Auf dem Weg in eine emissionsfreie Mobilität bietet die Integration von Energiespeichern in Luftfahrtstrukturen einen neuen Ansatz, um Gewicht und Volumen zu reduzieren. Ermöglicht wird dies durch die wechselseitige Substitution von Struktur und Energiespeicher. Die Struktur übernimmt dabei Funktionen des Energiespeichers, während dieser mechanische Lasten aufnehmen kann. Das Vereinen von Struktur und Energiespeicher macht es z. B. möglich, das Gehäuse des Energiespeichers wegzulassen, um die Gesamtmasse des Systems zu reduzieren. Weiterhin kann der Energiespeicher die Struktur entlasten, indem er mechanische Lasten überträgt. Durch die Möglichkeit, den elektrischen Speicher dezentral am Verbraucher anzuordnen, ergeben sich weitere Potenziale zur Gewichtseinsparung, da der Verkabelungsaufwand reduziert wird. Werden zusätzlich die intrinsischen sensorischen Fähigkeiten der integrierten Energiespeicher genutzt, erweitern sich die Anwendungsmöglichkeiten. So können Parameter, wie die Temperatur oder mechanische Dehnungen, ohne zusätzliche Sensoren erfasst und zur Überwachung der Struktur verwendet werden. Anhand strukturintegrierter Superkondensatoren wird dies erforscht.
Ein Bauteil – viele Funktionen
Das Speicherprinzip eines Superkondensators basiert, ähnlich dem einer Batterie, auf Ionenwanderung. Während die Energiespeicherung der Batterie hauptsächlich auf elektrochemischen Prozessen beruht, arbeitet der Superkondensator auf Basis physikalischer Ladungsverschiebung. Diese bieten eine hohe Lebensdauer (>10 * 106 Lade-Entladezyklen), was den Superkondensator für eine Integration in eine Faserverbundstruktur prädestiniert. Der gesamte Aufbau zeigt dabei ein temperatur- und lastabhängiges Verhalten. Somit ist es möglich, den Energiespeicher als Temperatur- und Dehnungssensor zu verwenden, um Informationen über den Belastungszustand der Struktur zu erhalten. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte eignen sich Superkondensatoren für Rekuperationsanwendungen wie beispielsweise die Rückgewinnung von Bremsenergie. Auch die Versorgung seiner eigenen Auswerteelektronik zur Erfassung der sensorischen Effekte wäre denkbar: ein autarker Alleskönner.
Den Effekten auf der Spur
Um die sensorischen Effekte bewerten zu können, werden definierte Lastzustände im Labor abgebildet. So wird eine Faserverbundstruktur mit integrierten Superkondensatoren verschiedenen Beanspruchungen wie Zug- oder Biegelasten ausgesetzt. Die während der Belastung entstehende mechanische Deformation der Struktur und ihre integrierten Superkondensatoren werden über ein optisches Messverfahren aufgezeichnet. Lastabhängige elektrochemische Effekte im Superkondensator werden zusätzlich mittels einer Impedanzspektroskopie erfasst. Daraus wird eine Frequenz- und lastabhängige Impedanz ermittelt. Die Bewertung der lastabhängigen Impedanzverläufe erfolgt mit Hilfe elektrischer Ersatzschaltbilder, die das Verhalten der integrierten Superkondensatoren modellhaft abbilden. Daraus können Erkenntnisse über die zugrundeliegenden physikalischen Effekte und die entscheidenden Einflussgrößen gewonnen werden. Weiterhin wird untersucht, inwieweit Effekte durch mechanische Lasteinwirkung von denen durch Temperatureinwirkung getrennt werden können.
