MTU und Bauhaus Luftfahrt: Simulationen und zukünftige Antriebskonzepte

Wie sieht das Flugzeug von morgen aus? Intensiv haben Ingenieur:innen in kleinen virtuellen Teams an Technologie- und Design-Vorschlägen gearbeitet. Ohne Denkverbote. Ergebnisoffen. Jetzt projiziert der Beamer das erste von neun Konzepten an die Wand. Ingenieur:innen von der MTU Aero Engines und dem Bauhaus Luftfahrt sind an diesem Tag im Seminarraum auf dem Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen bei München zusammengekommen.

Auf der Tagesordnung stehen zukünftige Antriebskonzepte. Um die ehrgeizigen Ziele des Pariser Klimaabkommens, die Temperaturerhöhung auf möglichst 1,5 Grad Celsius gegenüber der vorindustriellen Zeit zu begrenzen, zu erreichen, ist die evolutionäre Weiterentwicklung der Gasturbine nicht ausreichend – es sind revolutionäre Antriebskonzepte gefragt. Eines davon ist das WET-Konzept – die Abkürzung steht für Water-Enhanced Turbofan. Damit können voraussichtlich alle klimawirkenden Effekte – Kohlendioxid, Stickoxid und Kondensstreifen – in hohem Maße reduziert werden. Verglichen mit derzeitigen Flugzeugantrieben wäre die gasturbinenbasierte WET-Technologie auch deutlich effizienter, da es die Restwärme des Abgasstrahls des Triebwerks nutzt.

Doch wie muss ein solcher Turbofan aussehen? Und wie lässt er sich in ein Flugzeug integrieren? Soll man ihn unter den Flügeln montieren wie ein klassisches Triebwerk? Oder muss man ihn ganz anders integrieren und damit das komplette Design des Flugzeugs verändern? „Das WET-Konzept ist eine revolutionäre Idee, die sich noch in einer sehr frühen Phase befindet, und genau jetzt, in dieser frühen Phase, ist der richtige Zeitpunkt, diese Fragen zu stellen“, betont Fabian Donus, Leiter des MTU-Innovationsmanagements. „Die Kooperation mit dem Bauhaus Luftfahrt hilft uns, Antworten zu finden: Das Team verfügt über die nötige Kompetenz, unsere Triebwerks-Designs in komplette Flugzeugmodelle zu integrieren. Nur so kann das optimale Design identifiziert werden.“

Programme, die sehen, was es noch gar nicht gibt

Labore, Messgeräte und Prüfeinrichtungen sucht man beim Bauhaus Luftfahrt in Taufkirchen bei München vergeblich. Die Mitarbeiter:innen auf dem Ludwig Bölkow Campus sitzen in Büros und arbeiten an PCs. Ihre Forschung ist vor allem virtuell. „Mit Hilfe von Simulationsprogrammen können wir beispielsweise das aerodynamische Verhalten simulieren und wichtige Auslegungsparameter wie Widerstand, Gewicht und Effizienz, ermitteln – lange bevor ein Flugzeug gebaut wird. So lassen sich auch für das WET-Konzept Energiebedarf, Kraftstoffverbrauch und die Auswirkungen auf das Klima berechnen“, erklärt Dr. Jochen Kaiser, Head of Visionary Aircraft Concepts beim Bauhaus. Und weiter: „Ein verändertes Design von Flugzeug und Triebwerk kann diese Kennwerte verbessern oder auch verschlechtern. Daher ist es so wichtig, dass wir schon in einer frühen Entwicklungsphase simulieren, ob ein Konzept geeignet ist, Energie zu sparen und die Klimawirkung zu senken.“

Die Bauhaus-Ingenieur:innen sind Spezialist:innen für solche Simulationen: Über viele Jahre haben sie die notwendigen Kompetenzen und Methoden für den konzeptuellen Flugzeugentwurf aufgebaut. Mit ihnen lassen sich die Auswirkungen neuer Antriebskonzepte auf den gesamten Flugzeugentwurf bewerten. Damit kann letztendlich die Leistungsfähigkeit zukünftiger Verkehrsflugzeuge sowie deren verbesserter Einfluss auf die Umwelt frühzeitig betrachtet werden.

Für alle Konfigurationen von Triebwerk und Flugzeug, die bei WET zur Diskussion stehen, haben die Bauhaus-Expert:innen die Leistungsdaten ermittelt. „Der Charme der Simulationen liegt darin, dass man alles ausprobieren kann. Weil alles virtuell ist, lassen sich verschiedene Möglichkeiten visualisieren und bewerten. Das ist für die Entscheidungsfindung enorm hilfreich“, erläutert Dr. Sascha Kaiser, Projektleiter Water-Enhanced Turbofan bei der MTU. Am Ende fällt die Wahl auf ein Design mit Triebwerksgondeln, die – wie gewohnt – unter den Flügeln montiert werden können. Die Lösung hat mehrere Vorteile: Das Flugzeug muss nur wenig verändert werden, der Antrieb ist leicht zugänglich und die Flughafeninfrastruktur lässt sich weiter nutzen.

