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Effizienz in der Luft

Warum müssen Triebwerke bei höchstmöglichen Temperaturen laufen? Die Antwort auf diese und andere Fragen der Motorenkonstruktion liegt in einer beinahe unsichtbaren Technologie.

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Wann immer ein neues Flugzeug vorgestellt wird, sind die Medien und die Öffentlichkeit unweigerlich von der Grösse, der Geschwindigkeit und der Reichweite des neuen Modells beeindruckt. Auch bequemere Sitzkonfigurationen und modernere Unterhaltungssysteme sorgen regelmässig für Schlagzeilen. Das ist der Moment – oft nach Jahrzehnten schwierigster Entwicklungsarbeit – in dem sich die Designer der Flugzeugzelle ihren wohlverdienten Applaus abholen.

Wenn es jedoch um den Ticketkauf geht, suchen die meisten Passagiere nach dem  besten Preis. Niedrigere Tarife pro Passagiermeile sind es denn auch, welche die Umsätze bei den Fluglinien nach oben treiben. Niedrigere Emissionen pro Passagiermeile und leisere Triebwerke machen das Fliegen überdies ökologisch nachhaltiger.

Die heimlichen Helden dieser Entwicklungen sind die Männer und Frauen, die die Triebwerke konstruieren und ständig weiterentwickeln. Dank ihrer Arbeit werden Strahltriebwerke immer energieeffizienter – ohne dabei Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Das wirkt sich entscheidend auf die Kosten für das Flugticket und die Umweltverträglichkeit der Flugzeuge aus

Einige dieser Ingenieure arbeiten für die Flugzeughersteller, andere für die Triebwerkshersteller. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie bis zu einem gewissen Grad von technologischen Fortschritten abhängig sind, die nur Eingeweihten bekannt sind. Solche Innovationen werden etwa bei Oerlikon Metco entwickelt.

Oerlikon Metco verfügt über ein einzigartiges, technologisches Fachwissen auf dem Gebiet der Materialeigenschaften und Oberflächenlösungen und ist so zu dem Ansprechpartner für Luftfahrt-Ingenieure geworden, denen es um die Steigerung der Triebwerksleistung geht.

Wer heute an modernen Antrieben  forscht oder sie entwickelt, will vor allem eines: Leichtere, leisere, robustere, zuverlässigere und leistungsstärkere  Triebwerke, die zugleich weniger Kraftstoff verbrauchen und diesen mit weniger Rückständen verbrennen.

Stärker und sauberer: Das klingt ganz einfach. Einfache Ziele sind leider nicht immer einfach zu erreichen. Doch Oerlikon Metco hat eine breite Palette an Technologien entwickelt, die den Geschäftspartnern genau dies ermöglicht.

Vorausdenken

Wenn ein Unternehmen erfolgreich neue Werkstoffe oder Verfahren für Luft- und Raumfahrtkunden entwickeln will, dann muss es die künftigen Bedürfnisse seiner Kunden antizipieren. „Die Innovationen, die heute in Triebwerke eingebaut werden, werden manchmal über einen Zeitraum von drei Jahrzehnten entwickelt“, sagt Dieter Sporer, Industriesegmentleiter Luft-, Raumfahrt und Energieerzeugung bei Oerlikon Metco.

„Bedeutende Investitionen an Zeit und Geld sind nötig, um neue Technologien zu testen. Erst danach werden sie in neue Triebwerke eingebaut“, erklärt Sporer weiter. „Das liegt zum einen natürlich an den Auflagen der Luftfahrtbehörden. Zum anderen – und noch wichtiger – liegt das an den Triebwerksherstellern selbst, die extrem gründliche Testprogramme fahren, um so die Serientauglichkeit, die technische Leistung und die Betriebszuverlässigkeit aller Teile sicherzustellen.“

Keramische Faserverbundwerkstoffe (CMCs) sind ein gutes Beispiel für solch ein langfristiges Denken. Mitte der 1980er Jahre dachte man erstmals daran, sie für Triebwerke zu verwenden. Erst in letzter Zeit aber konnte man beweisen, dass CMCs für die praktische Anwendung in Triebwerken von Verkehrsflugzeugen tatsächlich geeignet sind.

