Stuttgart
Ein frischer Wind braust derzeit durch die Konstruktionsabteilungen der europäischen Luftfahrtindustrie. Mit dem Ziel, Flugzeuge und Hubschrauber leiser, emissionsärmer und umweltfreundlicher zu machen, sind auch viele deutsche Hersteller und Zulieferer im Rahmen der EU-Forschungsinitiative Clean Sky angetreten. Jetzt beginnt die Demonstration der neuen Technologieansätze.
Schnell, leise und möglichst umweltfreundlich – so lautet beim Hubschrauberhersteller Eurocopter die Zielvorgabe für die nächste Helikoptergeneration. Im Kleinen sind die Bayern dem Vorhaben schon ein gutes Stück näher gekommen: In einem Windkanal erkundeten die Ottobrunner Forscher und Entwickler gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU München an einem Hubschrauber-Modell im Maßstab 1:5 der Leichtgewichtklasse, welchen Einfluss die verschiedenen Außenteile des Helikopters auf den Luftwiderstand haben – und damit auf Treibstoffverbrauch und Emissionen. Erkenntnis daraus: Rotorkopf und Landewerk tragen maßgeblich zum Gesamtwiderstand des Helikopters bei – an diesen Komponenten lohnen sich Optimierungen also besonders.
Mit diesen und vielen weiteren Themen beschäftigen sich die großen Unternehmen der europäischen Luftfahrtindustrie sowie ihre Zulieferer derzeit im Rahmen der EU-Forschungsinitiative Clean Sky. In besonders starkem Maße arbeiten auch deutsche Firmen daran, ihre Maschinen und Komponenten für deren kompletten Lebenszyklus noch umweltfreundlicher zu machen. „Clean Sky ist mit seiner breiten industriellen und wissenschaftlichen Beteiligung aus ganz Europa das bislang größte im EU-Forschungsrahmenprogramm geförderte Luftfahrtprojekt“, betont Thomas Belitz, Referent Forschung und Technologie beim Bundesverband der Deutschen Luft- und Raumfahrtindustrie (BDLI) in Berlin.
Die Clean Sky-Initiative wurde 2008 als Öffentlich-Private Partnerschaft zwischen der Europäischen Kommission und Unternehmen der europäischen Luftfahrtindustrie gegründet, um die ehrgeizigen Umweltanforderungen des Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE), einem europäischen Beratungsgremium der Luft- und Raumfahrt mit Vertretern aus Politik, Wirtschaft und Forschung, umzusetzen. Gemäß seiner Hauptaufgabe, Entwicklungsziele zu definieren und eine strategische Forschungsagenda zu erarbeiten, hat ACARE bis 2020 Verbesserungen in vier Bereichen gefordert: Weniger CO2- und Stickoxidemissionen, weniger Lärm, mehr Umweltverträglichkeit im gesamten Flugzeug-Lebenszyklus (Produktion, Betrieb, Instandhaltung und Recycling). Weitere Informationen zur Clean Sky-Initiative: siehe Kasten.
Die Initiative führt Spezialisten aus ganz Europa zusammen, um ihre jeweiligen Kompetenzen einzubringen und gemeinsam Ideen bis zur Marktreife weiter zu entwickeln. Sie setzt dabei auf Vielfalt und profitiert gleichzeitig von der Forschungs-Zugkraft großer Unternehmen, dem Spezialwissen mittelständischer Unternehmen sowie den kreativen Ansätzen renommierter Hochschulen und Großforschungseinrichtungen.
In sechs Forschungsbereichen entwickeln Ingenieure beispielsweise geräuscharme Antriebe, Treibstoff sparende Tragflächen oder Systeme für effektives Energiemanagement. Die aussichtsreichsten Ansätze werden zu Modellen für verschiedene Einsatzfelder, wie Lang- und Kurzstreckenflugzeuge sowie Hubschrauber, kombiniert. So können die Experten der siebten Einheit, des Technology Evaluators, konkrete Simulationen durchführen und erfassen, wie hoch die Emissions- und Lärmreduzierungen in der Praxis ausfallen. Außerdem gehören die umweltschonende Produktion und ein umfassender Recyclingplan zu den Schwerpunkten des Forschungsprogramms.