Hilfe aus dem multidisziplinären Think-Tank

Die Zusammenarbeit beim WET-Konzept ist nur eines von vielen gemeinsamen Projekten der MTU und des Bauhaus‘ Luftfahrt. „Der Think-Tank ist enorm vielseitig“, betont Dr. Arne Weckend, Repräsentant Technologie-Kooperationen bei der MTU. „Da die Ideenschmiede von verschiedenen Akteuren aus der Branche – Triebwerks- und Flugzeugherstellern sowie Herstellern von Flugzeugsystemen und dem Freistaat Bayern – gegründet wurde und zusätzlich eng mit Flughafenbetreibern und Kraftstoffentwicklern zusammenarbeitet, verfügt das Team über hervorragende interdisziplinäre Kontakte und hat übergreifende Kompetenzen bei der Bewertung neuer Luftverkehrskonzepte und Antriebskonzepte, die sich daraus ergeben.“

Die Bauhaus-Expertise ist auch in die Technologie-Agenda Claire der MTU eingeflossen: So saßen die Bauhaus-Expert:innen schon mit am Tisch, als 2007 die erste Claire-Version – die Abkürzung steht für Clean Air Engine – formuliert wurde. Damals stand neben der Reduktion des Lärms und der gesundheitswirkenden Abgasemissionen der Treibstoffverbrauch der unterschiedlichen Triebwerkskonzepte im Vordergrund. Auch an der Claire-Weiterentwicklung in diesem Jahr war das Bauhaus beteiligt – jetzt zielt Claire auf das emissionsfreie Fliegen ab.

Simulationen für einen emissionsfreien Luftverkehr

Doch kann das gelingen? Die Partner haben zusammen verschiedene Ansätze erarbeitet, wie sich die Klimawirkung der Luftfahrt in Zukunft drastisch reduzieren lässt: Die Entwicklung der WET-Technologie ist einer davon. Ein Produkt würde allerdings erst ab ca. 2035 verfügbar sein. Zuerst müssen sich die Potenziale bestätigen und die Machbarkeit nachgewiesen werden.

Kurzfristig hilft die flächendeckende Nutzung von Sustainable Aviation Fuels, SAF, Emissionen zu reduzieren: Der grüne Kraftstoff kann bereits heute dem normalen Kerosin beigemischt werden. Auch der Water-Enhanced Turbofan kann damit betrieben werden. In naher Zukunft sollen Flugzeuge mit 100 Prozent SAF fliegen, heute sind Beimischungen von maximal 50 Prozent zugelassen. „Die Simulationen des Bauhaus‘ Luftfahrt zeigen, dass auch eine Nutzung von 100% SAF mit hoher Wahrscheinlichkeit ohne großen Mehraufwand möglich wäre und dass man die Triebwerke und Flugzeuge, wenn überhaupt, nur minimal modifizieren müsste“, schildert Donus. „Die Infrastruktur an den Flughäfen könnte wahrscheinlich ebenfalls unverändert genutzt werden.“

Langfristig wird auch ein weiteres Konzept verfügbar sein: die Flying Fuel Cell, kurz FFC. Die Fliegende Brennstoffzelle der MTU wandelt flüssigen Wasserstoff in Strom. Damit treibt ein hocheffizienter Elektromotor den Propeller an. Das hat den Vorteil, dass kein Kohlendioxid, keine Stickoxide und Rußpartikel emittiert werden, lediglich Wasser wird ausgestoßen. Die FFC ist damit nahezu emissionsfrei. Um mit Wasserstoff fliegen zu können, braucht man allerdings neue Flugzeugdesigns, da die Wasserstofftanks deutlich voluminöser sind als Kerosintanks und zusätzlich isoliert werden müssen. Um das Volumen zu minimieren, kann Wasserstoff in der kommerziellen Luftfahrt ausschließlich flüssig, also bei -253 Grad Celsius, genutzt werden. Das Bauhaus-Team erarbeitet hierfür derzeit verschiedene Design-Vorschläge und bewertet außerdem, welche Auswirkungen Herstellung, Transport und Verteilung von Wasserstoff auf die Umwelt und den Preis haben.

„Jeder Ansatz hat Vor- und Nachteile. Man wird im Einzelfall abwägen müssen“, resümiert Kaiser. „Unsere Simulationen sollen bei der Entscheidungsfindung helfen, indem sie sichtbar machen, in welchem Zeitrahmen und Ausmaß die verschiedenen Technologien die Emissionen der Luftfahrt reduzieren können.“ Auch das Bauhaus Luftfahrt könne schließlich nicht weissagen, fügt der Ingenieur mit einem Augenzwinkern hinzu. „Unser Ziel ist es jedoch, die Technologieoptionen in der Luftfahrt für die kommenden Jahrzehnte realistisch zu bewerten und damit Möglichkeiten aufzuzeigen, die uns emissionsfreies Fliegen ermöglichen werden.“