Sauberere, effizientere und bessere Flugzeuge
Mehr europäische Flüge werden zwangsläufig die Umweltauswirkungen von Flugreisen verstärken. Die Europäische Kommission sucht seit dem Zweiten Rahmenprogramm im Jahr 1989 aktiv nach Möglichkeiten zur Minimierung der Umweltauswirkungen. Daniel Chiron leitete eine Sitzung einiger führender Vertreter in Bezug auf die Erhöhung der Effizienz und die Reduzierung der Umweltauswirkungen von Flugzeugen während der Ausstellung und Konferenz "Aerodays 2006" vom 19. bis 21. Juni in Wien. "Die Umweltprobleme sind zunehmend bedenklich", sagte er. "Und die Projekte beschäftigen sich nicht erst seit kurzem, sondern von Beginn des RP2 im Jahr 1989 an mit Umweltfragen. Aber jetzt hat sich die Zahl der Themen erhöht - Reduzierung der Stickoxid-, Kohlendioxid- und Lärmemissionen. ACARE hat in seinem Bericht 'Vision 2020' herausgestellt, dass die CO2-Emissionen um 50 Prozent und die Lärmemissionen um das Zweifache reduziert werden müssten", sagte er. Mehrere Projekte gehen dieses Problem an, jedoch auf ganz unterschiedliche Art und Weise. Moderne Flugzeuge sind äußerst komplex, aber die wesentlichen Möglichkeiten zur Minimierung der Umweltauswirkungen beruhen auf der Effizienz der Triebwerke und somit des Treibstoffs, mit dem sie betrieben werden, sowie der Effizienz des Flugzeugs selbst. Diese Erklärung mag zwar offensichtlich erscheinen, aber in Wirklichkeit gibt es Tausende von Änderungen, die an einem Flugzeug vorgenommen werden können, um seine Leistungsfähigkeit und Effizienz zu verbessern. Leider verringern einige Änderungen die Leistungsfähigkeit in anderen Bereichen, sodass Kompromisse gemacht werden müssen. Nick Peacock, der Forschungs- und Technologieprogrammleiter für das Unternehmen Rolls Royce, das Partner vieler laufender Forschungsprojekte ist, sagte: "Der Entwurf ist immer ein Kompromiss. Beim [Airbus] A380 sollen Kompromisse gemacht worden sein, um ihn leiser zu machen. Gibt es einen Kompromiss zwischen Emissionen und Lärm? Auf jeden Fall, aber wir müssen versuchen, beide so gering wie möglich zu halten. Wir entwickeln die Technologie - andere entscheiden, wie sie umgesetzt wird." Peacocks spezifische Projekte betreffen das ökonomische Design von Triebwerken. "Seit 1990 haben wir den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen um 24 Prozent gesenkt. Aber aufgrund des schnelleren Wachstums des Flugverkehrs werden die Umweltauswirkungen tatsächlich schlimmer", sagte er. Die "Vision 2020"-Ziele des ACARE sehen drastische Emissions- und Lärmverringerungen vor. "Diese festgelegten Ziele sind mutig. Wir haben erkannt, dass zum Erreichen dieser Effizienzen eine sprunghafte Verbesserung der Technologie erforderlich ist. Die Ziele sind wirklich bedeutsam und müssen von den nationalen Regierungen, der EU usw. unterstützt werden. Aber wir brauchen eher radikalere Lösungen in Bezug auf Triebwerke, Flugwerke und Flugverkehrsmanagement", sagte er. Rolls Royce hat eine Vision entwickelt, die Technologien für die kommenden 5, 10 und 20 Jahre umfasst. Vorhandene Produkte werden angepasst, um mögliche Verbesserungen zu testen. An dem unter dem Fünften Rahmenprogramm (RP5) finanzierten Fünfjahresprojekt ANTLE, das sich dem Ende zuneigt, sind 19 Partner beteiligt, die an den einzelnen Teilen des Triebwerks feilen, um eine größere Effizienz zu erzielen. "Wir stützen uns stark auf Universitäten, die die Denkarbeit für uns erledigen", so Peacock. Das ANTLE-Triebwerk wurde im Jahr 2005 erfolgreich gezündet, und viele der Technologien werden in die Triebwerke der nächsten Generation einfließen. Das Triebwerk ist vielleicht die wichtigste Komponente eines Flugzeugs. Es verleiht dem Flugzeug genügend Geschwindigkeit für den Start und verbraucht Kerosin. Nick Peacock zufolge muss das Triebwerk drastisch