Computergestützte Methoden führen wasserstoffbetriebene Flugzeugtriebwerke in eine grünere Zukunft
Der Luftverkehrssektor ist für über 2 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, und ohne signifikante Maßnahmen wird sich dieser Wert bis 2050 voraussichtlich beinahe vervierfachen. Die Innovationen im Bereich der elektrischen Luftfahrt sind zwar im Aufwind, aber die begrenzte Energiedichte und die Kosten der Batterien verhindern, dass diese Technologien die für Langstreckenflüge erforderliche Geschwindigkeit und Nutzlast erreichen. Zukünftige Antriebstechnologien mit Wasserstoff verfügen über das Potenzial, die Effizienz und Leistung herkömmlicher Flugzeugturbinen erheblich zu steigern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Triebwerken, die auf einem Verbrennungsprozess mit konstantem Druck beruhen, erzeugen wasserstoffbasierte Druck erhöhende Verbrennungsmotoren einen Druckanstieg in der Brennkammer. Diese Innovation sorgt für eine bessere Kraftstoffausnutzung und eine höhere Gesamtleistung.
Wasserstoff als Energieträger nutzen
Im Rahmen des über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführten Projekts FLOWCID wurde die Entwicklung innovativer computergestützter Methoden vorgeschlagen, um die wichtigsten Herausforderungen von emissionsfreien Brennkammern und Turbinen mit Druckverstärkung anzugehen. „Wir wollten zwei wesentliche strömungsdynamische Probleme überwinden, die kompakte Antriebskonzepte behindern: Strömungsabriss durch hohe Druckgradienten und Fehlstart, bei dem sich der Luftstrom nicht gleichmäßig durch die Turbine bewegt und den Betrieb des Triebwerks unterbricht“, bemerkt der Forschungsstipendiat Eusebio Valero. Um diese Herausforderungen zu meistern, setzte FLOWCID fortgeschrittene numerische Simulationen, mathematische Analysen und experimentelle Validierung ein. Ziel war es, die Strömungsdynamik in hochtourigen internen Strömungen, wie sie in wasserstoffbasierten Druck erhöhenden Triebwerken vorkommen, zu verstehen und zu kontrollieren.
Wichtigste Erfolge
Valero und der Projektleiter an der Purdue-Universität, Guillermo Paniagua, erzielten wichtige Fortschritte bei der Weiterentwicklung dieser Technologie. Eine wichtige Errungenschaft war die Verbesserung von Computermodellen, die simulieren, wie sich Luft und Gase durch hochtourige interne Strömungen bewegen. Durch die Verfeinerung dieser Simulationen konnten die Forschenden besser vorhersagen und verstehen, wie sich Turbulenzen und plötzliche Änderungen der Luftströmung, sogenannte Schocks, auf die Triebwerksleistung auswirken. Damit wird gewährleistet, dass die Triebwerke für den Einsatz unter realen Bedingungen ausgelegt sind. Ein weiterer Schwerpunkt war die Bewältigung der enormen Datenmengen, die bei diesen Simulationen anfallen. Mithilfe innovativer Methoden erkannte das Team wichtige Muster im Luftströmungsverhalten, insbesondere in Bereichen, in denen Probleme wie Strömungsabfall auftreten. „Diese Ergebnisse lieferten wichtige Erkenntnisse über die Ursachen von Ineffizienzen und boten Ideen für deren Beseitigung“, betont Valero. Eine weitere wichtige Errungenschaft war die Untersuchung, wie sich kleine Änderungen der Triebwerkskonstruktion oder der Betriebsbedingungen auf den Luftstrom auswirken. Dadurch konnte das Team Strategien zur Leistungssteigerung entwickeln, z. B. die Feinabstimmung der Triebwerksform oder die Anwendung von Verfahren wie dem Einblasen von Luft an bestimmten Punkten, um die Strömung gleichmäßig und effizient zu halten.
Auswirkungen auf den Luftverkehr und andere Bereiche
Die Innovationen des Projekts FLOWCID haben erhebliche ökologische und sozioökonomische Auswirkungen. Durch die Verfeinerung der computergestützten Methoden hoher Ordnung und Stabilitätslösern trägt das Projektteam zu einer präzisen rechnerischen Analyse künftiger Antriebssysteme bei, die für die Verwirklichung eines emissionsfreien Luftverkehrs, eine geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die Eindämmung des Klimawandels unerlässlich sind. Wichtig ist, dass die Projektfortschritte bei den Simulations- und Strömungskontrollmethoden über den Luftverkehr hinausgehen. Aufbauend auf diesem Erfolg will FLOWCID eine umfassende Sensitivitätskarte der physikalischen Strömungsmerkmale erstellen, die das komplexe aerodynamische Verhalten beeinflussen, und maschinelles Lernen integrieren, um neue aerodynamische Konfigurationen zu bestimmen und zu optimieren. „Wir sind zuversichtlich, dass unsere kontinuierlichen Bemühungen die Strömungssteuerung und die Effizienz der Konstruktion weiter verbessern werden, damit wasserstoffbasierte fortgeschrittene Verbrennungsmotoren eine echte Alternative zu herkömmlichen Flugzeugtriebwerken darstellen“, so Valero abschließend.
Schlüsselbegriffe
FLOWCID, Druck erhöhende Triebwerke, Luftfahrt, Wasserstoff, Nullemission, Strömungsabfall
