1. Motivation

Die CO₂-Emissionen in der Luftfahrt werden im Wesentlichen durch drei Flugzeugklassen verursacht: durch Regionalflugzeuge zu 7 %, durch Mittelstreckenflugzeuge (Short/Medium Range: SMR) zu 51 % und durch Langstreckenflugzeuge (Long Range: LR-) zu 42 % [38]. Gewichtseinsparungen und Widerstandsreduktion im Bereich der SMR- und LR-Flugzeuge sind daher von besonderem Interesse.

Zu den möglichen Energieträgern der Luftfahrt gehören strombasiert hergestellter synthetischer Kraftstoff, auch als e-Fuel bezeichnet, Flüssigwasserstoff (LH2), Methan, Ammoniak, flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) und Batterien. Einen Überblick gibt Tab. 1.1.

e-Fuel ist attraktiv, weil es bereits heutigen Flugzeugen ermöglichen würde, CO₂-neutral zu fliegen. Allerdings zu deutlich höheren Kosten und mit hohem Primärenergieeinsatz.

LH2 ist bezogen auf die gravimetrische Energiedichte 2/3 leichter als Kerosin, benötigt das 4-fache Speichervolumen im Vergleich zu Kerosin, ist billiger und braucht weniger Primärenergieeinsatz als e-Fuel, ist aber immer noch teurer als Kerosin.

Methan, Ammoniak, Dibenzyltoluol (LOHC) und Batterien kommen für die Luftfahrt im Mittel- bis Langstreckenbereich wegen ihrer volumetrischen wie auch gravimetrischen Energiedichte eher nicht infrage.

Eine besondere Herausforderung bei Verwendung von LH2 stellt das resultierende Zusatzgewicht aus Tank und Leitungssystem dar.

Für die Ariane 6 mit einer Einmalverwendung des Tanks hat Air Liquide Energies beispielsweise einen metallischen LH2-Tank entwickelt, der 28 to aufnimmt und 5,5 to wiegt [9]. Die effektive Speicherdichte beträgt damit 28 kWh/kg.

In einer DLR-Studie [102] wird für ein LH2-Füllgewicht von 781 kg bei einer Positionierung eines CFK-Tanks im Heck des Flugzeugs ein Gesamtsystemgewicht von 2432 kg angenommen. Die resultierende effektive Speicherdichte liegt mit 10,7 kWh/kg auf dem Niveau von Kerosin, aber das Mehrvolumen bleibt.

Die benötigten Mengen an (grünem) e-Fuel oder Wasserstoff werden neben den Gestehungskosten und verbleibenden Restemissionen eine besondere Herausforderung darstellen, da die Luftfahrt mit anderen Verbrauchern konkurriert [23].

Welcher Energieträger auch immer gewählt wird oder in der Zukunft verfügbar sein wird; es bleibt von entscheidender Bedeutung, den Energieverbrauch zu senken. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es zwei wesentliche Einflussgrößen: Die Gewichts- und die Luftwiderstandsreduktion.

Bezüglich möglicher Gewichtseinsparungen wird nach Primär- und Sekundärstruktur unterschieden (Abb. 1.1). Erstere beschreibt die tragende Struktur des Flugzeugs und muss daher besonders hohen Sicherheits- und Zulassungsanforderungen genügen. Für Primärstrukturen kommen überwiegend verbesserte Methoden des klassischen Leichtbaus zum Einsatz, aber auch passive Möglichkeiten des Systemleichtbaus für die Laminarhaltung. Gewichtseinsparungen bei Sekundärstrukturen und Kabinenelementen sowie aktive Systeme zur Laminarhaltung stehen im Fokus des Systemleichtbaus.

Die Primärstruktur eines typischen SMR-Flugzeugs (Flügel, Rumpf und Leitwerke) wiegt in heutiger metallischer Bauweise etwa 15 t. Es kann gezeigt werden, dass ein verbessertes Wissen über moderne Leichtbauwerkstoffe, ihre Kennwerte und neue Bauweisen eine Gewichtsreduktion von circa 20 % ermöglichen. Aus den Sekundärstrukturen, den Systemen und der Kabine (in Summe etwa 13 t) lassen sich mit dem Prinzip der Funktionsintegration des Systemleichtbaus weitere rund 10 % einsparen. Das Leergewicht eines SMR-Flugzeugs von 44 t (einschließlich der Fahrwerke, Triebwerke und Betriebsmittel) kann mit heutigem Stand des Wissens also um mindestens 4,3 t reduziert werden. Weitere Gewichtseinsparungsmöglichkeiten liegen in aktiven Flugsteuerungssystemen zur Lastminderung [95].

