Die Luftfahrtbranche steht vor großen Herausforderungen: Mögliche Flugausfälle im Sommer und steigende Preise aufgrund des globalen Kerosinmangels nach dem Irankrieg haben Diskussionen ausgelöst. Hinzu kommt das offizielle Ziel der Klimaneutralität bis 2050. Neben alternativen Antrieben rückt der Leichtbau von Flugzeugen in den Fokus. Hakan Ucan, Projektleiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), betont: „Jedes eingesparte Kilogramm wirkt sich über die gesamte Lebensdauer eines Flugzeugs auf Energiebedarf, Reichweite, Nutzlast und Betriebskosten aus.“
Primärstrukturen bieten größtes Potenzial
Grundsätzlich kann überall Gewicht eingespart werden. Die größten Potenziale liegen laut Ucan in den Primärstrukturen wie Rumpf, Tragflächen und Leitwerken. Moderne Faserverbundwerkstoffe, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Materialien (CFK), sind erheblich leichter als metallische Strukturen. Sie kombinieren hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringem Gewicht. „Moderne Verkehrsflugzeuge bestehen bereits zu großen Teilen aus Leichtbaustrukturen auf Basis von Verbundwerkstoffen“, so Ucan. Beim Airbus A350 liegt der Anteil bei über 50 Prozent. Dennoch gibt es weiteres Einsparpotenzial durch optimiertes Design: Material soll nur dort eingesetzt werden, wo es zur Lastaufnahme erforderlich ist.
Spezialisierte Zulieferer treiben Innovationen voran
Der Braunschweiger Hersteller Invent wurde vor 30 Jahren als Spin-off des DLR gegründet und hat sich auf die Entwicklung und Fertigung von Leichtbaustrukturen spezialisiert. Heute ist das Unternehmen Entwicklungspartner und Serienlieferant für die Luft- und Raumfahrtindustrie, unter anderem für Airbus. Stefan Steeger, Chef der Luftfahrteinheit bei Invent, erklärt: „Wir fertigen keine standardisierten Produkte, sondern exakt nach Kundenanforderung.“ Das Anwendungsspektrum reicht von strukturellen Komponenten und Verkleidungselementen bis hin zu Bauteilen für Klima- und Tanksysteme sowie Außenanbauten. Bei der Verarbeitung der Faserverbundwerkstoffe habe man große Fortschritte gemacht. Je nach Bauteil kommen unterschiedliche Herstellverfahren zum Einsatz, etwa Autoklavprozesse, Pressverfahren oder Infusionstechnologien. Auch Aluminium spielt weiterhin eine Rolle.
Leichtbau in der Kabine: Kleine Einsparungen, große Wirkung
Diehl Aviation hat sich auf Kabinenausstattung spezialisiert. Auf der Luftfahrtausstellung ILA präsentiert der Zulieferer einen Kabinendemonstrator. Dietmar Völkle, Director Research bei Diehl Aviation, betont: „Leichtbau wird bei jeder Produktentwicklung mitgedacht.“ Für die Airlines geht es nicht nur um Klimaziele, sondern auch um Wirtschaftlichkeit. Obwohl die Kabine nur einen kleinen Teil zum Gesamtgewicht beiträgt, haben Bauteile wie Sitze, Gepäckfächer oder Lüftungssysteme eine hohe Wiederholrate. Kleine Einsparungen addieren sich schnell. Selbst geringere Schichtstärken eines Lacks machen sich in der Summe bemerkbar. Die Kabinenausstattung wird meist alle fünf bis sieben Jahre ausgetauscht, was sie zu einem wichtigen Hebel für Leichtbau auch in älteren Maschinen macht.
Innovative Systeme für mehr Effizienz
Diehl stellt auch Frisch- und Abwassertanks aus Leichtbaumaterialien her und optimiert das Gewicht von Rechnereinheiten und Elektronik. Leistungsstarke Rechnerplattformen, die verschiedene Funktionen abbilden, müssen nur einmal mit Kabeln oder Datenträgern ausgestattet werden. Zudem kann durch Mehrfachnutzung von Frischwasser Gewicht gespart werden. Diehl hat ein System entwickelt, das Handwaschwasser erneut für die Toilettenspülung nutzt – derzeit wird es in zwei Swiss-Maschinen im Linienbetrieb getestet.
Zukunftstechnologien: Thermoplaste und 3D-Druck
Wachsende Bedeutung hat thermoplastisches Karbon, das schmelz- und recycelbar ist. Thermoplast-Technologien erlauben höhere Festigkeiten in Verbindung mit Recyclingfähigkeit. Diehl hat etwa Luftauslässe aus Thermoplast entwickelt, die je nach Flugzeuggröße hundertfach verbaut werden. Aktuell ist die Technologie noch teuer, auch wegen der hohen Verarbeitungstemperaturen. Im Projekt „Zeus“ beschäftigen sich das DLR und weitere Partner mit thermoplastischen Rumpfstrukturen und deren industrieller Fertigung. Ziel ist es, Technologien aus dem Labor in die industrielle Produktion zu bringen, unterstützt durch digitale Prozessketten, virtuelle Zwillinge und KI-gestützte Prozessüberwachung.
Auch additive Verfahren wie der 3D-Druck tragen zum Leichtbau bei. Ucan sieht großes Potenzial bei komplexen Geometrien, um Material gezielt einzusparen. „Vor allem bei kleineren Strukturbauteilen oder hochintegrierten Komponenten entstehen neue Freiheitsgrade.“ Für große Primärstrukturen bleibt die industrielle Skalierung jedoch herausfordernd. 3D-gedruckte Bauteile müssen intensiv auf Qualität geprüft werden, die Wiederholgenauigkeit ist kritisch.
Leichtbau als Schlüssel für neue Antriebe
Bei neuen Antrieben auf Basis von Wasserstoff oder Strom wird Gewicht noch kritischer. Flüssiger Wasserstoff hat eine geringere Energiedichte pro Volumen als Kerosin, sodass mehr Gewicht mitgeführt werden muss und Tanks größer und schwerer werden. Bei Elektroflugzeugen bringen die Batterien eine höhere Masse mit sich. Leichtbau soll diese Nachteile möglichst kompensieren. Auch die gesamte Bauweise könnte sich ändern: Effizientere Flügelkonzepte mit großer Spannweite, schlanker Bauweise und Faltsystemen erfordern leichte Materialien bei hoher Stabilität.
