Die Anzahl von verfügbaren Werkstoffen, die für die Luft- und Raumfahrt geeignet sind, ist überschaubar. Das liegt hauptsächlich daran, dass an die Werkstoffe enorme Anforderungen gestellt werden.
Zu den wichtigsten Eigenschaften zählen dabei:
ein geringes Gewicht
hohe Festigkeiten
hohe Korrosionsbeständigkeit
Steht das Flugzeug auf dem Vorfeld in der prallen Sonne werden dabei sicher 70°C erreicht. Kurze Zeit später erreicht das Verkehrsflugzeug die Reiseflughöhe bei -55°C Außentemperatur. Diese Umwelteinflüsse muss der Werkstoff ohne Auswirkung auf seine Leistungsfähigkeit ertragen.
Der Werkstoff schlechthin für die Luftfahrt war und ist Aluminium. Bereits 1919 hob ein “Ganzmetall”-Flugzeug ab. Erst jetzt, knapp 90 Jahre später, wird erstmals ein Flugzeug (der Boeing 787 Dreamliner) verkauft, dessen Zelle komplett aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt.
Was also sind die Vorteile (und Nachteile) von Luftfahrtaluminium und weshalb setzen sich Faserverbundwerkstoffe zunehmend durch (auch bei schwierigen Bauteilen, z.B. Triebwerksschaufeln)? Andere Werkstoffe wie Luftfahrtstähle und Titan sind zwar auch wichtig, werden jedoch nur in Spezialbereichen mit extremsten Anforderungen eingesetzt (wg. Kosten, Gewicht) z.B. Fahrwerk, Militärluftfahrt.
Luftfahrtaluminium
+ leistungsfähiger Werkstoff
+ leicht
+ einfache Bearbeitung
- Korrosionsschutz erforderlich
Faserverbundwerkstoffe (composite materials)
+ noch leistungsfähiger
+ sehr leicht
+ kein Korrosionschutz nötig
+ längere Wartungsintervalle
- teuer
- sehr anspruchsvolle Konstruktion
- schwierige Serienherstellung
(bisher das größte Problem)
- aufwendig bei Reparaturen
- Thematik Blitzschlag (bei Flugzeugzellen)
In Zukunft wird Anteil der Faserverbundwerkstoffe in der Verkehrsluftfahrt aufgrund der großen Vorteile wohl stetig zunehmen.
Nachdem der Dreamliner in letzter Zeit nur mit möglichen Verspätungen Schlagzeilen gemacht hat, wurden jetzt neue Bilder (insgesamt 40) von der Produktion der Boeing B787 auf der Website CNNmoney.com veröffentlicht.
Bild 9/10/11: Diese Bilder zeigen, wie die Kohlefaserbauteile hergestellt werden. Von 300 Rollen (Englisch: spools) werden die Stränge (Englisch: strands) zu Kohlefaserlagen (Englisch: sheets) zusammengeführt. Anschließend werden die Lagen übereinander gelegt und mit einem speziellen Epoxidharz (Fachbegriff: Matrix) bestrichen. In einem speziellem Offen [Bild 14] (Fachbegriff: Autoklave) werden die Kohlefaserlagen miteinander verbacken, z.B. zu einem Rumpfsegment. Kohlefaserverbundwerkstoffe sind ein Produkt der Luft- und Raumfahrttechnik.
Bild 20: Abbildung von einem der beiden Triebwerke. Hier fällt die enorme Größe des Fans auf. Auch wurde die Anzahl der Blades (Schaufelblätter) reduziert. Dafür sind die Blades deutlich größer und “geschwungener”, u. a. wurden durch diese Maßnahmen die Effizienz des Flugzeuges deutlich gesteigert.
Beim Dreamliner, der Boeing B787 scheint es wohl laut dem Wall Street Journal zu weiteren Verzögerungen zu kommen. Ein zentrales Bauteil, die wing box muss überarbeitet werden. Ein solcher Prozess ist zwar bei der Entwicklung eines neuen Verkehrsflugzeuges nichts ungewöhnliches, kann jedoch unter Umständen zu einem Verzug des Zeitplanes führen. Bereits im letzten Jahr wurde über weitere Verzögerungen beim Boeing B787 - Programm spekuliert
Die Wing box ist ein zentrales Bauteil, dass sich zwischen den Flügel im Rumpf des Flugzeuges befindet. Über die Wing box werden die auftretenden Lasten (Eigengewicht aber hauptsächlich aerodynamische Kräfte) des Flügels möglichst gleichmäßig in den Rumpf übertragen.
