Triebwerksinnovationen für umweltfreundlicheren Luftverkehr
Die Luftfahrtindustrie ist zwar für die europäische Wirtschaft von entscheidender Bedeutung, aber sie verursacht auch einen bedeutenden Anteil der Treibhausgasemissionen. „Wir geben einfach zu viel CO2 in die Atmosphäre ab“, sagt David Powell, Koordinator des Projekts ROTATOR von Magnomatics im Vereinigten Königreich. „Die Luftfahrtindustrie weiß das. Die gegenwärtige Situation der Nullbesteuerung von Flugzeugtreibstoff und der Befreiung von Emissionsgebühren wird sich wahrscheinlich ändern, was einen enormen Anreiz in Bezug auf Investitionen in treibstoffsparende Technologien darstellt.“
Propfan-Triebwerkstechnologie
Eine zentrale Herausforderung besteht darin, kosteneffiziente, sichere und zuverlässige Methoden zu finden, mit denen sich die Emissionen des Luftverkehrs wirkungsvoll reduzieren lassen. Eine potenzielle Lösung, die zunehmend auf Interesse stößt, ist die neue Triebwerkstechnologie Open Rotor/Propfan. Propfan-Architekturen sind durch zwei Sätze von Propellerblättern ohne äußere Triebwerksverkleidung gekennzeichnet und sind dafür ausgelegt, den Turbinenschub effizient zu steigern und dadurch den Treibstoffverbrauch und die Emissionen zu senken. „Wenn es uns gelingt, den Treibstoffverbrauch um 20 % zu senken, wird das ein Wendepunkt für den Luftverkehr sein“, fügt Powell hinzu. Das Ziel des EU-finanzierten Projekts ROTATOR bestand darin, diese Technologie durch den Ersatz der Hydraulik durch ein elektromechanisches magnetisches Steuersystem voranzubringen, was dem Bestreben nach einer stärkeren Elektrifizierung von Luftfahrzeugen entspricht. Bei Propfan-Triebwerken ist eine konstante und präzise Einstellung des Blattwinkels wichtig, um die Treibstoffeinsparungen zu maximieren. Bisher wurde der Winkel der Schaufelblätter mithilfe hydraulischer Systeme gesteuert. Systeme dieser Art erfordern jedoch eine umfangreiche Wartung, um das Auslaufen von Hydraulikfluid zu verhindern, und können mit weiteren technischen Problemen behaftet sein.
Hydraulik durch elektromechanische Steuerung ersetzen
Um die Realisierbarkeit einer elektromechanischen Lösung zu demonstrieren, brachte das Projektteam eine Reihe von Fachleuten aus Wissenschaft und Industrie zusammen. Gemeinsam arbeiteten sie an der Entwicklung von fehlertoleranten magnetischen Getriebemotoren, Hochtemperatur-Siliziumkarbid-Elektronik, elektromagnetischen rotierenden Leistungsübertragungsvorrichtungen und Leichtbaukomponenten. „Eine Herausforderung bestand von Anfang an darin, herauszufinden, wie sich diese Elektronik in einer derart schwierigen Umgebung verhalten würde“, erklärt Powell. „Ein Propfan-Triebwerk dreht sich mit über 1 000 Umdrehungen pro Minute und arbeitet bei hohen Temperaturen. Stellen Sie sich vor, Sie stecken Elektronik in eine bei hoher Temperatur schleudernde Waschmaschine.“ Eine weitere Herausforderung war die Entwicklung magnetischer, mechanischer und elektronischer Komponenten in geeigneter Größe passend zum Triebwerk. Das Team nutzte Simulationswerkzeuge, um zu verstehen, wie das System funktionieren würde und welche Werkstoffe der Umgebung am besten standhalten könnten.
Erhebliche Treibstoffeinsparungen erzielen
Einen wichtigen Erfolg, so Powell, stellte die Entwicklung und der Bau eines Blattsteigungswinkel-Steuerungsmechanismus in Originalgröße dar. Er wurde am Hauptsitz von Magnomatics in Sheffield erprobt, um seine Realisierbarkeit vorzuführen. „Wir lagen nur 15 % über der als Ziel festgesetzten Masse, womit wir sehr zufrieden waren“, fügt Powell hinzu. „Mit dem System konnten die von uns gestellten Anforderungen erfüllt werden, etwa die Genauigkeit der Blattposition und die Zeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Position zu erreichen. Wir sind zuversichtlich, dass wir auch unsere Zielmasse erreichen können.“ Innerhalb des Gesamtsystems wurde auch eine Reihe von Einzeltechnologien mit Erfolg weiterentwickelt. Dazu zählten Arbeiten an rotierenden elektromagnetischen Leistungsübertragungsvorrichtungen, an Hybridkomponenten aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen und Metall sowie an einem zweikanaligen magnetischen Getriebemotor. „Das hat den Vorteil, dass wir bei einer Störung eines Kanals weitermachen können, als wäre nichts passiert“, erläutert Powell. Seiner Meinung nach konnte im Rahmen des Projekts vor allem gezeigt werden, wie mithilfe des Ersatzes der Hydraulik durch einen elektromechanischen Antrieb die Propfan-Triebwerkstechnologie zu einer attraktiven Option, verbunden mit erheblichen Treibstoffeinsparungen, werden kann. „Wir hoffen, dass diese Arbeit zu einem sicheren und schnellen Einsatz der Propfan-Triebwerkstechnologie führt und letztlich Millionen Tonnen CO2 im Kampf gegen den Klimawandel eingespart werden können“, sagt er.
Schlüsselbegriffe
ROTATOR, Triebwerk, Luftverkehr, elektromechanisch, Emissionen, Rotor, CO2
