COMPASS MAGAZINE #10
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VOM ATOM ZUM FLUGZEUG Dank moderner Technologien muss die Wissenschaft der Luftfahrt neu gedacht werden

Vom Aussehen der Flugzeuge über deren Antrieb bis zu den Strukturelementen, die verwendet werden: Wissenschaftler und Ingenieure sind dabei, den Bau und die Funktionsweise von Flugzeugen völlig neu zu erfinden.

Stellen Sie sich das Jahr 2045 vor: Sie gehen gerade an Bord eines Linienflugzeugs, das nonstop von New York nach Paris fliegen soll. Obwohl das Flugzeug genauso aussieht wie ein normales Verkehrsflugzeug in 2015, werden Sie dank modernster Technik – von den Flugsystemen bis hin zu den Materialien, aus denen das Flugzeug hergestellt wurde – bei diesem Flug aber ganz andere Erfahrungen machen.

Fangen wir damit an, dass das Flugzeug mit Strom statt Kerosin angetrieben wird: Die Flugzeugstruktur dient gleichzeitig als gigantische Batterie, die Sonnenenergie sammelt und speichert. Daher ist das Flugzeug „grün“, d.h. es stößt keine Treibhausgase aus.

Beim Flug bemerken die Passagiere an den Fenstern vielleicht, dass sich die Form der Tragflächen – hergestellt aus Leichtverbundwerkstoffen – je nach Flugbedingungen ändert. Auf festem Boden wird unterdessen ein identisches, aber digitales Flugzeug auf die erwarteten Alterungserscheinungen während seiner 15- bis 20-jährigen Betriebslaufbahn geprüft. Auf diese Weise können Techniker entstehende Wartungsprobleme identifizieren und schnell beheben, was die Zahl der aufgrund mechanischer Probleme verspäteten oder abgesagten Flüge senkt.

Futuristisch? Auf jeden Fall.
Fantastisch? Falsch gedacht.

Dieses Konzept und andere moderne Ideen werden im Programm „Convergent Aeronautics Solutions“ der NASA (National Aeronautics and Space Administration) untersucht. Das Programm soll helfen, neue Möglichkeiten im Bereich der Verkehrsluftfahrt zu realisieren. Ähnlich dem NASA-Programm arbeiten Luftfahrtunternehmen in der ganzen Welt mit ihren jeweiligen Regierungen an der Entwicklung und Perfektionierung modernster Technologien, Tools und Verfahren, um sich den größten Herausforderungen der Luftfahrt stellen zu können: neue schnellere Flugzeuge, die zügiger entwickelt sowie effizient betrieben und gewartet werden können, die aber trotzdem ökologisch nachhaltig und erschwinglich sind. „Angetrieben von technologischen Entwicklungen stellen sich die Luftfahrtunternehmen die Zukunft vor, und wir erwarten in allen Bereichen der zivilen Luftfahrt Innovationen, die sich die meisten Menschen heute noch nicht einmal vorstellen können“, so Wolfgang Demisch, einer der am höchstgeachteten Analysten der Luftfahrtindustrie.

DIE ZIVILE LUFTFAHRT BOOMT

Laut der IATA (International Air Transport Association), die 83% der weltweiten Fluggesellschaften repräsentiert, ist die Luftfahrt für nur 2% der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Dabei schrumpft der ökologische Fußabdruck von PKWs, LKWs und der Bahn mit Blick auf die Treibhausgase, der ökologische Fußabdruck der Luftfahrt wird jedoch immer größer, da die Zahl der Flugreisen global zunimmt. Für Flugreisen sagt die IATA für die nächsten 20 Jahre einen jährlichen Zuwachs von 3,9% voraus.

Um diesen Bedarf zu decken, werden die „Big Two“, Airbus in Europa und Boeing in den USA, 2018 fast 1.900 Verkehrsflugzeuge herstellen – eine Steigerung von 500 Flugzeugen gegenüber 2015 und das Doppelte an Flugzeugen im Vergleich zu 2008. Nimmt man die Unternehmen Bombardier aus Kanada und Embraer aus Brasilien hinzu, so könnten 2.100 Verkehrsflugzeuge im Jahr 2018 geliefert werden – ein historischer Höchststand. Dank verschiedener energiesparender Innovationen werden diese Flugzeuge weniger Treibhausgase ausstoßen als vorherige Generationen, jedoch ist die Entwicklung dieser Innovationen noch nicht ausgereift, und der Druck ist hoch: IATA-Mitglieder sind verpflichtet, die Treibstoffeffizienz jährlich zu erhöhen und die Emissionen gegenüber 2005 um 2% zu senken, was einer kumulativen Verbesserung von ungefähr 50% bis 2050 entspricht.

