Technik der Zukunft

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Airbus-Konzeptstudie "E-Thrust": Kleinere Turbinen für hybrid angetriebene Flugzeuge erlauben eine bessere Aerodynamik. Urheber/in: Airbus Group. All rights reserved.

In den nächsten Jahrzehnten können neue Antriebe und Fertigungsmethoden das Fliegen nachhaltiger machen. Das „hybride Fliegen“ mit elektrischer Energie hat begonnen. Und der 3D-Druck verspricht mehr Wirtschaftlichkeit und eine sauberere Produktion. Ein Beitrag aus Oben - Ihr Flugbegleiter.

Es ist weniger als ein Plan, aber mehr als eine Idee. Techniker stellen sich vor, wie das Passagierflugzeug des Jahres 2050 funktioniert: Beim Start und im Steigflug treiben der Strom aus einer Gasturbine und der aus der Batterie gemeinsam die Schaufelblätter an, die für den Schub sorgen. Im Reiseflug übernimmt allein die Turbine die Antriebsleistung, gleichzeitig lädt sie die Energiespeicher wieder auf. In der ersten Phase des Sinkfluges wird sie ausgeschaltet. Das Flugzeug ist nun ein Segelflieger, und der Strom für die Bordsysteme kommt aus der Batterie. Während der zweiten Phase werden die Schaufeln vom Luftstrom angetrieben, und die Elektromotoren verwandeln sich in Generatoren, die erneut die Batterien laden. Für die Landung schließlich wird die Gasturbine wieder gestartet und liefert auf einem niedrigen Niveau Schub für das Antriebssystem, um bei Bedarf das elektrische Landen zu unterstützen.

Dieses Szenario des „hybriden Fliegens“ haben der Flugzeugbauer Airbus, der Turbinenhersteller Rolls-Royce und die Cranfield University bei London gemeinsam entwickelt und es E-Thrust genannt, was auf Deutsch „Elektroschub“ bedeutet. Sie haben ein komplett neues Flugzeug entworfen, bei dem die Tragflächen weit nach hinten zurückversetzt sind. Der Antrieb ist in den Rumpf integriert. Mehrere elektrisch angetriebene Schaufelblätter, die Fans, liegen auf den Flügelansätzen. Anders als bisher sind Turbine und Fan getrennt, was ganz neue Konstruktionen mit Optimierung beider Elemente und am Ende geringerem Benzinverbrauch ermöglicht.

Antrieb mit Gasturbine und Batterien

Die aerodynamischen Vorteile im Vergleich mit den heute verwendeten Turbinen unter den Flügeln sind ebenfalls enorm. Auch die Luft, die am Flugzeug entlang strömt, kann zu den Fans geleitet werden und dem Schub zugutekommen, statt nur Luftwiderstand darzustellen. Wenn die Spitzenleistung eines Antriebs, die heute nur beim Start abgerufen wird, auf Gasturbine und Batterien verteilt wird, kann die Gasturbine im Vergleich zu heute deutlich kleiner werden. Das Flugzeug wird leiser. Weniger Gewicht und weniger aerodynamischer Widerstand wiederum erlauben es, Tragflächen und Leitwerke zu verkleinern – was Gewicht und Treibstoffverbrauch weiter senkt.

Die Liste der wechselseitigen positiven Einflüsse lässt sich fortsetzen. Aber noch fehlt es an Basistechnologien, die diesen Durchbruch erlauben. Dazu gehört die Supraleitfähigkeit. Sie entsteht in bestimmten Materialien, wenn sie auf Temperaturen von weit unter minus 100 Grad Celsius heruntergekühlt sind und ihr elektrischer Widerstand verschwindet. Dann lassen sich Motoren und Kabel, die den Strom von Turbine und Batterien zu den Fans zu bringen, so konstruieren, dass sie um ein Vielfaches leichter, kleiner und effizienter werden. Die Bauteile zu kühlen wird dann die nächste Herausforderung sein.