Für ein SMR-Flugzeug bedeutet die Reduktion des Abfluggewichts um eine Tonne bei einer Reisefluglänge von 2000 nautischen Meilen nach Brequet [3] eine Treibstoffeinsparung von 171 L Kerosin oder e-Fuel. Flugzeuge dieser Klasse werden auf 60.000 Flugzyklen [11] ausgelegt. Durch die Reduktion des Abfluggewichtes werden damit im Laufe eines Flugzeuglebens 10,3 Mio. L Treibstoff eingespart. Dabei sind Zusatzeinsparungen aus dem reduzierten Treibstoffgewicht nicht berücksichtigt. Wird eine 100 %ige Verfügbarkeit von e-Fuel im Jahr 2050 und ein optimistischer Preis von 0,2 €/kWh [4] angenommen, so spart eine Tonne Abfluggewicht knapp 20 Mio. € während des Flugzeuglebens. Wird von einer weiteren Nutzung fossiler Treibstoffe ausgegangen, ergibt sich für das betrachtete Beispiel eine Einsparung von 25.800 t CO₂ und da der Preis für Kerosin bis 2050 durch höhere Gestehungskosten und Emissionszertifikate ebenfalls steigt, werden auch in diesem Fall mindestens 10 Mio. € eingespart.

Einen wesentlichen Anteil an der Minimierung des Energieverbrauchs künftiger Flugzeuge leistet der Systemleichtbau im Zusammenwirken mit der Aerodynamik bei der Reduktion des Reibungswiderstands. Durch die Vermeidung von Welligkeiten und Kanten der umströmten Struktur wird die natürliche Laminarhaltung (Natural Laminar Flow: NLF) auf maximaler Lauflänge über das Profil ermöglicht und mithilfe der Absaugung von Grenzschichtwirbeln und variablen Steuerung der Strömungsablösung an Auftriebsflächen und Rumpf die aktive Laminarhaltung (Laminar Flow Control: LFC) unterstützt.

Eine Erhöhung der Gleitzahl um 1 % führt nach Brequet über das Leben eines SMR-Flugzeugs bei oben genannten Annahmen zu einer Treibstoffeinsparung von 9 Mio. L Treibstoff und für e-Fuel zu einer Betriebskosteneinsparung von 18 Mio. €.

Wird mangels Verfügbarkeit von e-Fuel doch Kerosin genutzt, würde die Verbesserung der Gleitzahl um 1 % rund 22.500 t CO₂ einsparen und die Betriebskosten um 9 Mio. € senken.

Es versteht sich, dass auch die Kosten für die Herstellung von Leichtbaustrukturen des Flugzeugbaus in Grenzen gehalten werden müssen. Auch hier bieten Entwicklungen des Systemleichtbaus auf dem Gebiet der Fertigungstechnologien und Qualitätssicherung deutliches Einsparungspotential; oft nicht gegen, sondern mit gleichzeitigen Gewichtseinsparungen.

Eine Möglichkeit des Systemleichtbaus ist die Substitution von Werkstoffen in Richtung höherer struktureller Leistungsfähigkeit. Insbesondere der Einsatz von CFK bietet großes Potenzial bezüglich

Faserverbunde (FV) aus CFK zeichnen sich durch die höchsten (gewichts-)spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten aus, siehe Abb. 1.2. Dieser Umstand, verbunden mit der Korrosionsbeständigkeit und sehr hohen Ermüdungsfestigkeit, hat bei Zivilflugzeugen der letzten Generationen zu einer Steigerung des Anteils von CFK auf etwa 50 % an der Primärstruktur geführt.

Wären alleine Festigkeit und Steifigkeit für eine Flugzeugstruktur bestimmend, würden CFK-Strukturen bei gleicher Tragfähigkeit nur 20 % einer vergleichbaren Leichtmetallstruktur wiegen. Dieses sehr hohe Leichtbaupotential kann aber aus vielen Gründen nicht annähernd ausgeschöpft werden. Vorrangig ist die fehlende Plastizität, durch die sich optisch bei Metallen eine Beschädigung gut erkennen lässt, dafür verantwortlich. CFK-Strukturen neigen bei Stoßbelastung zu optisch nicht sichtbaren Delaminationen im Harzbereich, die die Tragfähigkeit insbesondere bei Druck- und Schubbelastung reduzieren. Daher werden Kennwerte oft weit unterhalb der theoretisch möglichen Materialeigenschaften angesetzt (Abschn. 2.​2). Eine weitere wesentliche Schwierigkeit liegt in der nicht faserverbundgerechten Bauweise heutiger Flugzeugstrukturen. So schränken die gegenwärtigen Lufttüchtigkeitsanforderungen die Zulassung von Sandwich-Bauweisen in der Primärstruktur (Abschn. 2.​3) und strukturelle Klebungen (Abschn. 2.​4) stark ein.