verbessert werden, um größere Effizienzen zu erzielen. Es ist jedoch keineswegs die einzige Komponente des Flugzeugs, die zu größerer Effizienz führen kann. Viele Flugzeugsysteme basieren auf einer Technologie, die zum Zeitpunkt ihrer Entwicklung möglicherweise Spitzentechnologie darstellte, aber heute als veraltet oder einfach umweltbedenklich gilt. Die Technologieplattform "Power Optimised Aircraft" (POA - Leistungsoptimiertes Flugzeug) möchte ein Flugzeug entwickeln, bei dem ein Großteil der derzeitigen Hydraulik- und sonstigen Technologie durch ausschließliche Elektrotechnologie ersetzt wird. Lester Faleiro, Forschungs- und Technologiebeauftragter bei Leibherr-Aerospace, einem Projektkoordinator, erklärt die ursprüngliche Idee: "Reduzierung von Gewicht, was wiederum den Verbrauch und somit den Treibstoff reduziert. Wir stellen die Systeme auf elektrische Systeme um, die effizienter sind." "Das Flugzeug betreibt die Systeme durch die Verwendung eines mechanischen Getriebes oder Treibstoffleistung. Wir versuchen, alle Systeme auf elektrische Systeme umzustellen, von Treibstoffpumpen bis hin zu elektrischen Kugellagern. Hydraulik- und Kugellageröle sind sehr umweltschädlich. Die neue Boeing 787 wird eine viel umfassendere elektrische Ausstattung haben und der Airbus A380 wird die Elektrotechnik ebenfalls stärker als bisher nutzen", sagte er. Es ist zwar einfach, ein Flugzeug als ein zusammenhängendes Ganzes zu betrachten. Wenn es jedoch in seine einzelnen Systeme unterteilt wird, die alle auf verschiedenen Technologien basieren, besteht das Flugzeug aus einer verwirrenden Vielfalt von Systemen. Mit dem Ersatz all dieser Systeme durch elektrische Systeme kann das POA-Projekt wirtschaftliche Einsparungen herbeiführen. Die Nichtantriebskraft soll in der Spitze um 25 Prozent reduziert werden und der Treibstoffverbrauch um fünf Prozent. Außerdem sollen die Nebenkosten beispielsweise für Wartung, Produktion und höhere Zuverlässigkeit gesenkt werden. Nun können all diese Ziele bereits erreicht werden, aber mit einer erstaunlichen zusätzlichen Tatsache: "Der POA-Entwurf ist tatsächlich schwerer als das traditionelle Flugzeug, aber dennoch treibstoffeffizienter. Es erscheint nicht richtig, aber ganzheitlich betrachtet funktioniert es", so Faleiro. Autobesitzer stellen möglicherweise die Sicherheit eines ausschließlich auf Elektrotechnik basierenden Flugzeugs in Frage, da Störungen in der Elektrik auf der Straße recht häufig vorkommen. "Sicherheit ist ein Antrieb, keine Einschränkung. In traditionellen Systemen, beispielsweise beim Fahrwerk, gibt es eine dreifache Redundanz - dies bedeutet, dass drei ausfallsichere Systeme verwendet werden. Bei elektrischen Systemen haben wir mehr Redundanz als vorher und somit mehr Sicherheit", sagte er. AWIATOR ist ein weiteres unter dem RP5 finanziertes Technologieplattform-Projekt mit 23 Partnern aus der EU und Israel, das Mitte 2007 abgeschlossen werden soll. AWIATOR untersucht nur die Tragfläche und Möglichkeiten der Energieeinsparung. Die Tragfläche ist der älteste und am stärksten angepasste Teil des Flugzeugs. Durch die Tragfläche wird das Fliegen erst ermöglicht. Es gibt jedoch immer noch eine große Zahl von Anpassungen und Verbesserungen, die an dieser wichtigsten Komponente vorgenommen werden können. Verschiedene Arbeitsprogramme untersuchen Fragen wie das Management von Turbulenzen und Wirbeln, die Ladekontrolle, den Entwurf spezifischer Tragflächenteile zur Reduzierung von Lärm und Treibstoffverbrauch, Spoilerentwurf, Tragflächenlängen und Flügelspitzen. Jens König von Airbus Deutschland ist der Projektmanager für interdisziplinäre Projekte für AWIATOR. "Für Juli bis Dezember 2006 sind 45 Testflugstunden in einem Airbus A340 geplant. Der A340 ist bereits ein altes Flugzeug, aber diese Technologien