Trent 7000 von Rolls-Royce
Kerosineinsparung gegenüber der Vorgängergeneration: 10 Prozent
NOx Reduktion unter ICAO CAEP 6 Standard: 74,7 Prozent
Einsatz an Flugzeugen: Airbus A330neo
Weniger Kerosinverbrauch
durch effiziente Flugzeugantriebe
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Der Kerosinverbrauch eines Flugzeugs hängt vor allem vom Antrieb, also von den eingesetzten Triebwerken ab. Der Treibstoffverbrauch der Flugtriebwerke hat sich seit den Sechzigerjahren fast halbiert – entsprechend ist auch der Ausstoß von CO2 gesunken. Dabei sind es vor allem vier Felder in der Triebwerksforschung und -entwicklung, auf denen Fortschritte erzielt worden sind: Die Luftströme im Triebwerk werden optimiert, Form und Größe des Schaufelrads an der Vorderseite des Antriebs – dem sogenannten Fan – werden angepasst und neue Werkstoffe und Herstellungsverfahren kommen zum Einsatz.
Es gibt verschiedene Unternehmen, die Triebwerke für den Luftverkehr bauen: Dazu gehören unter anderen MTU Aero Engines, Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Safran und General Electric. Sie gehen unterschiedliche Wege, haben aber das gleiche Ziel: soviel Kerosin wie möglich einzusparen und dabei auch immer leiser zu werden.
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Bildergalerie: Neueste Triebwerksgenerationen sparen noch mehr Kerosin
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GEnx von General Electric und MTU
Kerosineinsparung gegenüber der Vorgängergeneration: 15 Prozent
NOx Reduktion unter ICAO CAEP 6 Standard: 50 Prozent
Einsatz an Flugzeugen: Boeing B787-8, B787-9, B787-10 -
LEAP von CFM (General Electric und Safran)
Kerosineinsparung gegenüber der Vorgängergeneration: 15 Prozent
NOx Reduktion unter ICAO CAEP 6 Standard: 50 Prozent
Einsatz an Flugzeugen: Airbus A320neo, Boeing 737 MAX, COMAC C919 -
PW1000G von Pratt & Whitney und MTU
Kerosineinsparung gegenüber der Vorgängergeneration: 16 Prozent
NOx Reduktion unter ICAO CAEP 6 Standard: 55 Prozent
Einsatz an Flugzeugen: Airbus A320neo, Bombardier CSeries, Embraer E-Jets
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Energie einsparen im Inneren des Triebwerks
Damit ein Flugzeugtriebwerk den notwendigen Antriebsschub produzieren kann, wird Luft im sogenannten Hauptstrom in das Triebwerk eingesaugt, verdichtet und dann zur Verbrennung des Treibstoffs genutzt. Zusätzlich wird der Fan, also das Schaufelrad an der Vorderseite des Triebwerks , angetrieben, der mit dem Nebenstrom zum größten Teil für die Schubkraft sorgt. Was einfach klingt, ist in der Praxis ein komplexer Vorgang. Das Verhältnis der beiden Luftströme bestimmt maßgeblich den Kerosinverbrauch.
Je mehr Luft im Nebenstrom geführt wird, desto höher ist die Schubkraft. In modernen Antrieben kann der Anteil der Luft, der die eigentliche Brennkammer passiert, auf unter 10 Prozent reduziert werden. Die übrigen 90 Prozent bilden dann den Nebenstrom und liefern den größten Teil des Antriebs. Das war nicht immer so: In den Sechzigerjahren wurde der Schub ausschließlich aus der Verbrennung in der Brennkammer gewonnen.
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So funktioniert ein Triebwerk
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Fan, Verdichter und Brennkammer
Die Eigenschaften jeder einzelnen Baugruppe, aber auch ihr Zusammenspiel, entscheiden über die Effizienz, mit der die Energie des Kerosins in Triebwerksschub umgewandelt wird. In der Vergangenheit waren der Fan, die Verdichter und die Turbine fest miteinander verbunden. Sorgt man nun zum Beispiel mit einem Getriebe dafür, dass der Fan langsamer laufen kann als Verdichter und Turbine, kann man Kerosin einsparen, weil jede Baugruppe in ihrer optimalen Drehzahl betrieben werden kann.
