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Preiswerter Fliegen

Dresdner Forscher drosseln den Kerosinverbrauch im Flugzeugtriebwerk. Das spart sehr viel Geld, aber nicht nur beim Treibstoff.

© Jürgen Loesel

Es wird heiß. In den Brennkammern moderner Flugzeugtriebwerke entstehen bei der Verbrennung des Treibstoffs Temperaturen von über 1 700 Grad Celsius. Das liegt gleich mehrere hundert Grad über den Schmelztemperaturen der Materialien, die dort verbaut sind. Deshalb müssen sie ständig gekühlt werden und sind zudem mit einer dämmenden Schicht geschützt. Nach der Landung kühlen die Triebwerke zwar schnell wieder ab. Doch der ständige Wechsel zwischen kalt und warm belastet die Bauteile. Dresdner Wissenschaftler haben nun einen Weg gefunden, der das Problem löst – und zudem noch Millionen spart.

In den vergangenen Jahren beschäftigten sich Frank Brückner und Mirko Riede vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS mit den Fragen, wie die schützende Wärmedämmschicht verbessert werden kann und der Verbrauch des Treibstoffs Kerosin sinkt. Ihre Entwicklung: kleinste Mikrostrukturen, mit denen sich die Lebensdauer der Wärmedämmschichten verlängern lässt und die dazu beitragen, dass Kerosinverbrauch sowie Schadstoffausstoß verringert werden können. Partner des Forschungsprojekts war Triebwerkhersteller Rolls-Royce.

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Die filigranen Mikrostrukturen entstehen durch ein Laser-Schweißverfahren, sind nur 0,03 Millimeter klein und säulenartig aufgebaut. Sie verbinden in den Bauteilen der Turbinen eine metallische, oxidationsbeständige Schicht mit einer keramischen Dämmschicht. Die Eigenschaften der Mikrostrukturen erreichen, dass sich die Dämmschicht besser ausdehnen kann. Die Forscher haben durch ihre Idee ein weiteres Problem gelöst, das beim schnellen Ausdehnen und Zusammenziehen der Bauteile auftritt. Dadurch entstehen nämlich extreme Spannungen in den Materialien. Ursache sind ihre unterschiedlichen Ausdehnungsgrade. Das kann zu horizontalen Rissen in der Keramik führen, die in der Folge abplatzt. Die Mikrostruktur initiiert gezielt vertikale Risse. Sie vermindern Spannungen und verhindern so das Entstehen der gefürchteten horizontalen Risse, die dem Flugzeug am Ende sogar gefährlich werden könnten. Durch die neue Technologie kann die Verbrennungstemperatur in den Triebwerken erhöht werden. Das senkt den Treibstoffverbrauch um zehn Prozent und belastet damit auch die Umwelt weniger. In Verbindung mit weiteren Maßnahmen ergeben sich dadurch laut Fraunhofer IWS pro Jahr und Flugzeug Kosteneinsparungen von fast drei Millionen Euro. Die Idee aus dem Labor ist nun bereits Teil der Serienfertigung. Nach ersten erfolgreichen Testflügen der Triebwerke im November 2015 erfolgte die offizielle Luftfahrtzulassung der European Aviation Safety Agency (EASA). Sie bestätigte damit, dass alle Sicherheitsauflagen erfüllt werden. Seit Februar 2018 sind die Triebwerke in Langstreckenflugzeugen für den Airbus A350-1000 im Einsatz. Der Antrieb des Flugzeugtyps ist heute das effizienteste Großtriebwerk der Welt. Die Fraunhofer-Experten erwarten, dass in Zukunft auch weitere Triebwerke mit den Technologien aus dem Dresdner Fraunhofer IWS ausgestattet sein werden.

Für ihre Lösung wurden die Wissenschaftler jetzt ausgezeichnet. Frank Brückner und Mirko Riede sowie Projektpartner Dan Roth-Fagaraseanu von Rolls-Royce teilen sich einen der diesjährigen Joseph-von-Fraunhofer-Preise. Seit 1978 verleiht ihn die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich an Mitarbeiter, die anwendungsnahe Probleme lösen. (jam)