
A high-precision simulation environment is being created to validate the models. But Prof. Köthe and his research assistant Janik Hopf are going even further: they are planning experiments with small drones to prove the theoretical approaches experimentally.
Three questions for Prof. Alexander Köthe
What is the biggest challenge in mechanically coupling aircraft at altitude?
Aircraft can only fly because there is a constant pressure equalisation at the wing tips – known as wake turbulence. This is accompanied by significant forces and moments that must be compensated for during the coupling process. This makes the process scientifically fascinating.
How far are we from permanent deployment?
It is a fundamental project. We are entering uncharted scientific territory. Bearings must be designed, system architectures implemented and safety certificates obtained. So there is still a lot to do before such networks can bring the internet to remote areas, for example.
What fascinates you most about this project?
We develop the fundamentals ourselves and gain an in-depth understanding of interrelationships that can also be applied beyond composite aircraft. In addition, the prospect of creating a platform that can save lives in the event of disasters is appealing.
Background: Excellence through cooperation
To realise this mammoth project, TH Wildau is cooperating with international heavyweights.
The team includes Prof. Dr Steffi Knorn (TU Berlin), an expert in distributed control, as well as Prof. Carlos Cesnik (University of Michigan) and Prof. Bart Besselink (University of Groningen).
This collaboration also shows that Wildau is building the aviation of the future.
Further information
About the research group: CLICK
Fachliche Ansprechperson
Prof. Dr.-Ing. Alexander Köthe
Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften
Studiengangsprecher Automatisierungstechnik und Automatisierte Energiesysteme
Tel.: +49 3375 508 788
Mail: alexander.koethe@th-wildau.de
Web: http://www.th-wildau.de/koethe
Haus 19, Raum 135
Sprechstunde in der Vorlesungszeit: Dienstag, 16:00h - 17:00h oder nach Vereinbarung
Redaktionelle Ansprechperson
Sebastian Stoye
Zentrum für Hochschulkommunikation
Interne Kommunikation & Referent der Präsidentin
Tel.: +49 3375 508 340
Mobil-Tel.: +49 15679 158557
Mail: sebastian.stoye@th-wildau.de
Web: https://www.th-wildau.de/interne-kommunikation/
Haus 21, Raum A102
Präsidium: https://www.th-wildau.de/hochschule/praesidium