Außerdem fehlt noch, was landläufig unter „besseren Batterien“ verstanden wird. Gemeint ist eine neue Generation von Energiespeichersystemen. Hoffnung erwecken Lithium-Luft-Akkumulatoren, deren Energiedichte mehr als doppelt so hoch ist wie die Speicher von heute. 25 Jahre Zeit geben die Flugzeug- und Turbinenbauer ihren Kollegen von der Elektrotechnik dafür, sie zur technischen Reife zu entwickeln. So lange brauchen sie auch selbst, um Turbinen, Flugzeugstruktur und Aerodynamik anzupassen.

Das Zieljahr 2050 ist dabei nicht beliebig festgelegt. Auf diesen Zeitraum hat die Luftfahrtindustrie ihre Ziele im Umweltschutz ausgerichtet, wie sie auch im Bericht „Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation“ der Europäischen Kommission vom Jahr 2011 dargelegt sind. Diese Ziele beinhalten eine Reduktion der CO2-Emissionen von Flugzeugen um 75 Prozent, der Stickoxide um 90 Prozent und des Geräuschpegels um 65 Prozent. Die Eckwerte entsprechen in etwa denen, die die Luftfahrtindustrie in ihrer Selbstverpflichtung von 2008 genannt hat.

Schneller als mit dem E-Thrust soll es mit einer kleineren, ebenfalls hybriden Lösung gehen. Bis 2030, also in weniger als 15 Jahren, will Airbus einen Passagierjet für den Regionalverkehr mit bis zu hundert Personen serienreif haben.

Da ist ein weiter Weg zurückzulegen. Die Maschine könnte aus dem kleinen, voll elektrischen Trainingsflugzeug hervorgehen, das unter der Bezeichnung E-Fan 2.0 in naher Zukunft in Südfrankreich in Serie gebaut wird. Es soll als „Technologiedemonstrator“, fliegender Prüfstand und – in der Luftfahrt von enormer Bedeutung – als Vorbild für die Zertifizierung von elektrischen Flugzeugkonzepten dienen. Das Anschlussmodell 4.0 erhält bereits einen zusätzlichen Verbrennungsmotor im Rumpf, der die Reichweite deutlich erhöhen wird.

Der hybride Antrieb könnte auch aus Deutschland kommen. Im April 2016 haben Airbus und der Technologiekonzern Siemens vereinbart, bis 2020 eine Reihe von Prototypen für verschiedene Antriebssysteme zu entwickeln. Von Siemens stammt bereits ein Elektromotor für Flugzeuge, dessen Leistung bei gleichem Gewicht innerhalb weniger Jahre um das Fünffache gesteigert wurde.

Eines der Konzepte von 2020 könnte dann für den Jet von 2030 in Betracht kommen. Aber auch an hybriden Helikoptern, an unbemannten Flugzeugen mit elektrischen und hybriden Antrieben sowie an Drohnen für militärische und zivile Zwecke könnten Airbus und Siemens arbeiten. 200 Mitarbeiter haben die beiden Unternehmen dafür zusammengezogen; die Investitionen in den nächsten fünf Jahren soll bei über 100 Millionen Euro liegen.

Technologischer Wettbewerb

Im Zentrum all dieser Forschungen und Entwicklungen steht nicht nur der Klimaschutz. Es geht auch um die technologische Führerschaft auf dem weltweiten Flugzeugmarkt, wie die EU in ihrem Flightpath-Bericht offen formuliert hat. Mit dem Regionaljet würde Airbus einen Markt betreten, auf dem sich bereits zwei Unternehmen vom amerikanischen Kontinent darum bemühen, zum weltweit drittgrößten Flugzeugbauer nach Airbus und Boeing zu werden: Embraer aus Brasilien und Bombardier aus Kanada.

Umgekehrt drängen beide in das „höhere“ Segment der Kurzstreckenflugzeuge, das von Airbus und Boeing beherrscht wird. Schließlich ist mit dem erst 2008 gegründeten Staatsunternehmen Comac in Shanghai noch ein weiterer Wettbewerber auf den Plan getreten. Ein zweistrahliger Regionaljet, mit Turbinen von General Electric ausgerüstet, wurde bereits 2015 ausgeliefert, und ein Comac-Kurzstreckenflugzeug soll Ende 2018 serienreif sein. Zudem haben Comac und Bombardier 2011 ein langfristiges Kooperationsabkommen unterzeichnet, um Alternativen zu Airbus und Boeing zu entwickeln. In diesem durchaus dynamischen Umfeld kann eine technologische Führerschaft beim hybriden Fliegen mit Regional- und Kurzstreckenjets gleich mehrere Wettbewerber auf Abstand halten.