Die Clean Sky-Initiative ist schon jetzt ein Erfolg: Durch die gemeinschaftlichen Anstrengungen entstehen in kurzer Zeit zahlreiche neue umweltschonende Technologien. Peter Taferner, Program Manager des Clean Sky Programms bei der MTU Aero Engines in München: „Durch Clean Sky konnten wir eine Reihe zukunftsträchtiger Technologien in Sachen ökoeffizientes Fliegen auf den Weg bringen.“ Um die drei zentralen Ziele Emissionsreduzierung, Lärmminderung sowie Öko-Design (Rohstoffeffizienz plus Schadstoffminimierung) zu erreichen, setzen die Unternehmen auf verschiedene Strategien:
Forschungsschwerpunkt Emissionsreduzierung
CO2- und Stickstoffemissionen lassen sich durch geringeren Treibstoffverbrauch und effektivere Verbrennung vermindern. Das größte Potenzial für die Emissionsreduzierung ergibt sich, indem die Flugzeugindustrie verschiedene Technologien geeignet kombiniert. So kann sie die angestrebte Halbierung der CO2-Emissionen gemäß Daten der ACARE folgendermaßen erreichen: 15 bis 20 Prozent Reduzierung durch effizientere Triebwerke, 20 bis 25 Prozent durch Optimierung der Flugzeugzelle und somit Reduzierung des Leistungsbedarfes sowie fünf bis zehn Prozent durch ein effizienteres Management des Flugverkehrs, wie zum Beispiel der Optimierung von Flugrouten.
Im Rahmen des Clean Sky Moduls „Sustainable and Green Engines“ (SAGE) integriert und testet der Triebwerkshersteller MTU Aero Engines neue Technologien in einem Demonstrator-Triebwerk. MTU Aero Engines setzt dabei auf eine weiterentwickelte Variante des sogenannten Getriebefan-Konzepts. Dabei kommen u. a. innovative Materialien, wie das Gewicht sparende Titanaluminid, zum Einsatz, denn auch ein geringeres Gewicht trägt zur Reduzierung von Treibstoffverbrauch und Emissionen bei.
Diese neuen Technologien sollen zukünftig in Regional-, Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen eingesetzt werden. Peter Taferner: „Nachdem die Technologien mittels Bauteiltests und Komponentenerprobung den erforderlichen Technologiereifegrad erreicht haben und das Demo-Triebwerk montiert wurde, wird es 2015 die Validierungstests in einem dafür vorbereiteten Prüfstand am Standort München absolvieren.“
Auch Rolls-Royce entwickelt im Rahmen von SAGE neue Triebwerkstechnologien. Das Unternehmen arbeitet an drei Hauptthemen: Die Entwicklung fortschrittlicher, leichter Technologien für das Niederdrucksystem, wie zum Beispiel Fanschaufeln aus Verbundwerkstoffen, wodurch das Gewicht, der Treibstoffverbrauch und damit auch die CO2-Emissionen reduziert werden können. Ein weiterer Fokus von Rolls-Royce liegt auf der Entwicklung von Magerverbrennungstechnologien, durch die der Ausstoß von Stickoxiden erheblich verringert wird. Außerdem setzt das Unternehmen auf den Open Rotor. Dabei handelt es sich um ein Triebwerk mit, wie der Name schon verrät, nicht-ummantelten Propellern, die sich gegenläufig drehen. Ein Vorteil dieses Systems ist dessen hohe Treibstoffeffizienz. „Verglichen mit den treibstoffeffizientesten heutigen Turbofan-Triebwerken, wie beispielsweise dem kürzlich von der EASA zugelassenen Trent XWB, ließen sich künftig mit dem Open Rotor weitere 10 bis 15 Prozent Treibstoff einsparen“, schwärmt Ric Parker, Direktor des Bereichs Forschung und Technologie bei Rolls-Royce.
Mit der Optimierung der Tragflächen befasst sich der Flugzeughersteller Airbus im Modul „Smart Fixed Wing Aircraft“ (SFWA). Ein Zukunftsprojekt ist die Entwicklung des Laminarflügels. „Die Idee ist, eine Flügeloberfläche mit sehr glatter, ebener Oberfläche hoher Qualität und ohne störende Übergangsstellen in Kombination mit einem neuen Flügelprofil zu schaffen, um so die Bildung von Luftwirbeln zu minimieren“, erläutert Jens König, Airbus-Koordinator im Clean Sky-Projekt. Airbus rechnet damit, auf diese Weise den Flügelwiderstand während des Fluges um 25 Prozent und den Gesamtwiderstand um fünf bis sechs Prozent zu reduzieren.
Die Schweizer RUAG Aviation ist ebenfalls Forschungspartner im SFWA-Modul. Die Ingenieure des Flugzeugkomponentenherstellers entwickeln aerodynamische Konzepte für Rumpfhinterteile, die mit den neuartigen Triebwerken ausgerüstet werden können. Für Praxistests steht der hauseigene Windkanal zur Verfügung.
Liebherr Aerospace Lindenberg entwickelt im Modul „Systems for Green Operations“ (SGO) Systeme für ein intelligentes Energiemanagement, wie eine elektrische Klimaanlage und elektrische Systeme zur Steuerung von Fahrwerken und Flügelstellflächen. Ziel ist, das bisherige komplexe System aus pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Steuerungen für verschiedene Flugzeugbereiche zu vereinfachen, ihre Funktionen einheitlich in elektrische Systeme zu überführen und so insgesamt den Energieverbrauch an Bord zu optimieren.