Einen neuen Weg stellt dabei der sogenannte Getriebefan der Triebwerkshersteller MTU Aero Engines und Pratt & Whitney dar. Der Getriebefan stellt sicher, dass Fan, Verdichter und Turbine in dem jeweils optimalen Drehzahlbereich arbeiten. Möglich wird dies durch ein Getriebe zwischen dem Fan und der Verdichter-Einheit.
Durch diese Lösung dreht sich der Fan drei Mal langsamer als Verdichter und Turbine und macht so weniger Kerosin nötig. Eingesetzt wird der Getriebefan zum Beispiel im Airbus A320neo und spart im Vergleich zum Vorgängermodell rund 15 Prozent Kerosin ein. Damit ist das Potenzial aber noch nicht ausgeschöpft: Konzeptstudien zeigen, dass mit dieser Technologie Einsparungen bis zu 25 Prozent möglich sind.
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Weniger Verbrauch durch optimale Drehzahlen
Der Triebwerkshersteller Rolls-Royce verfolgt einen anderen Ansatz. In seinen Großtriebwerken der Trent-Baureihe nutzt er drei ineinander verlaufende Wellen, um die einzelnen Systeme – Nieder-, Mittel- und Hochdrucksystem – in ihren optimalen Geschwindigkeitsbereichen rotieren zu lassen. Dadurch wird ein sehr hoher Effizienzgrad erreicht.
Die Trent-Triebwerke werden unter anderem bei modernen Langstreckenflugzeugen der Modellreihen Airbus A350, Airbus A380 und Boeing 787 eingesetzt. Die neueste Triebwerksgeneration, die Rolls Royce gerade entwickelt ist der Ultra-Fan. Er weist durch den Einsatz eines Getriebes und die weitere Erhöhung des Nebenstromverhältnisses einen um 25 Prozent niedrigeren Verbrauch auf als die erste Generation von Trent-Triebwerken.
Auch das Joint Venture CFM International der Triebwerkshersteller Snecma und General Electric entwickelt mit dem Triebwerk LEAP ein gegenüber seinem Vorgänger CFM56 deutlich effizienteres Triebwerk. Bei diesem Modell wird ebenfalls das Nebenstromverhältnis wesentlich erhöht. Fortschrittliche Materialien wie Kohle- und Keramikfaserverbundwerkstoffe, eine neuartige Brennkammer sowie ein Fan mit großem Durchmesser helfen dabei, den Kraftstoffverbrauch um 15 Prozent zu reduzieren. Das neue LEAP-Triebwerk wird für die Flugzeuge Airbus A320neo, Boeing 737 MAX und COMAC C919 angeboten.
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Propfan – ein weiterer Schritt zu mehr Energieeffizienz
Der Propfan, manchmal auch als Open Rotor bezeichnet, ist ein Flugzeugantrieb, der mehrfach überrascht. Zum einen liegen die Schaufelräder im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinen vollständig offen. Und: Sie drehen sich gegenläufig. Durch Verzicht der Ummantelung wird der Antrieb leichter und die Propeller können größer gestaltet werden. Damit kann das Nebenstromverhältnis noch weiter gesteigert werden und es lassen sich erhebliche Treibstoffmengen einsparen. Entsprechend wird intensiv an dieser Antriebsart geforscht. Dabei ist die Idee nicht neu, erste Flugtests wurden schon in den Achtzigerjahren durchgeführt. Aber: Es gibt auch noch viele Hürden zu nehmen.
Da ist zum Beispiel die, im Vergleich zu ummantelten Triebwerken, größere Lärmentwicklung, die diese Antriebsart verursacht. Dazu kommt, dass diese Technik sich nur bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten eignet und eine Installation der Triebwerke am Flugzeug schwierig ist.