Die Elektroingenieure mit dem E-Fan-Zweisitzer von heute haben auch den 100-Sitzer von morgen und den 300-Sitzer von übermorgen im Blick. Ebenso geht es den Verfahrensingenieuren. Im Fach Kohlefaserverbundstoffe haben sie einen Gutteil ihrer Hausaufgaben gemacht, seit der A350 zu mehr als 50 Prozent aus dem stabilen und leichten CFK besteht. Doch dahinter lockt der nächste Schritt. Der Einsatz von 3D-Druckern hat auch im Flugzeugbau begonnen. Das Herstellen von Formen entfällt, und der Materialverlust ist gering, weil Schneiden, Drehen und Bohren entfällt.

Flugzeuge aus dem 3D-Drucker?

In den Hallen stehen schon nicht mehr die allseits bekannten Schichtdrucker, die nur simple Geometrien beherrschen. Heute sind es Laser, die aus einem Pulverstrahl im Raum komplexe Strukturen erschmelzen, zum Beispiel überhängende Formen (siehe Bild). Auch die Beschleunigung ist enorm. Was im Schichtdruck noch 15 Stunden dauerte, ist jetzt in zwei bis drei Stunden zu bewerkstelligen.

Aber sobald die Fertigung über Prototypen und Einzelstücke hinausgeht, beginnt das Rechnen. So ressourcensparend das Verfahren sein kann: Stellt es nur eine technologische Insellösung dar, werden die Investitionskosten zu hoch. Der Druck ist dann nicht mehr günstiger als die bisherigen Verfahren. Um den Einsatz der Drucker zu optimieren, müssen mehr und mehr Abschnitte des Produktionsprozesses darauf ausgerichtet werden. Einen solchen Schritt hat der Maschinenbau zuletzt in den 1980er-Jahren erlebt, als das Computer Integrated Manufacturing (CIM) zur durchgehenden Vernetzung kompletter Entwurfs- und Fertigungsstrecken führte.

Ein Strategiewechsel steht bei Airbus bereits auf der Agenda. Bislang wurden Bauteile nur von Zulieferern gekauft. Doch das Airbus-Werk in Varel hat bereits mit dem Drucken eigener Komponenten begonnen. Bis zu zehn Prozent der Bau- und Ersatzteile sollen künftig auf hauseigenen Anlagen hergestellt werden.

Schon wird vom kompletten Flugzeug aus dem Drucker geträumt. Modell auswählen, Zahl der Sitzplätze festlegen, auf den Knopf drücken, und am nächsten Morgen rollt der Airbus-Rohling aus der Druckerhalle?

Erste Schritte sind getan. In Hamburg hat Airbus das Mini-Flugzeug „Thor“ gedruckt; nur die beiden Elektromotoren und die Steuerung gehören noch zur klassischen Ausstattung. Das unbemannte Fluggerät mit seinen vier Metern Länge und ebensolcher Flügelspannweite befindet sich bereits in der Erprobung. Noch ist es aus fast 50 Teilen montiert, weil der größte aufzutreibende Drucker nur 2,10 Meter lange Stücke herstellen kann. Vier bis sechs Wochen waren dafür nötig. Doch die Industrie arbeitet an leistungsfähigeren Anlagen. Damit die Airbus-Entwickler sich mit den technologischen Möglichkeiten vertraut machen, hat sich der Konzern in den USA an der Autoschmiede Local Motors beteiligt, die ihre Autos drucken will. Mehrere Dutzend Ingenieure werden jetzt in 3D-Druck fortgebildet.

Beim „Thor“ waren die Teile noch aus dem Pulver des Plastikkunststoffs Polyamid erschmolzen. In den kommenden zwei Jahren werden sie aus Titan, Edelstahl und Aluminium entstehen. 2025 könnte das erste Verkehrsflugzeug gedruckt werden. Der Rohling würde zwar immer noch aus Einzelteilen zusammengebaut, aber vielleicht nicht mehr, wenn 2050 der E-Thrust startet.

 

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