Forschungsschwerpunkt Lärmminderung
„Lärmreduzierung ist bei Hubschraubern besonders wichtig“, erläutert Marc Gervais, External Acoustics Skill Leader bei Eurocopter, „denn durch die Möglichkeit, senkrecht zu starten und zu landen, werden sie häufig auch nahe an Wohngebieten eingesetzt.“ Daher setzt der Hubschrauberspezialist Eurocopter in der Arbeitsgruppe „Green Rotorcraft“ (GRC) auf die Kombination passiver Optimierungselemente der Hauptrotorblätter, die die Bildung von Luftwirbeln reduzieren und so die Lärmentwicklung vermindern, mit Elementen, die die Lärmabstrahlung des Triebwerkes senken. Hinzu kommen noch sehr vielversprechende Verbesserungen in den lärmintensiven An- und Abflugverfahren der Hubschrauber, um den Geräuschpegel zum Beispiel in Nachbarschaft von Krankenhäusern zu verringern.
Forschungsschwerpunkt Öko-Design
Ziel des Moduls „Eco-design“ (ECO) ist, die Umweltauswirkungen während der Produktion, Nutzung und Verschrottung von Flugzeugen und Hubschraubern zu minimieren. Dies beinhaltet: Ressourcen sparen, umweltschädliche Stoffe durch harmlose ersetzen und einen möglichst hohen Anteil der Materialien wiederverwerten. Ansatzpunkte dafür sind: RUAG entwickelt umweltschonendere Produktionsprozesse, Eurocopter bringt sich mit innovativen Hubschrauberbauteilen ein, Airbus zusammen mit Eurocopter vergleicht im Bereich Life-Cycle-Assessment die Umweltauswirkungen bisheriger Bauteile mit neu entwickelten Teilen.
Durch eine von Liebherr entwickelte elektronische Steuerung für Fahrwerke und Flügelstellflächen können die bisherigen hydraulischen Systeme mit potenziell schädlichen Flüssigkeiten entfallen. MTU Aero Engines setzt im Triebwerksbau neuartige Fertigungsmethoden, wie das selektive Laserschmelzverfahren, ein. Damit lassen sich neue Bauteil-Designs rasch in vollwertige Prototypen umsetzen und bei der Herstellung Produktionsabfälle vermeiden.
Mit der Erfüllung der Ziele für 2020 sind die Arbeiten keinesfalls beendet. Eine High Level Group der Europäischen Luftfahrtforschung hat in 2011 mit der EU-Kommission im Rahmen des Luftfahrt-Zielpakets „Flightpath 2050“ eine ambitionierte Fortschreibung der Umweltziele vereinbart. Unter Mitwirkung von 280 Luftfahrtexperten aus ganz Europa stellte ACARE erneut eine Strategische Forschungs- und Innovationsagenda (SRIA) auf, welche nun Leitlinie für weitere Luftfahrtforschung in Europa ist, insbesondere in Horizon2020, dem nächsten Rahmenforschungsprogramm der EU.
Zahlreiche Unternehmen haben auch schon Pläne für eine Fortsetzung des Programms als „Clean Sky 2“. Liebherr will beispielsweise seinen Fokus auf die Entwicklung elektrischer Antriebs- und Steuerungstechnologie für Flügel und Fahrwerk sowie auf elektrische Enteisung setzen. Eurocopter plant ein Projekt zur Entwicklung fortschrittlicher Verbundhubschrauber zu leiten – ein Fluggerät mit dem Hauptrotor eines Hubschraubers, Tragflächen für zusätzlichen Auftrieb sowie Propellern für zusätzlichen Vortrieb.
