H2, Polymere, Öko-Fuels: So soll Luftfahrt sauber werden

Wenn es darum geht, den Luftverkehr umweltfreundlicher zu machen, können kleine Teile einen großen Unterschied machen. Flugzeugklappen und Notstromaggregate sind wichtige Komponenten bei den Bemühungen, den Beitrag der Luftfahrtindustrie zur globalen Erwärmung zu verringern. Bei jedem Start und jeder Landung werden die Klappen an den Tragflächen eines Flugzeugs ein- oder ausgefahren, um die Stabilität zu gewährleisten. Gleichzeitig erinnern sie visuell daran, dass ein Flugzeug aus Tausenden von komplizierten Teilen besteht. Die Neugestaltung einiger dieser Komponenten könnte auch dazu beitragen, den Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid zu verringern. Der Luftverkehr ist für etwa 2,5 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich.

Nachhaltige Kraftstoffe für die Luftfahrt

„Wir müssen bei der Reduzierung der Treibhausgase die Führung übernehmen“, sagt Yan Duranteau vom französischen Luft- und Raumfahrtkonzern Safran, „die Flugzeuge müssen sauberer werden“. In der Debatte um die Ökologisierung der Luftfahrt wird Themen wie alternativen Kraftstoffen viel Aufmerksamkeit geschenkt. Im April dieses Jahres hat sich die EU darauf geeinigt, verbindliche Ziele für die Verfügbarkeit nachhaltiger Flugkraftstoffe in Europa festzulegen.

Die neue ReFuelEU-Gesetzgebung sieht vor, dass die Anbieter ab 2025 sicherstellen müssen, dass zwei Prozent des an EU-Flughäfen gelieferten Treibstoffs nachhaltig ist. Dieser Anteil steigt bis 2030 auf sechs Prozent, bis 2035 auf 20 Prozent und bis 2050 auf 70 Prozent.

Aber auch andere Maßnahmen sind sinnvoll. Leichtere Flugzeuge beispielsweise können den Treibstoffverbrauch und damit die Emissionen senken: Eine Strategie, die das von der EU geförderte Projekt SWING verfolgte, das im September 2022 nach drei Jahren zu Ende ging.

„Wir brauchen alle Lösungen, um den Klimawandel zu bekämpfen“, betont Christophe Cornu, SWING-Koordinator und Wissenschaftler am Centre Technique des Industries Mécaniques (Cetim). „Dazu gehört auch die Gewichtsreduzierung.“

Recyclingfähige Polymere für die vorderen Klappen der Tragflächen

SWING konzentrierte sich auf die Krügerklappen, die sich an der Vorderseite des Flugzeugflügels befinden. Bei Start und Landung werden diese Klappen ausgefahren, um den Flügel zu vergrößern und seine aerodynamische Form zu verändern. Dadurch erhält das Flugzeug in den kritischen Momenten bei niedrigen Geschwindigkeiten mehr Stabilität. SWING hat ein neues Design für diese Klappen entwickelt, bei dem thermoplastische Polymere verwendet werden, ein Material, das recycelt werden kann und leichter ist als die üblichen Metalle.
„Wir haben das Gewicht des Bauteils um fast 20 Prozent reduziert“, sagt Cornu.

Er hofft, dass die im Projekt entwickelten Materialien nicht nur für die Krueger-Klappe, sondern auch für andere Teile verwendet werden können. „Es gibt noch viel zu erforschen, zu entwickeln und zu testen“, fügt Cornu hinzu. "Aber wenn wir ein Flugzeug komplett mit diesen neuen Materialien umbauen, könnten wir seine Emissionen um bis zu 20 Prozent senken.

Flugzeug-Notstrom per Wasserstoff

Eine weitere Flugzeugkomponente, die neu überdacht wird, ist das Notstromaggregat. Im Falle eines Stromausfalls ermöglicht es den kontinuierlichen Betrieb wichtiger Systeme wie der Flugsteuerung. Derzeit wird in zivilen Flugzeugen häufig eine kleine Windturbine als Notstromaggregat eingesetzt. Die Rotation dieser sogenannten Stauluftturbine, die während des Fluges aus dem Flugzeugrumpf herausragt, treibt einen elektrischen Generator oder eine Hydraulikpumpe an.