werden für die künftige Flugzeugverwendung entwickelt", sagte er. König stellte heraus, dass viele der Arbeitsprogramme von KMU geleitet werden und dass das Technologieplattform-Konzept Universitäten in den Prozess einbindet, wodurch wiederum die Kette der Innovation weiterentwickelt wird. Er ist jedoch ebenfalls der Meinung, dass eine umfangreiche Verbesserung nötig sein könnte, und führte die Gemeinsame Technologieinitiative CLEAN SKY als einen möglichen Ausgangspunkt an. Was den durch das Flugzeug erzeugten Lärm betrifft, so zielt die Technologieplattform SILENCE(R) auf die Entwicklung von Technologien zur Reduzierung der absoluten Lärmmenge des Flugzeugs ab. "Wir haben 35 große Prototypen getestet", sagte Eugène Kors vom Projektkoordinator Snecma. "Einige Lösungen sind auf verschiedene Flugzeuge anwendbar. Wir haben jetzt 14 verschiedene Plattformen identifiziert, um zu ermitteln, welche am besten zu jedem Flugzeug passen", so Kors. Das Ziel des Projekts ist die Reduzierung des von Flugzeugen erzeugten Lärms um zehn Dezibel (dB) bis zum Jahr 2016. Das Projekt konzentriert sich hauptsächlich auf das Fahrwerk, die Triebwerke und Auftriebserzeuger. Wie bei dem ANTLE-Projekt können zahlreiche Verbesserungen und Anpassungen an einem Triebwerk vorgenommen werden, und die Triebwerke scheinen die offensichtlichste Lärmquelle zu sein. Dies ist Kors zufolge jedoch nicht so. "50 Prozent des beim Starten und Landen des Flugzeugs erzeugten Lärms entsteht durch das Fahrwerk." Entwürfe verschiedener Untergruppen wurden in Windtunneln und an fliegenden Prototypen getestet. Viele der Innovationen wie beispielsweise neu entworfene Einlassventile haben bereits Lärmreduzierungen bewirkt, ohne die Leistung nennenswert zu reduzieren. Andere Technologien wie Single Panels für das Jet Intake wurden bei neueren Flugzeugen wie dem A380 übernommen. Prototypen haben solide Verbesserungen von neu entworfenen Auspuffen und Auspuffstopfen gezeigt. Aktive Technologien wie an den saugenden Ventilatoren sind viel versprechend ebenso wie abgeschrägte Einlässe für die Triebwerkräume. Aktive Technologien spielen eine zusätzliche Rolle in dem ARTIMA-Projekt, das "intelligente" Technologien verwendet, um neue Methoden zur Verbesserung der Leistung und Durchführung von Diagnosetests zu finden. Gregorio Kawiecki ist der Leiter für Forschung und Entwicklung (F&E) bei Gamesa Desarrollos Aeronáuticos. Um zu erklären, wie intelligente Stoffe in Flugzeugen verwendet werden, schilderte Kawiecki, was genau intelligente Stoffe sind. "Ein intelligenter Stoff hat besondere Eigenschaften. Er kann seine Beschaffenheit in Abhängigkeit von externen Feldern wie magnetischen oder elektrischen Reizen verändern." Kawiecki erklärte, dass gewöhnliches Steinsalz, wie man es in der Küche verwendet, die Eigenschaften eines intelligenten Stoffes besitzt. "Wenn man elektrischen Strom durch den Stoff leitet, wächst er etwas. Wird der Strom in die andere Richtung durchgeleitet, schrumpft er. Stellen Sie sich jetzt vor, ein Backstein aus diesem intelligenten Stoff wäre an einen Tisch angebracht. Wenn ich den Backstein ausdehne oder zusammenziehe, wird sich der Tisch dadurch biegen. Jetzt stellen Sie sich vor, ich leite den Strom nur für eine Sekunde hindurch. Die plötzliche Ausweitung wird eine Stoßwelle verursachen." Diese beiden Eigenschaften haben sich als äußerst nützlich erwiesen, sowohl um das Flugzeug effizienter zu machen als auch für das Auffinden von Mängeln in den Flugzeugstrukturen. Wenn das intelligente Material an einen vibrierenden Teil des Flugzeugs angebracht wird, könnte es verwendet werden, um die Vibration aktiv zu dämpfen. Weil die Vibrationen durch Widerstände oder andere Effekte Ineffizienz verursachen, könnte sich dies alleine als energiesparend erweisen. "Wir können