Flugzeuge: Ingenieure forschen an Turbine, die nicht mehr verschwendet

Flugzeuge: Ingenieure forschen an Turbine, die nicht mehr verschwendet

von Wolfgang Kempkens

Effizientere Turbinen könnten in der Luftfahrt tonnenweise CO2 einssparen. Deutsche Forscher arbeiten daran.

Es ist zwar nur ein kleiner Teil der gesamten Treibhausgasemissionen – doch die Luftfahrt zählt zu den größten Schmutzfinken der Welt. Passagierflugzeuge emittieren jährlich rund 700 Millionen Tonnen Kohlendioxid. 10 oder 20 Millionen Tonnen, vielleicht noch mehr, ließen sich einsparen, wenn die Flugzeugtriebwerke einen höheren Wirkungsgrad hätten.

Denn selbst die neuesten Turbinen machen  lediglich 40 Prozent der zugeführten Energie konkret nutzbar. Der Rest verflüchtigt sich ungenutzt als Wärmeemissionen. Nicht zuletzt dürften auch Airlines ein großes Interesse an effizienteren Turbinen haben - harte Konkurrenz und gestiegene Kraftstoffpreise machen Investitionen in moderne Antriebstechnik attraktiv.

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Einer der Knackpunkte ist die Brennkammer, also der Raum, in dem der Treibstoff Kerosin mit Luft vermischt verbrennt. Bis heute ist es nicht gelungen, den Sprit vollständig zu nutzen. Ein Teil geht sogar unverbrannt verloren. Nicht nur der Wirkungsgrad lässt zu wünschen übrig. Auch die Emission von Schadstoffen, vor allem von Stickoxiden, sollen reduziert und der Motorenlärm gedämpft werden. Bevor neue Turbinen-Designs abheben, werden sie auf Prüfständen am Boden getestet.

Zum Beispiel beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Gerade hat das Zentrum mit dem Bau eines Superprüfstandes begonnen, der den Anschluss von Brennkammern mit einer Leistung von bis zu 125 Megawatt ermöglicht. So viel schafft jede der vier Turbinen einer voll besetzten Boeing 747 beim Start.

Das DLR betreibt bereits vier kleinere Prüfstände dieser Art. Der HBK5 (HBK steht für Hochdruck-Brennkammer-Prüfstand) ist sowohl für Flugzeugturbinen als auch für stationäre Gasturbinen ausgelegt. Dafür stehen als Partner Rolls-Royce als Triebwerk- und Alstom als Gasturbinenhersteller.

Schützenhilfe für technisch überlegene Produkte„Wir ermöglichen damit der Industrie die Entwicklung technisch überlegener Produkte“, sagt DLR-Vorstandsmitglied Klaus Hamacher. „Diese sind der Schlüssel für mehr Umweltverträglichkeit und wirtschaftlichen Erfolg.“ Rolls-Royce beschäftigt an seinen deutschen Standorten Oberursel bei Frankfurt und Dahlewitz bei Berlin rund 3000 Mitarbeiter. Alstom bietet 9000 Menschen einen Arbeitsplatz an 24 deutschen Standorten.

Der Schlüssel für Fortschritte in der Brennkammertechnik liegt in der Temperatur, bei der das Kerosin verbrennt. Je höher sie ist, desto besser ist der Wirkungsgrad. Gleichzeitig sinken dann auch die Schadstoffemissionen. Dazu müssen neue Werkstoffe, Beschichtungen und Wandkühlsysteme entwickelt und getestet werden. Der Treibstoff muss zudem extrem fein verteilt und intensiv mit Luft vermischt werden, damit er restlos verbrennt. Es sind auch Versuche mit alternativen Treibstoffen geplant, etwa mit Biokerosin.

Alstom und Rolls-Royce wollen komplette Brennkammern und neu entwickelte Komponenten am HBK5 testen. Ein erklärtes Ziel der Zusammenarbeit zwischen dem DLR als Forschungszentrum und den Industrie-Partnern ist es, Forschungsergebnisse schnell in Serienprodukte zu überführen.

Tonnenweise Treibstoff, ungezählte MessinstrumenteUm den Betrieb einer kompletten Flugzeugbrennkammer realitätsnah zu simulieren und zu testen sind große Mengen komprimierter Luft, Tonnen von Treibstoff und eine Unzahl an Messinstrumenten nötig, die unter anderem detailliert messen, was hinten herauskommt. Die Zusammensetzung und Menge an Schadstoffen hängt entscheidend vom jeweiligen Betriebszustand ab. Beim Start etwa sind Treibstoffverbrauch und Emissionen am Größten. Aus diesem Grund werden Starts, Landungen und Flüge in großen Höhen bei konstanter Geschwindigkeit auf dem Prüfstand simuliert.

Die Teststände befinden sich alle auf dem DLR-Gelände in Köln. Eine Zentrale versorgt sie mit komprimierter Luft und Treibstoff, meist mit handelsüblichem Kerosin.

Gesprayt wird dort übrigens auch. Dabei entstehen allerdings keine Graffiti wie anderswo in der Domstadt. Es geschieht auf einem weiteren speziellen Prüfstand, auf dem Düsen von Kunden und Eigenentwicklungen darauf getestet werden, wie gut sie Luft und Kerosin miteinander vermischen. Eine ziemliche Sauerei, mit der die Luftfahrt bald ein Stück sauberer werden soll.

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