Mögliche Flugausfälle im Sommer, steigende Preise: Der globale Kerosinmangel infolge des Irankriegs löste zuletzt viele Diskussionen aus. Die Luftfahrtbranche muss ohnehin Treibstoff sparen, da sie offiziell Klimaneutralität bis 2050 anstrebt. Technologisch rückt neben der Forschung an alternativen Antrieben die leichtere Konstruktion von Flugzeugen in den Fokus. Leichtbau sei eine der Schlüsseltechnologien, sagt Hakan Ucan, Projektleiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Jedes eingesparte Kilogramm wirkt sich über die gesamte Lebensdauer eines Flugzeugs auf Energiebedarf, Reichweite, Nutzlast und Betriebskosten aus.“
Potenziale in Primärstrukturen
Prinzipiell kann überall Gewicht eingespart werden. „Die größten Potenziale liegen in den Primärstrukturen wie Rumpf, Tragflächen und Leitwerken“, sagt Ucan. Moderne Faserverbundwerkstoffe sind erheblich leichter als metallische Strukturen – es geht vor allem um kohlenstofffaserverstärkte Materialien, umgangssprachlich Carbon (CFK). Diese kombinieren hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringem Gewicht. „Moderne Verkehrsflugzeuge bestehen bereits zu großen Teilen aus Leichtbaustrukturen auf Basis von Verbundwerkstoffen“, sagt Ucan. Beim Airbus 350 sind es bereits mehr als 50 Prozent. Dennoch besteht weiterhin großes Einsparpotenzial – auch durch optimiertes Design: Ziel sei es, Material wirklich nur dort einzusetzen, wo es zur Lastaufnahme erforderlich sei.
Spezialist für Leichtbaustrukturen
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. Dabei fertige Invent keine standardisierten Produkte, sondern exakt nach Kundenanforderung, sagt Stefan Steeger, Chef der Luftfahrteinheit bei Invent. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von strukturellen Komponenten und Verkleidungselementen bis hin zu Bauteilen für Klima- und Tanksysteme sowie Außenanbauten.
Fortschritte bei Verarbeitung
Bei der effizienteren Verarbeitung der Faserverbundwerkstoffe habe man große Fortschritte gemacht, sagt Steeger. Auch könnten alternative und teilweise recycelte Materialien eingesetzt werden – jedoch abhängig von der Anwendung und den geforderten Eigenschaften. Je nach Bauteil kämen unterschiedliche Herstellverfahren zum Einsatz, etwa Autoklavprozesse, Pressverfahren oder Infusionstechnologien. „Es geht darum, für jedes Produkt das technisch und wirtschaftlich optimale Verfahren zu finden.“ Auch Aluminium spiele nach wie vor eine Rolle.
Leichtbau in der Kabine
Auf Kabinenausstattung hat sich Diehl Aviation spezialisiert. Auf der Luftfahrtausstellung ILA stellt der Zulieferer einen Kabinendemonstrator vor. Leichtbau werde bei jeder Produktentwicklung mitgedacht, sagt Dietmar Völkle, Director Research bei Diehl Aviation. Dabei gehe es für die Airlines nicht nur um Klimaziele, sondern auch um Wirtschaftlichkeit. Zwar trage die Kabine nur einen kleinen Teil zum Gesamtgewicht bei. „Das Spannende in der Kabine ist aber, dass wir hier eine sehr hohe Wiederholrate an Bauteilen haben“, sagt Völkle. So würden sich kleine Einsparungen etwa bei Sitzen, Gepäckfächern oder Lüftungssystemen schnell aufaddieren. Selbst geringere Schichtstärken eines Lacks machten sich in Summe bemerkbar.
Neue Konzepte für Kabinen
Die Kabinenausstattung wird während der Lebensdauer eines Flugzeugs meist alle fünf bis sieben Jahre ausgetauscht, da sie starken Beanspruchungen unterliegt. „Sie ist daher ein wichtiger Hebel, um Leichtbau auch in ältere Maschinen zu bringen“, sagt Völkle. Kunden von Diehl Aviation sind daher nicht nur die Flugzeugbauer wie Airbus, sondern auch Fluggesellschaften. Diehl stellt auch Frisch- und Abwassertanks aus Leichtbaumaterialien her und optimiert das Gewicht von Rechnereinheiten und Elektronik. Gefragt seien leistungsstarke Rechnerplattformen, die ganz verschiedene Funktionen abbilden können. „Diese müssen dann nur einmal mit Kabeln oder Datenträgern ausgestattet werden.“ Auch könne man viel Gewicht einsparen, indem man Frischwasser an Bord mehrfach verwende, sagt Völkle. Diehl hat ein System entwickelt, welches das Handwaschwasser erneut für die Toilettenspülung nutzt – derzeit wird dies in zwei Swiss-Maschinen im Linienbetrieb getestet.
Thermoplastische Materialien
Wachsende Bedeutung hat thermoplastisches Karbon, das schmelz- und recycelbar ist. Thermoplast-Technologien erlaubten höhere Festigkeiten in Verbindung mit Recyclingfähigkeit, sagt Völkle. Diehl hat etwa Luftauslässe aus Thermoplast entwickelt, die je nach Größe des Flugzeugs hundertfach verbaut werden. Aktuell sei die Technologie noch teuer, auch weil sehr hohe Verarbeitungstemperaturen benötigt würden. Mit thermoplastischen Rumpfstrukturen und deren industrieller Fertigung beschäftigten sich das DLR und weitere Projektpartner zuletzt im Projekt „Zeus“. Ziel sei es, vielversprechende Technologien aus dem Laborumfeld in die industrielle Fertigung zu bringen, sagt Ucan. Dabei spielen etwa digitale Prozessketten, virtuelle Zwillinge und KI-gestützte Prozessüberwachung eine Rolle.
Additive Verfahren
Auch additive Verfahren tragen zum Leichtbau bei. 3D-Druck biete insbesondere bei komplexen Geometrien großes Potenzial, sagt Ucan – auch, um Material gezielt einzusparen. „Vor allem bei kleineren Strukturbauteilen oder hochintegrierten Komponenten entstehen dadurch neue Freiheitsgrade.“ Für große Primärstrukturen etwa am Rumpf bleibe die industrielle Skalierung herausfordernd. Die Technologie sei auf stückweise Produktion ausgerichtet, sagt auch Völkle. 3D-gedruckte Bauteile müssten heute noch intensiv auf Qualität geprüft werden, kritisch sei die Wiederholgenauigkeit.
Zukunft: Neue Antriebe und Bauweisen
Geht es um neue Antriebe auf Basis von Wasserstoff oder Strom, werde „Gewicht noch kritischer als heute“, sagt Ucan. Flüssiger Wasserstoff hat eine geringere Energiedichte pro Volumen als Kerosin, man muss also wesentlich mehr Gewicht mitführen, Tanks werden größer und schwerer. Bei Elektroflugzeugen bringen die Batterien eine höhere Masse mit sich. Diese Nachteile soll Leichtbau möglichst kompensieren. Nicht nur der Antrieb, auch die gesamte Bauweise eines Flugzeugs könnte sich in Zukunft weiter verändern, sagt Steeger. So könnten etwa effizientere Flügelkonzepte mit sehr großer Spannweite, schlankerer Bauweise und Faltsystemen zum Einsatz kommen. Auch hier wird es auf leichte Materialien ankommen – bei gleichzeitig sehr hoher Stabilität.