durch ein piezoelektrisches Gerät eine zehnprozentige Reduzierung der Tragflächenvibration bewirken", sagte ein begeisterter Kawiecki. Die zweite Eigenschaft - der plötzliche Stoß - kann verwendet werden, um Fehler in Metallteilen zu finden. Es können Sensoren angebracht werden, um wie bei der Sonar- oder Radartechnik herauszufinden, wie sich die Stoßwellenreflektionen verhalten. Falls es Fehler bei den Reflektionen gibt, dann gibt es auch Fehler in der Komponente. Kawiecki erklärte, dass die Technologie zur Ermittlung von Schäden nachgewiesenermaßen verschiedene Fehlergrade identifiziert. Langfristig könnten diese beiden Verwendungen einer sehr einfachen Technologie genutzt werden, um sofort Schäden oder Fehler am Flugzeug festzustellen, sowohl in Bezug auf die Konstruktion als auch das Flugverhalten, um das Fliegen sicherer zu machen, Vibrationen zu reduzieren und somit die Treibstoffeffizienz zu erhöhen. Die Technologie des ARTIMA-Projekts hat sich als einsatzbereit und kostengünstig erwiesen - was immer ein Plus für neue Technologien ist. Bei den Tests hat Kawiecki herausgefunden, dass "die Komponenten die Stoßwellenkosten auf lediglich neun Euro beschränkten". Aufgrund neuer Entwicklungen im Flugzeugbau werden außerdem Komponenten, insbesondere größere Komponenten und Panels, sehr viel leichter hergestellt werden können. Das unter dem RP5 finanzierte AGEFORM-Projekt ist ein Verfahren zum Schmelzen von Metall, insbesondere Aluminium-Lithium-Legierungen, mit sehr hoher Präzision. Der Projektkoordinator von ALCAN, Frank Eberl, erklärte, dass das Vakuumverfahren neue Hoffnung für die Metallindustrie gebracht habe, da ständig stärkere und flexiblere Legierungen entwickelt würden, was die Langlebigkeit der Metallteile sicherstelle. Das entwickelte Verfahren könnte zu einer drastischen Reduzierung der Produktions- und Entwicklungszeit und somit zu massiven Kosteneinsparungen führen. Der Altersformungsprozess bringt das Schmelzen von Legierungen auf ein sehr hohes Präzisionsniveau, aber Projekte wie INCA haben untersucht, wie Fehler in anscheinend perfekten Teilen gefunden werden können. Für das unter dem RP5 finanzierte Projekt wurden Partner in den USA und Kanada gesucht, "aber wir wollten eine europäische Basis für diese Technologie", erklärte Dr. Sönke Seebacher von Airbus, der das Projekt koordinierte. "INCA ist ein KMU-orientiertes Projekt, das technische Ergebnisse für neue technische Verfahren sowohl für die Herstellung als auch für die Wartung liefern soll", sagte er. Das Team untersuchte neben anderen Verfahren mit exotischen Namen Thermographie, Shearographie, neue Wirbelstromsonden, Röntgenstrahlen, Resonanztechniken und Datenfusion. Das wichtigste Verfahren ist jedoch vielleicht der Laserultraschall, der die Integrität gekrümmter Objekte sehr detailliert untersuchen kann. Diese Komponente erforderte Input von dem kanadischen Team, das das Verfahren erfunden hat, und von US-Unternehmen, die die Technik bereits kommerziell nutzen. Das Geld aus dem Rahmenprogramm kann in einer Vielzahl von Sektoren verwendet werden. Die moderne Luftfahrtindustrie ist derart komplex, dass viele Projekte nur im Rahmen einer Zusammenarbeit durchgeführt werden können und genaues, häufig einzigartiges technisches Fachwissen zum Erzielen von Effizienz erfordern. Solche Projekte sind der Inhalt des Rahmenprogramms - Zusammenarbeit, um nach praktischen Lösungen für Probleme zu suchen und diese auf den Markt zu bringen. Alle oben aufgeführten Programme zielen darauf ab, den Flugverkehr günstiger, leichter, effizienter, komfortabler, sauberer und vor allem sicherer zu machen, und zwar nicht nur für die europäische Luftfahrtindustrie, sondern für die europäische Wirtschaft und somit für uns alle.
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