Die Unternehmen warten jedoch noch auf ein eindeutiges Fördersignal aus Brüssel: „Die Luftfahrtindustrie steht in den Startlöchern, aber derzeit ist noch unklar, wie viele Fördermittel die EU für das Anschlussprogramm zur Verfügung stellen wird“, berichtet BDLI-Experte Thomas Belitz. Befürchtung in Berlin: Die Diskussion um Kürzungen im EU-Haushalts könnte auch zu Abstrichen beim Förderprogramm Clean Sky 2 führen. Davor aber warnt Belitz: „Gerade für Großprojekte wie Clean Sky ist es wichtig, dass eine ausreichend hohe Fördersumme zur Verfügung steht und die Rahmenbedingungen stimmen. Nur so können die Unternehmen alle nötigen Aktivitäten zeitgleich planen und effizient durchführen.“
Die Flugzeugexperten wissen, dass sie keine Zeit verlieren dürfen, wenn sie ihre Vision vom umweltfreundlichen Flugzeug und Hubschrauber realisieren wollen. „Im Produktlebenszyklus eines zivilen Luftfahrzeugprogramms vergehen vom Programmstart über Entwicklung und Produktion leicht 30 Jahre, danach schließen sich typischerweise mindestens weitere 20 Jahre an, in denen das Flugzeug weltweit geflogen wird „, rechnet Thomas Belitz vor und zieht daraus den Schluss: „Um die Umweltverträglichkeitsziele von Luftfahrzeugen, die in 2030, 2040 und 2050 produziert und fliegen werden, zu erreichen, müssen wir die Forschungsergebnisse und Optimierungsmaßnahmen schon in heutige Technologie- und Produktentwicklungen einfließen lassen.“
Clean Sky JTI (Joint Technology Initiative)
Daten und Fakten über die EU-Technologieinitiave für die
Luftfahrtindustrie
Die Initiative:
Die Clean Sky JTI ist eine EU-Fördermaßnahme in Form einer Öffentlich-Privaten Partnerschaft zwischen der Europäischen Kommission und Unternehmen der europäischen Luftfahrtindustrie. Durch die Entwicklung umweltschonender Technologien und die Optimierung von Fertigungsprozessen will die Luftfahrtindustrie in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten die Umweltauswirkungen der Luftfahrt reduzieren. Diese Aktivitäten möchten die Unternehmen in einem Anschlussprogramm („Clean Sky 2“) weiterführen.
Ziele:
Clean Sky: Die Initiative soll die Erreichung der Umweltziele unterstützen, die vom Beratungsgremium Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (ACARE) basierend auf dem Konzeptpapier „Vision 2020“ in einer Strategischen Forschungsagenda festgelegt wurden: bis 2020 Reduktion der CO2-Emission pro Passagierkilometer um 50 % (im Vergleich zur Emission eines entsprechenden Flugzeugs im Jahr 2000), der Stickoxid (NOx)-Emission um 80 %, der Außengeräusche um 50 %, reduzierte Ökoauswirkungen im gesamten Lebenszyklus (Bau, Nutzung, Recycling) eines Flugzeugs. Clean Sky 2: Durch die Weiterentwicklung erfolgversprechender Technologien soll auf die Erfüllung der im EU-Report „Flightpath 2050“ für das Jahr 2050 angestrebten Reduktionsziele hingearbeitet werden (CO2-Reduktion um 75 %, NOx-Reduktion um 90 %, Minderung der Außengeräuschwahrnehmung um 65 %).
Laufzeit:
Clean Sky: 2008-2017, im Rahmen des 7. Forschungsrahmenprogramms (FP) der EU
Clean Sky 2: geplant für 2014-2020, im Rahmen des EU-Folgeprogramms „Horizon 2020“
Budget:
Clean Sky: 1,6 Mrd. Euro, davon 800 Mio. Euro Förderung durch die EU und 800 Mio. Euro Entwicklungsleistung von den beteiligten Unternehmen.
Clean Sky 2: verfügbare Finanzmittel noch ungewiss, da die Gesamtfördersumme von „Horizon 2020“ und seiner Bereiche erst in den kommenden Monaten beschlossen wird. Die Luftfahrtindustrie strebt an, gemeinsam mit der Europäischen Union insgesamt 3,6 Mrd. Euro zu investieren.
Unternehmen der deutschen Luftfahrt und Zulieferer, die an Clean Sky teilnehmen:
Aero Magnesium, Airbus Deutschland, Diehl Aerospace, EADS IW Deutschland, Eurocopter, FAG Aerospace, FTI, GfE Metalle und Materialien, Institut für Produktion und Logistik, INVENT, Liebherr-Aerospace, MTU Aero Engines, Rolls-Royce Deutschland, RUAG (Schweiz)
Deutsche Forschungseinrichtungen, die an Clean Sky teilnehmen:
DLR, Electro Design Chemnitz, European Transonic Windtunnel, Fraunhofer-Gesellschaft, TU Braunschweig, TU Dresden, TU München, Universität Hamburg, Universität Hannover, Universität Stuttgart Die Arbeitsschwerpunkte von Clean Sky (siehe auch Grafik „Innovationsfelder für eine saubere Luftfahrt – der Aufbau der Clean Sky-Initiative“):
– Drei Entwicklungsmodule zu Querschnittsthemen: Sustainable and Green Engines (SAGE), Systems for Green Operations (SGO), Eco-Design (ECO)
– Drei Entwicklungsmodule mit Fokus auf verschiedenen Fluggerättypen: Smart Fixed Wing Aircraft (SFWA), Green Regional Aircraft (GRA), Green Rotorcraft (GRC)
– Ein Evaluierungsmodul: Technology Evaluator (TE)
