Für die Erreichung der Klimaziele des Green Deal werden Verkehrsflugzeuge künftig mit anderen und in jedem Fall teuren Energieträgern fliegen. Auch Wasserstoff oder e-Fuels (Sustainable Aviation Fuel: SAF) werden bei einer Verbrennung in Triebwerken Emissionen erzeugen. Die Reduktion des Energieverbrauchs ist daher weiterhin ein zentrales Element, die Luftfahrt künftig ökologisch wie ökonomisch effizient zu gestalten. Der Systemleichtbau leistet für die Reduktion des Energieverbrauchs entscheidende Beiträge, sowohl hinsichtlich des Gewichts wie auch in Bezug auf die Widerstandsreduktion.
Dafür wird eine Integration möglichst vieler Funktionselemente eines Flugzeugs in die lasttragende Struktur angestrebt. Solche Elemente sind beispielsweise aerodynamische Verkleidungen, Kabinenausstattungen, elektrische Leitungen, Antennen und Energiespeicher.
Der Systemleichtbau ist eine Erweiterung des klassischen Leichtbaus, was besonders deutlich wird in seiner Wechselwirkung mit der Aerodynamik. Durch die Integration passiver und aktiver Funktionen macht er es erst möglich, Technologien zur aerodynamischen Strömungsbeeinflussung zu realisieren und trägt damit erheblich zur Reduktion des Reibungswiderstands bei.
Um das Potenzial zu verdeutlichen, möchten wir an dieser Stelle ein paar beispielhafte Zahlen betrachten: Für ein Kurzstrecken-Flugzeug bedeutet die Reduktion des Abfluggewichts um eine Tonne bei einer Reisefluglänge von 2.000 nautischen Meilen eine Treibstoffeinsparung von 171 Liter Kerosin oder SAF-Treibstoff. Flugzeuge dieser Klasse werden auf 60.000 Flugzyklen ausgelegt. Durch die Reduktion des Abfluggewichtes werden damit im Laufe eines Flugzeuglebens 10,3 Millionen Liter Treibstoff eingespart. Dabei sind die energieintensive Startphase sowie die Zusatzeinsparungen aus dem reduzierten Treibstoffgewicht beim Abflug nicht berücksichtigt. Wird eine 100 %ige Verfügbarkeit von SAF im Jahr 2050 und ein optimistischer Preis von 0,2 €/kWh angenommen, so spart eine Tonne Abfluggewicht knapp 20 Millionen € während des Flugzeuglebens.
Wird von einer weiteren Nutzung fossiler Treibstoffe ausgegangen, ergibt sich für das betrachtete Beispiel eine Einsparung von 25.800 t CO2 . Da der Preis für Kerosin bis 2050 durch höhere Gestehungskosten und Emissionszertifikate ebenfalls steigt, werden auch in diesem Fall Treibstoffkosten eingespart.
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zeichnen sich durch die höchsten (gewichts-)spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten aus. Dieser Umstand, verbunden mit der Korrosionsbeständigkeit und sehr hoher Ermüdungsfestigkeit, haben bei Verkehrsflugzeugen der letzten Generation dazu geführt, dass der Anteil von CFK an der Primärstruktur auf mehr als 50 % erhöht wurde. Noch sind die Potenziale dieser Werkstoffklasse aber bei Weitem nicht ausgeschöpft. Zudem bieten die Möglichkeiten der Integralbauweise und der Funktionsintegration bei Faserverbunden weiteres Potenzial im Sinne des Systemleichtbaus – auch im Zusammenwirken mit der Aerodynamik.
Die Forschung unseres Instituts zielt darauf ab, die ökologische und ökonomische Effizienz bestehender und künftiger Verkehrsflugzeuge weiter zu steigern. Gewichtseinsparungen sind bis zu mehreren Tonnen Abfluggewicht möglich und erlauben gemeinsam mit Maßnahmen für die natürliche und hybride Laminarhaltung weitere signifikante Energieeinsparungen. Viele Beiträge dieses Innovationsberichts, wie auch Artikel aus denen vergangener Jahren, beschreiben Ergebnisse, die zur Zielerreichung des Green Deal in der Luftfahrt beitragen können. Sprechen Sie uns gerne an.