Diese und weitere Einschränkungen in der Nutzung von CFK aufzuheben ist von großer Bedeutung für künftige Leichtbaustrukturen. Ergebnisse aus der Forschung zeigen, dass hier wesentliche Fortschritte möglich sind.

Die Nutzung von CFK in Flügelstrukturen ist inzwischen die Regel. Die Anwendung in Rumpfstrukturen ist dagegen noch nicht etabliert, da sich gezeigt hat, dass der Gewichtsvorteil u. a. aus den oben genannten Gründen nicht so hoch ist, wie zunächst prognostiziert und die Kosten der Fertigung deutlich höher sind, als die vergleichbarer metallischer Strukturen. Daher sind hier weitergehende Möglichkeiten zur Kostenreduktion in der Fertigung zu entwickeln und verfügbar zu machen.

Mitunter wird darauf hingewiesen, dass die Herstellung von CFK-Strukturen deutlich energieintensiver ist, als die von metallischen Leichtbauwerkstoffen [25]. Allerdings zeigen Lebenszyklus-Analysen (LCA), dass im Flugzeug zwischen 0,1 % (LR-Flugzeug) bis 0,2 % (SMR-Flugzeug) des gesamten CO₂-Footprint auf die Produktion entfallen [53, 111]. Damit ist im Flugzeugbau der Einsatz von CFK infolge der Energieeinsparungen über das Gesamtflugzeugleben auch aus ökologischen Gründen von Vorteil.

Faserverbunde gehören zur Klasse der generativen Werkstoffe, deren mechanische Eigenschaften erst im Herstellungsprozess der Bauteile aus unterschiedlichen Halbzeugen entstehen. Kennzeichnend ist eine Wechselwirkung zwischen Materialien, Simulationswerkzeugen, Bauweisen, Methoden der Fertigung, der Integration von Funktionen sowie der Umsetzung im industriellen Maßstab. Neue Berechnungsmethoden ermöglichen neue Bauweisen und neue Fertigungstechnologien den Einsatz neuer Werkstoffe. Einzelerkenntnisse lassen sich ganz unterschiedlich kombinieren, um leichtere, widerstandsreduzierte, kostengünstigere und wartungsfreundlichere Flugzeugstrukturen zu realisieren. Im Systemleichtbau können auch zunächst unscheinbare Erkenntnisse auf dem Weg in die Flugzeugstruktur große Wirkung entfalten.

Für ein Verständnis, worauf sich die Potentialeinschätzungen zu Gewichtseinsparung und Widerstandsreduktion des Systemleichtbaus gründen, ist ein Blick auf die Prozesskette und beispielhafte Forschungsergebnisse der Teilgebiete hilfreich. Hierbei ergeben sich unterschiedlichste Optionen für die Luftfahrtindustrie entlang der ganzen Wertschöpfungskette des Flugzeugbaus. In der Prozesskette, Abb. 1.3, nutzt die Adaptronik die Potenziale der Funktionsintegration aus systemischer Sicht.

Auch wenn die Ausführungen der folgenden Kapitel es anstreben; nicht alle hier beschriebenen Forschungsergebnisse sind in ihrer Wirkung auf Gewicht, Fertigungskosten oder Strömungswiderstand direkt zu quantifizieren, weil sie beispielsweise unterschiedliche Wirkungen entfalten im Zusammenspiel mit verschiedenen Flugzeugkonzepten und Bauweisen, aber auch Halbzeugen oder Fertigungstechnologien.

Die Beispiele sind in 3 Hauptkapiteln zusammengefasst:

Die meisten in den nächsten Kapiteln berichteten Ergebnisse weisen auf Potenziale hin, die bisher noch nicht umgesetzt wurden. Die ausgewählten Beispiele entstammen nahezu alle den Forschungsarbeiten der letzten 15 Jahre, die am DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik (ab 2023 DLR-Institut für Systemleichtbau) gemeinsam mit Partnern durchgeführt wurden. Eine Vielzahl weiterer Forschungsergebnisse des Systemleichtbaus finden sich z. B. in [6].