Der erste Landeversuch einer Lufthansa A320 auf dem Flughafen Hamburg während des Sturmtiefs Emma ging gestern beinahe schief. Kurz vor dem Aufsetzen wurde das Flugzeug von der orkanartigen Böe erfasst, dabei berührte der linke Flügel den Boden. Nur durch ein blitzschnelles Durchstartemanöver konnte schlimmeres verhindert werden. Beim zweiten Landeversuch ging dann alles gut.
Auf dem Flughafen London-Heathrow, einem der größten Flughäfen der Welt, ist es zu einer Bruchlandung einer Boeing B-777 der British Airways gekommen. Bei dem Unfall wurden glücklicherweise nur einige Passagiere leicht verletzt. Die Unglücksursache kam ist zum jetzigen Zeitpunkt noch ungeklärt.
Aber die Boeing-Luftfahrtingenieure können stolz auf ihre Konstruktion sein. Das rechte Fahrwerk, man sieht es auf dem ersten Bild im Vordergrund liegen, ist an den (vorher berechneten) Sollbruchstellen gebrochen, ohne die Struktur zu beschädigen. Die eigentliche Struktur des Flugzeuges, die Zelle aus Luftfahrtaluminium, hat die enormen Kräfte des Aufschlages “gut” weggesteckt, blieb aber in der Form erhalten, wodurch die Passagiere im Inneren gut zu den Flugzeugtüren gelangen konnten. Die Flugzeugtüren selbst haben sich beim Aufschlag nicht verzogen und konnten wahrscheinlich wie im “Normalzustand” leicht geöffnet werden und so die schnelle Evakuierung ermöglichen.
Während die Spekulationen über die genaue Unglücksursache weiter anhalten, wurde die bruchgelandete Boeing B777 inzwischen geborgen.
Update III (Ende Mai 2008):
Nach knapp 4 Monaten ist jetzt ein erster Untersuchungsbericht zu Flug BA38 erschienen [Interessant sind auch die dortigen Leserkommentare zu dieser Thematik]. Die genaue Unglücksursache bleibt aber weiterhin unklar.
Diese Woche wurde die erste Landebahn für Verkehrsflugzeuge im ewigen Eis der Antarktis eingeweiht. Als “Erstflugzeug” landete ein Airbus A319 ACJ nach circa 4 Stunden Flugzeit aus Australien kommend. Nach vier Jahren Bauzeit (Kostenpunkt: 30 Millionen Euro) wurde die 4000m lange und 100m breite Piste fertig gestellt. Damit ist es möglich, dass normale Flugzeuge ohne spezielle Skier landen können. Im Zukunft sollen regelmäßiger “Lininenverkehr” aufgenommen werden, komerzielle Tickets werden jedoch nicht erhältlich sein.
In den Anfängen kam die Luftfahrt durch schlechte Witterung meist komplett zum Erliegen. Heute starten die meisten Verkehrsflugzeuge trotz Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und Schneefall relativ zuverlässig und pünktlich im Vergleich zu früher. Verschneite Rollwege oder Start- und Landebahnen bekommt man heute mit Hilfe von großen Räumfahrzeugflotten sehr gut in den Griff. Auf einem großen Verkehrsflughafen (z.B. München) können innerhalb von 2 Stunden alle wichtigen Wege von Schnee und Eis befreit werden.
Viel gefährlicher als der Schneefall ist die Eisbildung an den Flugzeugen, die schon zu einigen schweren Unfällen und Abstürzen geführt hat. Das gefrorene Eis an den Tragflächen wirkt sich nicht nur sehr negativ auf die Aerodynamik aus sondern ist vor allem sehr schwer. Die meisten Flugtriebwerken besitzen keine Reserven um dieses zusätzliche Gewicht durch Schub auszugleichen.
Die Flugzeuge werden dabei zuerst von Schnee und Eis befreit (engl. de-icing). Darauf folgt der Schutz der Flugzeugstruktur vor Neuvereisung (engl. anti-icing).
