Die Experten des diesjährigen Luftfahrtsymposiums waren sich in ihrem Schluss einig, dass sich der kommerzielle Luftverkehr bis zum Jahr 2020 verdoppeln wird. Diese Wachstumsperspektiven bringen nicht nur Herausforderungen im Hinblick auf die Infrastruktur mit sich. Die Industrie ist auch gefordert, trotz der Fortschritte der letzten Jahrzehnte, die Flugzeuge noch effizienter zu machen. Einen entscheidenden Anteil daran haben die Triebwerkhersteller.

Die Ziele Europas in diesem Bereich sind ambitioniert. So fordert der Rat für Luft- und Raumfahrtforschung (Advisory Council for Aeronautics Reseach in Europe – kurz ACARE), dass Flugzeuge nicht nur weniger Kraftstoff verbrauchen, sondern auch nur mehr halb so laut sind und darüber hinaus auch weniger Schadstoffe ausstoßen – die Emissionswerte sollen um 80 Prozent sinken. Um 50 Prozent, so das erklärte Ziel, soll der Kraftstoffverbrauch pro Passagierkilometer im Jahr 2020 unter dem heutiger Werte liegen. Ein Verbrauch von weniger als drei Litern rückt damit in greifbare Nähe.

Einen wesentlichen Anteil an dieser Entwicklung haben die Triebwerksbauer wie etwa die in München beheimatete MTU Aero Engines. Dem entsprechend erklärt auch Prof. Dr. Klaus Broichhausen, Chef des neu gegründeten Bauhaus Luftfahrt die Möglichkeiten Verbesserungen zu erzielen: „Der erste ist die Optimierung bestehender Antriebskonzepte und der zweite die Entwicklung völlig neuer Technologien. Bei der Optimierung nehmen sich die Ingenieure jede Komponente – Verdichter, Brennkammer, Turbine – vor und suchen nach Verbesserungsmöglichkeiten. Als Faustformel gilt: Wird der Wirkungsgrad einer Komponente um ein Prozent erhöht, spart man bis zu einem Prozent Kraftstoff. Broichhausen schätzt, dass durch die Optimierung der Kernkomponenten – Hochdruckverdichter, Brennkammer und Hochdruckturbine – insgesamt zwei bis drei Prozent Kraftstoffreduzierung möglich sind. Ein optimierter Fan sowie Niedrigdruckverdichter und Niedrigdruckturbine bringen weitere drei bis vier Prozent.

NEUE TRIEBSWERKSKONZEPTE GEFORDERT

Alle Verfeinerungen zusammengenommen reichen allerdings nicht aus, um die ambitionierten ACARE-Ziele zu erreichen – neue Technologien müssen her. Broichhausen: „Die neuen Triebwerkskonzepte können jedoch nur funktionieren, wenn die Komponenten ihre Spitzenwerte bringen.“ Die Forschung läuft bereits seit Jahren. So arbeitet etwa MTU im Verbund mit anderen Triebwerksherstellern, Wissenschaftlern und Forschungsinstitutionen an den Technologien der Zukunft. Die viel versprechendsten Lösungen sind der Getriebefan, die Wärmetauschertechnologie und das „aktive“ Triebwerk. Als eines der interessantesten Zukunftsprogramme arbeitete ein Firmenkonsortium am so genannten Advanced Technology Fan Integrator, kurz ATFI. Dieser Demonstrator ist ein Antrieb mit einem Untersetzungsgetriebe, das zwischen Fan und Niedrigdruckturbine geschaltet ist. Bei herkömmlichen Triebwerken sind diese beiden Komponenten durch eine gemeinsame Welle verbunden. Das Getriebe entkoppelt Fan und Turbine und bewirkt, dass der Fan mit seinem großen Durchmesser langsamer laufen kann als bei herkömmlichen Triebwerken und die Turbine erheblich schneller. Beide Komponenten erreichen so ihr Optimum und verhelfen dem Getriebefan zu einem extrem hohen Wirkungsgrad und das bei einer geringen Geräuschentwicklung. Nochmals ein gutes Stück spritsparender kann der Getriebefan mit Wärmetauschern gemacht werden. Mit dem Wärmetauscher nutzt man die Restwärme des Abgasstrahls und führt sie der aus dem Hochdruckverdichter kommenden Luft zu, bevor sie in die Brennkammer gelangt. Das spart bis zu 20 Prozent Kraftstoff.

Gemeinsam mit Roll Royce als größten europäischen Hersteller von Flugzeugtriebwerken arbeitet MTU an der Entwicklung eines „aktiven“ Triebwerks. „Ein solcher Antrieb verfügt unter anderem über einen intelligenten Verdichter, der sich dem jeweiligen Flugzustand anpasst“, erläutert MTU-Programmleiter Dr. Günter Wilfert das Konzept. Erricht wird das beispielsweise durch eine aktive Spaltkontrolle: Der Abstand zwischen den Blattspitzen und der Innenwand des Verdichtergehäuses wird aktiv geregelt. Auch durch die Pumpfrüherkennung und –kontrolle kann der Kompressor näher an der Pumpgrenze betrieben werden. Das aktive Triebwerk verfügt auch über eine Kühlluftsteuerung: Weil Kühlen Energie kostet, sollte die kalte Luft je nach Triebwerksleistung dosiert werden – das steigert die Leistung und den Wirkungsgrad.

Obwohl die Forschungsarbeiten auf Hochdruck laufen, gibt man sich in der Industrie vorsichtig. Die Ausarbeitung der verschiedenen Technologien wird noch Zeit brauchen. Experten rechnen mit einem Prototyp nicht vor dem Jahr 2015. Die Serienfertigung würde dann gut zehn Jahre später anlaufen. Trotzdem darf ein weiterer Technologieschub erwartet werden, der das Fliegen noch effizienter macht. Immerhin hat sich seit der Einführung von Turbostrahltriebwerken in den frühen 60er Jahren der spezifische Triebstoffverbrauch der Jets in etwa halbiert. Mit weiteren, maßgeblichen Fortschritten kann also gerechnet werden.

Christian Pöchhacker (10/2007)