50%

IATA-Mitglieder sind verpflichtet, die Treibstoffeffizienz jährlich um 2% zu erhöhen, was einer kumulativen Verbesserung bis 2050 von ungefähr 50% gegenüber 2005 entspricht.

Es ist noch nicht vorhersehbar, wann moderne Technologien wie Elektromotoren, unbemannte Frachtflugzeuge und eine hoch präzise Navigation in der Serienfertigung auftauchen werden, aber eins ist sicher: In 20 bis 30 Jahren werden die Verkehrsluftfahrt und die Flugzeugfertigung ganz anders aussehen.

Im Bereich der Geschäftsreisen arbeiten Ingenieure beispielsweise aktuell an der Technik für mindestens ein Düsenflugzeug, das spätestens 2025 mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 bzw. 1800 km/h von Kontinent zu Kontinent fliegen soll und den Globus weiter schrumpfen lässt. Honeywell Aerospace mit Sitz in Phoenix, Arizona (USA) und Rockwell Collins in Cedar Rapids, Iowa (USA) entwickeln dazu Cockpit-Displays und Pilotenschnittstellen damit die Besatzung eines Überschallflugzeugs das Muster des Überschallknalls auf dem Boden visualisieren und das Flugprofil ändern kann, um die Auswirkungen zu mindern.

REVOLUTIONÄRE TECHNOLOGIE

Innovationen bleiben aber nicht auf Flug- und Triebwerk und Untersysteme beschränkt. Auch die Hochleistungsverbundstoffe und Ultrahochtemperatur- Materialien, die zum Bau zukünftiger Flugzeug- und Triebwerkgenerationen verwendet werden, werden sich drastisch weiterentwickeln, beginnend auf molekularer Ebene.

Boeing und Airbus erzielten deutliche Gewichtseinsparungen und entsprechende Treibstoffeinsparungen durch den verstärkten Einsatz von Verbundstoffen in der Boeing 787 und im Airbus A350 gegenüber früheren Verkehrsflugzeugen. Private und staatliche Forschungseinrichtungen modellieren weltweit neue Legierungen und verschiedene Fasern mit verbesserten Struktureigenschaften. Diese machen die Materialien nicht nur stärker und leichter, sondern auch kostengünstiger in der Herstellung und belastbarer bei extremen Bedingungen.

Ähnlich hohe Anstrengungen gelten den modernen Fertigungsverfahren. Zu diesen Verfahren gehört Additive Manufacturing (AM) oder 3D-Druck: Beispielsweise stellen GE Aviation in Evandale, Ohio (USA) Einspritzdüsen und Pratt & Whitney (P&W) in East Hartford, Connecticut (USA) hoch entwickelte Turbinenkomponenten für bestimmte Düsentriebwerke mithilfe von AM her. Nichtsdestotrotz befindet sich die Technologie laut Material- und Fertigungsingenieuren in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. „Diese Technologie ist revolutionär“, so Lynn Gambill, technische Leiterin der Abteilung Manufacturing Engineering and Global Services bei Pratt & Whitney. „AM eignet sich sehr gut für die schnelle, energie- und deutlich materialsparendere Herstellung von Produkten, die anders gar nicht hergestellt werden können.“

Dramatische Entwicklungen in der Luftfahrt in den nächsten Jahrzehnten stehen außer Frage, die Geschwindigkeit dieser Entwicklungen lässt sich aber weniger gut einschätzen. Die Markteinführung von neuen Technologien erfordere eine erhebliche Investitions- und Risikobereitschaft, zwei Faktoren, die in der Luftfahrtindustrie selten im Gleichschritt gingen, so Aaron Hollander, Präsident, Vorsitzender und CEO von First Aviation Services Inc. in Westport, Connecticut (USA), einem auf Technik, Komponentenwartung und Reparaturen ausgerichteten Unternehmen. „Auf der anderen Seite konnten in der Luftfahrtindustrie Grenzen schon immer überwunden und der höchste Stand der Technik erreicht werden“, fügt er hinzu, „und ich bin mir sicher, dass sich diese stolze Tradition fortsetzen wird.“

von Tony Velocci Zurück zum Seitenbeginn
von Tony Velocci

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