Als Enteisungsmittel wird dabei ein biologisch abbaubares Flüssigkeitsgemisch verwendet, dass hauptsächlich aus Wasser und Glykol (Alkohol) besteht. Nach dem Auftragen des Enteisungmittels hat das Flugzeug ein vorgeschriebenes Zeitfenster, in dem der Start erfolgen muss und dabei der Schutz noch wirksam ist (engl. holdover time). In der Luft kann sich das Flugzeug durch bordeigene Enteisungssysteme vor der Eisbildung an den kritischen Stellen (z.B. Flügelvorderkanten) schützen.
Wahrscheinlich hängen auch in diesem Jahr wieder schön dekorierte Adventskränze in den Verkehrsflugzeugen. Aber diese Adventskränze kann man nicht einfach so beim Baumarkt um die Ecke kaufen. Der Adventskranz muss extra aus luftfahrtzugelassenen Materialien hergestellt sein, das heißt z. B. schwer entflammbar, damit er überhaupt verwendet werden darf.
Aber dass sieht man den Adventskränzen eigentlich gar nicht an!
Am Ende eines Flugzeuglebens kommt für die meisten Flugzeuge die Verschrottung als letzter Schritt. Nur die wenigsten von ihnen kommen als Exponat in ein Museum.
Bevor das Flugzeug jedoch endgültig verschrottet wird, werden zuerst Hydrauliköle, Schmierstoffe und Kerosin abgelassen. Parallel dazu werden wertvolle Baugruppen/Bauteile (z.B. Rollensysteme in Cargoflugzeugen, Avionik…) ausgebaut, oftmals haben sie ihre Lebensdauergrenze noch lange nicht erreicht und werden daher ausgebaut und weiterverkauft.
Zurück bleiben entkernte Flugzeuge, die dem Bagger zum “Opfer” fallen. Das daraus entstehende Altmetall ist meist hochwertiges Luftfahrtaluminium und auf dem Weltmarkt sehr gefragt. Oft entstehen aus diesem Luftfahrtaluminium auch neue Flugzeuge.
Auch der neue Dreamliner, die Boeing B787, die erstmals aus Kohlefaserverbundwerkstoffen anstatt Aluminium besteht, kann recycelt werden. Die Fasern des Composite-Werkstoffes können extrahiert und neu verwendet werden.
Der Ölpreis nähert sich der magischen Grenze von 100 Dollar immer weiter an. Steigende Ölpreise treffen die Luftfahrt besonders hart. Bei den Fluggesellschaften machen Treibstoffkosten bereits heute einen großen Kostenfaktor aus, dessen Anteil zusätzlich jährlich wächst.
Zwar werden bereits die ersten Versuche unternommen Flugzeuge mit Biokraftstoffen zu betreiben, u.a. sind dafür jedoch enorme Anbauflächen nötig, die es so im Moment noch nicht gibt. Biokraftstoffe können daher nur einen kleinen Teil der nicht nachwachsenden Rohstoffe ersetzen.
Warum betreibt man Flugzeuge daher z.B. nicht mit Wasserstoffzellen und elektrischen Antrieben. Diese Idee wird zurzeit schon bei verschiedenen Forschungseinrichtungen und Unternehmen getestet. Große Mengen Wasserstoff können aner nur aus Erdgas gewonnen werden, dass jedoch auch wie Rohöl kein nachwachsender Rohstoff ist. Hier muss noch ein Weg gefunden werden um Wasserstoff auf „sauberen“ Weg herzustellen.
Auch Flugzeuge, die rein elektrisch betrieben werden bleiben im Moment ein Zukunftstraum. Es gibt bisher noch keine Möglichkeit eine hohe elektrische Energie auf leichtem und kleinen Raum zu speichern (Heutige Batterien sind zu schwer). Damit scheitert ein komplett elektrisches Flugzeug bis heute. Kerosin besitzt im Vergleich eine bisher nicht anderweitig erreichbare Energiedichte (d.h. wie viel Energie ein Kilogramm von diesem Stoff freisetzen kann).
Der heutige Standardtreibstoff, das Jet A1 Kerosin, bleibt daher auch weiterhin der nicht wirklich ersetzbare Treibstoff der Luftfahrt, der jedoch auf lange Sicht unbedingt durch alternative Kraftstoffe und Antriebe ersetzt werden muss. In erster Linie muss die (Preis-)Abhängigkeit von den Weltmärkten deutlich reduziert werden aber es müssen dabei auch die neu hinzugekommenen Anforderungen auf dem Bereich des Klima- und Umweltschutzes unbedingt erfüllt werden.
