Auf dem Weg zu energieeffizienteren Flugzeugen
Die Verringerung der Kohlendioxid- und Stickoxidemissionen von Flugzeugen steht in direktem Zusammenhang mit dem Kraftstoffverbrauch, dem Luftwiderstand und dem Gewicht eines Flugzeugs. Die Reduzierung des Oberflächenwiderstands, der die Vorwärtsbewegung während des Fluges bremst, trägt daher dazu auch dazu bei, die Umweltauswirkungen schädlicher Emissionen zu reduzieren. „Nicht nur die Form des Flugzeugwerks, sondern auch einige Geräte, die auf das Strömungsfeld einwirken, bestimmen den Luftwiderstand", sagt DRAGY-Projektkoordinator Gabriel Bugeda, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen beim Internationalen Zentrum für Numerische Berechnungsverfahren im Ingenieurswesen (CIMNE), an der Technischen Universität Kataloniens (UPC) in Barcelona, Spanien. Einige der vielversprechendsten Geräte, die zu Anfang des Projekts ermittelt wurden, wurden in Laborexperimenten mithilfe numerischer Analysen überprüft, die auf neuen Berechnungs- und Simulationstechniken zur Analyse von Strömungsstrukturen basiert. „Wir haben Alternativen zur Widerstandsverminderung mit aktiven Geräten analysiert, die für ihren Betrieb Energie benötigen, wie rotierende Scheiben, pulsierende Düsen und sogar Riblets“, sagt Bugeda. Riblets sind gerippte Oberflächen in Luftstromrichtung, die den Widerstand gegenüber glatten Oberflächen vermindern können.
Geräte, die zur Reduzierung des Luftwiderstands beitragen
Riblets und andere Geräte wie Plasmastellglieder, bei denen eine kleine Menge Luft mithilfe von Plasmageräten in das Strömungsfeld injiziert wird, können den Widerstand verringern. „Das sind die beiden vielversprechendsten Geräte“, sagt Bugeda und fügt hinzu, dass Pulsdüsen, die eine bestimmte Menge an Flüssigkeit in einer pulsierenden Aktion anstelle eines konstanten Stroms injizieren sowie rotierende Scheiben für zusätzlichen Flüssigkeitsdruck ebenfalls Potenzial haben. „Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass einige dieser Geräte bis zu 40 % des Oberflächenwiderstands mindern können. Das ist neu, aber immer noch auf einem sehr niedrigen technologischen Entwicklungsstand", sagt Bugeda. Dennoch könnte dies bei Treibstoffkosten von mindestens 30 % der Betriebskosten eines Verkehrsflugzeugs eine erhebliche Einsparung darstellen. „Ein Flugzeug könnte viele dieser Vorrichtungen am Rumpf oder den Tragflächen haben", erläutert Bugeda. Es zahlt sich auch deswegen aus, denn: „Diese Geräte sind sehr schwer und brauchen Energie, um zu funktionieren. Wir haben die ‚Kosten‘ dieser Geräte noch nicht beziffert, aber es ist dennoch eine wichtige Erkenntnis.“ Neben den Triebwerken und anderen Teilen des Flugzeugs werden herkömmliche Konfigurationen bald ganz optimiert werden können. „Aber wir haben im Labor bestätigt, dass durch die Analyse dieser Geräte noch Verbesserungen möglich sind", sagt Bugeda.
Umsetzung in größerem Maßstab
Die Umsetzung in einem größeren Maßstab ist nach wie vor eine große Herausforderung. „Diese Geräte wirken auf engstem Raum auf das Strömungsfeld ein“, stellt Bugeda fest. „Es ist nicht einfach, die Ergebnisse dieser Experimente [im Labor] auf echte Flugzeuge zu übertragen. Deshalb müssen die Experimente so gut wie möglich in realen Größenordnungen erfolgen, und das ist im Labor nicht immer möglich.“ Für dieses Projekt arbeiten europäische Institutionen und China zusammen, wobei die Kosten in China vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie in Peking übernommen werden. Daher konnte das Projekt die Vorteile der Großversuchsanlagen an der Universität Zhejiang, der Polytechnischen Universität Nordwestchinas, der Universität Peking und der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking nutzen. Bei der numerischen Analyse liegt die Hauptschwierigkeit in der benötigten Computerleistung, erklärt Bugeda. „Es ist noch nicht marktreif“, sagt Bugeda und stellt fest, dass solche Technologien für den Einsatz in realen Flugzeugen in zukünftigen Kooperationsprojekten weiterentwickelt werden.
Schlüsselbegriffe
DRAGY, Flugzeug, China, Luftwiderstand, energieeffizient, Emissionen, Riblets, aerodynamisch, Luftstrom, Pulsdüsen, Kohlendioxid, Stickoxid