Der Grund dafür sind die großen Abstände, die wegen der außenliegenden Schaufelräder zum Rest des Flugzeugs eingehalten werden müssen. Trotzdem sind die Entwickler zuversichtlich, dass in den kommenden Jahrzehnten entsprechende Antriebe eingesetzt werden und so der Kerosinverbrauch um bis zu 30 Prozent gesenkt werden kann.
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Moderne Werkstoffe sparen Gewicht und Kerosin
Neben der Entwicklung und Steigerung der Effizienz von Triebwerken spielt auch das Gewicht beim Fliegen eine erhebliche Rolle: Je leichter die Bauteile eines Flugzeuges sind, desto weniger Energie muss beim Flug aufgewendet werden und desto mehr Kerosin kann gespart werden.
Ein Beispiel dafür ist der Fan: Hier sorgen neue und leichtere Materialien wie Titan und Faserverbundwerkstoffe dafür, dass die Schaufelräder leichter werden. Gleichzeitig lassen neue Materialien auch neue Designs zu. Sie führen beim Fan dazu, dass die Form und die Zahl der Schaufeln verändert beziehungsweise reduziert werden kann.
Eine wichtige Rolle spielen auch neue Hochtemperatur-Leichtbau-Werkstoffe im Inneren eines Flugzeugantriebs. Zusätzlich zu einer hohen mechanischen Belastung müssen neue Werkstoffe vielfach auch hohen Temperaturen trotzen: So entstehen in der Brennkammer der neuesten Triebwerke Temperaturen von bis zu 2.300 Grad Celsius. Das ist ungefähr die Hälfte der Temperatur, die auf der Sonnenoberfläche herrscht.
Ein Beispiel für einen dieser neuen Werkstoffe ist der Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoff Titanaluminid. Er kombiniert die Eigenschaften von Metall und Keramik, ist sehr widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und wiegt nur halb so viel, wie die sonst verwendeten Nickellegierungen.
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3D-Druck
Deutschland gehört zu den Spitzenreitern bei den additiven Fertigungsverfahren, besser bekannt als 3D-Druck. Ganz vorne mit dabei ist die Luftfahrtindustrie. Aus gutem Grund: Mit diesem neuen Verfahren lassen sich Flugzeugteile wesentlich schneller, preiswerter und vor allem auch in bionischen Leichtbaustrukturen, also der Natur nachempfundenen Techniken, herstellen.
Weil jede Tonne, jedes Kilo und jedes Gramm, das an Gewicht eingespart wird, am Ende weniger Kerosin verbraucht und somit den Ausstoß von Kohlendioxid reduziert, lohnt sich die Gewichtseinsparung auch bei kleinen Teilen. Ein Beispiel dafür ist das Triebwerk GE9X von General Electric. Die 19 Einspritzdüsen werden im 3D-Druck kompakt in einem Stück gefertigt und sind um ein Viertel leichter als die Vorgängermodelle, die aus mehr als einem Dutzend Teilen bestanden.
Aber auch größere Teile lassen sich auf diese Weise herstellen. So hat Rolls-Royce das größte jemals mittels 3D-(ALM) Druck hergestellte Bauteil – ein zentrales Strukturelement – bereits in der Trent XWB-Flugerprobung getestet.
Zurzeit sind es noch wenige Teile an den Antrieben der verschiedenen Hersteller, die per Laser aus pulverisiertem Aluminium, Stahl, Titan, Nickel, Kobalt oder Chrom in hauchdünnen Schichten zusammengeschmolzen werden. Bis ganze Flugzeugantriebe gedruckt werden können, bedarf es noch weiterer Forschung und Entwicklung.
Aber dieses Verfahren ist für die Unternehmen bereits jetzt sehr interessant: Die neuen Materialien und der Verzicht auf schwere Stützstrukturen ermöglichen Gewichtseinsparung bei den einzelnen Bauteilen von bis zu 50 Prozent. Außerdem können auch komplexe Formen direkt vor Ort hergestellt werden. Dies könnte in der Zukunft für die weltweite Ersatzteilversorgung Zeit und Kosten sparen.
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Flugzeugbauteile aus dem 3D-Drucker
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