Ein bahnbrechendes, optimiertes Konzept für ein Hybridelektro-Pendlerflugzeug
In einer zunehmend vernetzten Welt mit geografisch getrennten Unternehmen und Menschen ist der Luftverkehr für die Wirtschaft und den sozialen Zusammenhalt von entscheidender Bedeutung. Der Luftfahrtsektor hat jedoch erhebliche Umweltauswirkungen, vor allem in Bezug auf Lärm und Emissionen. Die CO2-Emissionen aller Flüge, die von Flughäfen der 27 EU-Länder und der Europäischen Freihandelsassoziation ausgehen, sind gestiegen von 2005 bis 2019 um 34 % gestiegen. Der Luftverkehr hat aufgrund seiner CO2-Emissionen und nicht durch CO2 bedingte Auswirkungen einen Anteil von mehr als 3 % der anthropogenen Auswirkungen auf die globale Erwärmung. Um nicht vom Weg zur Klimaneutralität bis 2050 abzukommen, sind radikale technische Schritte und kontinuierliche Forschungsanstrengungen erforderlich. Die meisten Flugzeuge fliegen weiterhin mit fossilen Brennstoffen, daher bilden nachhaltige Flugzeugtreibstoffe einen wichtigen Forschungsbereich. Auf lange Sicht sind jedoch revolutionäre Konzepte zur Verbesserung der Triebwerkseffizienz und die Entwicklung hin zu mehr elektrischen und schließlich rein elektrischen Flugzeugen jedoch sein erforderlich, um den richtigen Weg einzuschlagen. Das EU-finanzierte Projekt HECARRUS hat sich dieser kritischen Notwendigkeit angenommen und ein Pendlerflugzeug mit Hybrid-Elektro-Antrieb für 19 Passagiere konzipiert, das nahezu klimaneutral betrieben wird.
Fortgeschrittene Simulationen und numerische Untersuchungen von Flugzeugen mit Hybrid-Elektro-Antrieb
Batterieelektrische Flugzeuge weisen keine direkten Gas- und Partikelemissionen, geringere Lärmemissionen, eine hohe Effizienz und potenziell niedrigere Betriebs- und Wartungskosten auf. Laut Anestis Kalfas und Vasilis Gkoutzamanis vom Projektkoordinator Aristoteles-Universität Thessaloniki wurden „nur eine Handvoll Erstflüge von zertifizierten Elektroflugzeugen durchgeführt, die sich auf 2-/4-sitzige Elektroflugzeuge beschränken, die hauptsächlich für die Pilotenausbildung bestimmt sind. Die derzeit verfügbaren Batterietechnologien (Energiedichte und Gewicht) schränken die Größe von Flugzeugen stark ein und sind das Haupthindernis auf dem Weg zu einer batteriebetriebenen Luftfahrt.“ HECARRUS hat sich zum Ziel gesetzt, diese Entwicklung durch fortschrittliche Simulationen und numerische Untersuchungen zu beschleunigen, wobei mehrere bahnbrechende Konfigurationen, Architekturen und Lösungen in Betracht gezogen werden, die die effizientesten Gasturbinentriebwerke mit Stromgeneratoren und fortgeschrittenen Batterietechnologien verbinden. Gkoutzamanis stellt fest: „Die Zukunft liegt in Hybridtechnologien. Nicht nur Hybrid-Elektro, sondern Hybrid im Allgemeinen: Die Forschung konzentriert sich beispielsweise auf die Integration mehrerer Arten von Antrieben, wie thermische und elektrische Antriebe, um Schub zu erzeugen, mehrere Arten von Verbrennungseigenschaften, um die Emissionen zu optimieren, und mehrere hochmoderne Bauteile und Merkmale der Flugzeugzelle.“ Neben der konzeptionellen Gestaltung zielte die Grundlagenforschung darauf ab, die Vorteile der Hybridisierung in der regionalen Luftmobilität und die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen beim Einsatz neuer Antriebsarchitekturen zu ermitteln.
Neue Wege für eine nachhaltige Luftfahrt beschreiten
Die Kopplung der verschiedenen Flugzeugkomponenten in Flugzeugen mit Hybrid-Elektro-Antrieb stellt eine Herausforderung dar, die HECARRUS mit seinen Konstruktionswerkzeugen und Simulationen mit hervorragenden Ergebnissen bewältigt hat. „HECARRUS hat erfolgreich das Konzept eines Pendlerflugzeugs für 19 Passagiere mit nahezu Klimaneutralität auf Basis eines Hybrid-Elektro-Antriebs erstellt. Dazu zählten die Entwicklung, Integration und Optimierung der Hauptkomponenten der Konfiguration, die die Gasturbine, die elektrische Energieversorgung und die Wärmemanagementsysteme sowie das Flugzeug selbst über das gesamte Missionsprofil umfasst“, erklärt Gkoutzamanis. Die Analysen und die Quantifizierung des potenziellen Nutzens zeigen, dass die vorgeschlagene HECARRUS-Konfiguration die CO2-, Stickoxid- und Lärmemissionen von Pendelflugzeugen für 19 Passagiere um 34,3 %, 30,5 % bzw. 20,0 % senken kann. „Wir haben das enorme Potenzial verdeutlicht, das selbst ein kleineres Flugzeug für die Nachhaltigkeit in der Luftfahrt haben kann, und wie es zu einer bahnbrechenden Vorlage für künftige Konstruktionen werden kann“, so Kalfas abschließend. Die im Projekt erstellten Modelle werden dieses Unterfangen unterstützen. Zusammen mit den gewonnenen Erkenntnissen und den im Rahmen von HECARRUS ausgebildeten Forschenden wird das Projekt dazu beitragen, den Luftfahrtsektor wieder auf den Weg zu bringen, bis 2050 nahezu Klimaneutralität zu erreichen.
Schlüsselbegriffe
HECARRUS, Flugzeug, Luftfahrt, Hybrid-Elektro-Antrieb, Batterie, Pendlerflugzeug, Gasturbine