Das von der EU finanzierte Projekt FLHYSAFE, das im vergangenen Monat nach fünfeinhalb Jahren abgeschlossen wurde, hatte zum Ziel, das bestehende System durch eine wasserstoffbetriebene Alternative zu ersetzen. Hauptziel des neuen Systems ist es, die Sicherheit von Flugzeugen zu erhöhen und gleichzeitig Umweltvorteile zu erzielen.

„Eine Turbine kann nicht für jeden Flug überprüft werden – es wäre zu kompliziert, die Luftgeschwindigkeiten am Boden zu erzeugen, um die Turbine zum Drehen zu bringen“, erklärt Duranteau von Safran, der das FLHYSAFE-Projekt koordiniert hat. „Ein Brennstoffzellensystem hat jedoch den Vorteil, dass es kontinuierlich überwacht werden kann, um mögliche Ausfälle zu erkennen und zu vermeiden, was die Sicherheit erhöht.“

Die Wissenschaftler des Projekts sind zuversichtlich, dass ihr System, das jetzt getestet wird, unter Notfallbedingungen eine bessere Leistung erbringt als die derzeit verwendeten Turbinen. Das Team hat eine zusätzliche Motivation: Es will beweisen, dass Wasserstoff in der Luftfahrt funktionieren und als emissionsfreier Treibstoff dienen kann.
„Wenn wir über spezifische Teile wie diese nachdenken, können wir Wasserstoff für die Luftfahrt besser verstehen“, sagt Duranteau. „Ein Notstromaggregat ist ein komplexes System mit vielen Einschränkungen. Wenn es uns gelingt, dieses System mit Wasserstoff zu betreiben, sind wir einen großen Schritt weiter.“

Die ReFuelEU-Gesetzgebung sieht Wasserstoff als Teil eines nachhaltigen Kraftstoffmixes vor und soll die schrittweise Dekarbonisierung des Luftverkehrs unterstützen.

Nachhaltigkeitsprojekt eher Langstrecke als Kurzstrecke

Das von FLHYSAFE entwickelte Notstromaggregat und die neu gestalteten Klappen aus dem SWING-Projekt haben das Potenzial, in bestehenden Flugzeugen eingesetzt zu werden. Aufgrund der langen Entwicklungs- und Zertifizierungszeiten in der Luftfahrt würde ihre tatsächliche Einführung jedoch nicht vor 2030 erfolgen. Die neuen Teile müssen sich auch nahtlos in die anderen Teile eines Flugzeugs integrieren.

„Wir haben noch einen langen Weg vor uns“, erklärt Duranteau. „Die Teile für Wasserstoff in der Luftfahrt, wie die Speichertanks, sind noch nicht ausgereift genug. Wir müssen sie noch verbessern, bevor wir diese Art von System in ein Flugzeug integrieren können.“

Die Validierung der SWING-Klappen erfolgt in Zusammenarbeit mit Sonaca, einem belgischen Luft- und Raumfahrtunternehmen, das den Flugzeughersteller Airbus mit Komponenten beliefert. „Eine Krueger-Klappe muss in den gesamten Flügel integriert werden“, erklärt Cornu von Cetim. „Es reicht nicht, nur die Klappe zu entwickeln. Man muss den ganzen Flügel verändern, damit sie funktioniert.“ In der Forschungsgemeinschaft gilt diese Arbeit als kleiner, aber wichtiger Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel.

„Heute gestalten wir nur einen kleinen Teil des Flügels um“, sagt Cornu. „Aber die Erkenntnisse lassen sich auf viele Komponenten des Flugzeugs übertragen. Was wir hier tun, hat das Potenzial, die Funktionsweise von Flugzeugen radikal zu verändern.

Dieser Artikel wurde erstmals in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.