Der Vorteil von diesen Hochtemperaturwerkstoffen: Sie sind leicht und extrem warmfest. Ohne Schutzschichten könnte allerdings eine optimale Leistung – einschliesslich der ökologischen Stabilität in den Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsgasen – nicht gewährleistet werden. Neue Triebwerk-Konstruktionen sollten nämlich bei höchstmöglichen Temperaturen laufen, weil das ihre thermische Effizienz verbessert.  „Auf diese Weise kann man die Leistung beim Start erhöhen, ein grösseres Startgewicht ermöglichen oder den Kraftstoffverbrauch senken“, sagt Sporer. „Das reduziert die direkten Betriebskosten und ermöglicht es dem Flugzeug, eine höhere Nutzlast zu transportieren – was gleichzeitig auch die CO2-Emissionen reduziert.”

Um ein Strahltriebwerk bei extrem hohen Temperaturen zu betreiben, müssen Hochleistungsbeschichtungen eine Wärmedämmschicht zwischen dem Gas und den Turbinen-Komponenten schaffen, um so die Turbinenschaufeln zu schützen.

„Die Beschichtungen spielen eine entscheidende Rolle, um hohe Temperaturen in der Praxis zu ermöglichen“, führt Sporer aus. „Es gibt einen konstanten Bedarf für innovative Beschichtungen, die bei immer höheren Temperaturen noch zuverlässig arbeiten. Wir liefern Herstellern, die neue Wege gehen wollen, die Werkstoffe, die Beschichtungsanlagen und auch die Spezifikationen für Beschichtungen.

Beschichtungen auf Jet-Turbinen schützen sie vor Umwelteinflüssen und Korrosion und helfen damit, Kraftstoff zu sparen, sowie Emissionen und Kosten für Passagiere zu reduzieren.

Immer weiter, immer höher

Auch die Verdichterdruckverhältnisse wurden mit jeder Generation von neuen Triebwerken immer grösser. Einlaufschichten verbessern dabei sowohl die Effizienz als auch die Betriebssicherheit in entscheidender Weise. Das weiss Oerlikon auch, weil die Produkte des Unternehmens jedes Jahr auf Turbofan- und Turboprop-Maschinen Millionen von Flugstunden ansammeln. Ihre Leistungsfähigkeit wird überdies jeweils auf grossen Prüfständen getestet.

„Einer dieser Prüfstände ist der einzige Komponentenvalidierungsstand seiner Art weltweit“, sagt Sporer. „Mit ihm können wir die Betriebsbedingungen von Triebwerken simulieren, wie es sonst nur an realen Triebwerken möglich ist. Damit können die Hersteller beträchtliche Kosten einsparen.

Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie Oerlikon den Luftfahrt-Ingenieuren Paketlösungen anbietet, die vom Werkstoffsystem über fortschrittlichste Beschichtungsverfahren bis hin zum Oberflächentest reichen. Das Segment Surface Solutions liefert ausserdem Beschichtungen, die die Triebwerke vor physikalischer Abnutzung und Funktionseinbussen schützen – Beschichtungen, die im gesamten Triebwerk aufgetragen werden, um Schäden aufgrund von erosivem oder korrosivem Verschleiss zu vermeiden. Und: Das Unternehmen ist überdies weltweit führend im PVD-Dünnfilmgeschäft (PVD: physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren). Diese Technik, mit der man die Partikelerosion und Korrosionsphänomene in Triebwerken bekämpfen kann, beginnt sich gerade breit durchzusetzen.

Nach den Aussichten für die Zukunft gefragt, erwidert Dieter Sporer zuversichtlich: „Der Einsatz neuer Werkstoffe wie CMCs und Aluminide – eine Klasse von Werkstoffen, die zwischen Metall und Keramik angesiedelt ist – könnte sich die Bauweise von Strahltriebwerken in der nahen Zukunft sehr wohl verändern – aber dafür braucht es die innovativen Oberflächenlösungen, Werkstoffe und Applikationsprozesse, die Oerlikon Metco zu bieten hat.“

Dies sind gute Nachrichten für die Triebwerkskonstrukteure. Für die Passagiere jedoch wird diese heimliche Revolution bei den Antrieben immer unsichtbar bleiben, auch wenn sie davon in vielfältiger Weise profitieren: Diese Oberflächenlösungen werden die Verkehrsflugzeuge ständig leistungsfähiger, wirtschaftlicher und ökologischer machen – und nicht zuletzt die Flugtickets günstiger.

Von Frederic Love

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