Flugzeugkonfigurationen der Zukunft

Seit vier Jahren arbeiteten zwanzig Forschungsinstitute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt gemeinsam im Projekt EXACT – Exploration of Electric Aircraft Concepts and Technologies – an den Entwürfen emissionsarmer Verkehrsflugzeuge. Das Ergebnis: Es ist möglich, die Klimawirkung des Luftverkehrs deutlich bei gleichzeitiger wirtschaftlicher Wettbewerbsfähigkeit zu reduzieren. Sowohl der vollständige Lebenszyklus der Flugzeuge als auch der Prozess der Gewinnung, des Transports und der Bereitstellung regenerativer Treibstoffe wurde umfassend in der Analyse der Klimaverträglichkeit neuer Flugzeugkonfigurationen berücksichtigt. So konnten die Forschenden die Flugzeugkonfigurationen mit dem ökologisch und ökonomisch größten Potenzial finden.

„Was auf den ersten Blick vielleicht überraschen mag, ist die Tatsache, dass das batterieelektrische Hybrid-Konzept am allerbesten abgeschnitten hat. Aufgrund der hohen Masse der Batterien und der eher geringen Reichweiten, galt der Betrieb mit Batterien bislang eher als vielversprechend für kleinere Flugzeuge bei dem Einsatz auf der Kurzstrecke. Tatsächlich ermöglicht die Plug-in-Hybrid-Architektur aber, dass auch größere marktrelevante Flugzeuge damit angetrieben werden können“, sagt Daniel Silberhorn, Leiter des EXACT-Projekts. Eine nachhaltige Produktion mit sehr hohen Recyclingrate sowie eine lange Lebensdauer der Batterien sind zentrale ökologische Randbedingungen. Geringe Produktionskosten und eine schnelle Ladefähigkeit gewährleisten die Wirtschaftlichkeit des Flugzeugs. Batterieelektrisch betrieben könnte so ein Flugzeug 500 Kilometer zurücklegen, hybridelektrisch zusätzlich mit nachhaltigen Treibstoffen sogar bis zu 2800 Kilometer.

Die Technologie für Turboprop-Flugzeuge befindet sich bereits seit vielen Jahren in der praktischen Anwendung, allerdings vornehmlich im regionalen Einsatz. Bei einer geringeren Reisegeschwindigkeit verbraucht das Flugzeug signifikant weniger Treibstoff. Damit ist diese Option nicht nur ökologisch vorteilhaft, sondern lohnt sich für Airlines trotzdem auch aus wirtschaftlicher Sicht. Mit fossilen Treibstoffen betrieben, verringert sich die Wirkung auf das Klima bereits um mehr als vierzig Prozent, beim Einsatz von nachhaltigen Treibstoffen würde sich die Auswirkung auf das Klima noch weiter reduzieren. Das betrachtete Flugzeug hat eine Reichweite von 2800 Kilometern.

Wasserstoff-betriebene Flugzeuge können die Klimaauswirkungen um mindestens achtzig Prozent reduzieren. Ob sie allerdings auch wirtschaftlich attraktiv sind, hängt wesentlich von den Produktionskosten für Wasserstoff und synthetisches Kerosin ab. Brennstoffzellen zur Unterstützung auf dem Rollfeld, im Sinkflug oder der Bordsysteme hätten eine deutliche Emissionsminderung bis 1500 Kilometer Reichweite zur Folge.

Im EXACT-Projekt hat das DLR ein Simulationsframework entwickelt. Es ermöglicht anhand einer Vielzahl von Parametern – von der Energieproduktion, der Flugzeugkonstruktion bis hin zur Klimawirkung und der Gesamtbewertung des Lufttransportsystems – Berechnungen zu erstellen. Damit haben die Forschenden detailliert gezeigt, wie neue klimaverträgliche Flugzeuge aussehen können. Zu jeder möglichen Antriebstechnologie gibt es so auch Informationen wie entsprechende Komponenten oder Leichtbaustrukturen beschaffen sein müssen. Dies hilft wiederum bei der Produktvorentwicklung und der Planung der Produktion.

„Seit Anfang des Projekts haben wir schrittweise vielfältige Technologieoptionen miteinander verglichen und sind so zu den drei Favoriten gekommen“, sagt Silberhorn. „Das Simulationsframework können wir dafür nutzen alle Szenarien auch mit aktuellen Gegebenheiten, zum Beispiel Energiepreisen oder neuen Flugzeugtechnologien, schnell neu zu berechnen.“

In einem Folgeprojekt geht es jetzt darum, technische Details, wie die genauen aerodynamischen Eigenschaften der Flugzeuge oder das exakte Gewicht eines Wasserstofftanks detaillierter zu definieren. Zusammen mit Flugzeugbauern, Zulieferern und Forschungseinrichtungen soll während eines kollaborativen Austauschs der Designprozesses eines möglichen neuen Flugzeugs stetig angepasst werden.

DLR / RK