Dank der Entwicklung der nächsten Generation von Aerodynamik und Technologie steht die Luftfahrtindustrie vor einem revolutionären Wandel. Die Zukunft des Flugverkehrs wird effektiver, nachhaltiger und zugänglicher sein als je zuvor, wenn Forscher, Ingenieure und Luftfahrtbegeisterte gemeinsam daran arbeiten, unser Verständnis vom Fliegen zu überdenken.
Die Luftfahrtindustrie ist einer der größten Mitverursacher des Klimawandels und steht unter zunehmendem Druck, ihren CO₂-Fußabdruck zu verringern. Die Zukunft des Flugverkehrs muss effizient und nachhaltig sein, damit wir zu einem grüneren Planeten kommen. Fly Net Zero ist eine Initiative von Fluggesellschaften, die bis 2050 Netto-Null-Emissionen erreichen wollen. Um diese hochgesteckten Ziele zu verwirklichen, sind wir an einem Punkt angelangt, an dem innovative Technologien und revolutionäre Flugzeugdesigns erforderlich sind.
In diesem Artikel wird untersucht, wie die Luftfahrtindustrie diese Probleme in Angriff nimmt. Von neuen Infrastrukturen und Aerodynamik der nächsten Generation bis hin zu nachhaltigem Flugbenzin (SAF) und Elektroflugzeugen – die Branche versucht eine effiziente und nachhaltige Zukunft des Flugverkehrs mitzugestalten.
Morphing-Flügel und adaptive Strukturen
Die Tragflächen eines Flugzeugs funktionieren in den verschiedenen Flugphasen aufgrund der traditionellen steifen Struktur eines Flugzeugs nicht so effektiv. Mit der Entwicklung neuer Technologien können die Ingenieure nun aber Morphing-Flugzeuge entwerfen, die ihre Form während des Fluges verändern können. Morphing-Flügel, die von Vögeln inspiriert sind, haben das Potenzial, die Flugleistung in verschiedenen Flugphasen zu optimieren und gleichzeitig wichtige Fragestellungen wie Treibstoffeffizienz, Emissionsreduzierung und Manövrierfähigkeit anzugehen.
Die Natur dient dem Menschen schon seit jeher als Inspirationsquelle für Erfindungen. Wissenschaftler waren schon immer fasziniert davon, wie leicht sich Vögel, Insekten und sogar Fische an ihre jeweiligen Lebensräume anpassen. Bei der Entwicklung der Morphing-Flügel, bei der die Fähigkeit lebender Tiere, ihre Form zu verändern, imitiert wird, dienten diese natürlichen Anpassungen als Inspiration. Ingenieure entwickeln Flügel, die ihre Form in Echtzeit ändern können, wobei sie nachahmen, wie Vögel ihre Flügelform bei verschiedenen Flugmanövern verändern.
Wie passen sich die Flugzeugstrukturen an?
Der Begriff “Morphing-Flügel” umfasst eine Reihe von Techniken, die jeweils einen bestimmten aerodynamischen Vorteil bieten sollen. Zu diesen Mechanismen gehören:
- Verwindung und Biegung – Die Flexibilität der Flügelstruktur ermöglicht Änderungen der Flügelkrümmung, die sich auf den Auftrieb und den Luftwiderstand in verschiedenen Flugphasen auswirken. Dank dieser Fähigkeit sind sanftere Starts, ein effektiverer Reiseflug und eine höhere Landestabilität möglich.
- Formgedächtnislegierungen (Soft Memory Alloys, SMAs) – Bei SMA-basierten Morphing-Flügeln werden Materialien verwendet, die sich durch Formveränderung an Temperaturänderungen anpassen. Ingenieure sind in der Lage, Tragflächen mit in die Flügelstruktur eingebetteten SMAs zu entwerfen, die sich automatisch an veränderte Flugbedingungen anpassen und so die Leistung und Treibstoffeffizienz maximieren.
- Pneumatische Stellantriebe – Diese Stellantriebe verändern die Form des Flügels, indem sie bestimmte Bereiche des Flügels mit Hilfe von Luftdruck aufblasen oder entleeren. Bei diesem Ansatz lässt sich die Geometrie des Flügels präzise steuern und kann an verschiedene Fluganforderungen angepasst werden.
- Elektroaktive Polymere (EAPs) – EAPs nehmen als Reaktion auf eine elektrische Stimulation eine andere Form an. EAPs sorgen für morphologische Veränderungen der Flügel in Echtzeit, sobald sie in die Flügelstruktur integriert sind, und verbessern so die Manövrierfähigkeit und verringern den Luftwiderstand.
Ein Forschungsprojekt zum Thema “Morphing Wings” wurde 2023 am Imperial College London ins Leben gerufen, um die optimale Anpassung eines Flugzeugflügels an die Flugbedingungen zu erforschen.
Boundary Layer Ingestion (BLI)
Bei der Konstruktion von Flugzeugen, die derzeit in Betrieb sind, wurden das Flugwerk und das Antriebssystem traditionell als voneinander getrennte Einheiten betrachtet. Infolgedessen stößt die Antriebseffizienz herkömmlicher Triebwerkskonstruktionen an ihre Grenzen, während technologische Durchbrüche immer weniger Zusatznutzen bringen. Bei BLI werden die Triebwerke näher am Flugzeugrumpf positioniert, so dass sie die Grenzschichtströmung der Flugzeugzelle einfangen und aufsaugen können. Zu den Vorteilen von BLI gehören eine verbesserte Antriebseffizienz, ein geringerer Luftwiderstand und eine bessere Kraftstoffeffizienz. Die Ingenieure des Glenn Research Centre der NASA erproben dieses neuartige Antriebssystem in ihrem Hochgeschwindigkeits-Windkanal. Die Tests können mehrere Jahre dauern, aber die Organisation hat angekündigt, dass sie die Forschung und Entwicklung der BLI-Technologie in den kommenden Jahren fortsetzen wird.
Numerische Strömungsmechanik (CFD)
Unter Einsatz der enormen Rechenleistung, die derzeit zur Verfügung steht, werden mit der hochmodernen CFD-Technologie die komplizierten Wechselwirkungen von Flüssigkeiten, wie z. B. Luft, simuliert und dargestellt, die sich auf Flugzeugoberflächen abspielen. CFD hat die Entwicklung von Flugzeugen, die Leistungsanalyse und die Testmethoden verändert, da die Ingenieure nun tiefere Einblicke in die Aerodynamik und das Verhalten der Luftströmung erhalten. Sie ist zu einem Eckpfeiler der Aerodynamik der nächsten Generation geworden.
Im Kern geht es bei CFD um die Lösung anspruchsvoller mathematischer Gleichungen, mit denen die Physik der Flüssigkeitsbewegung beschrieben wird. Mit diesen Gleichungen lässt sich das Verhalten der Luft an der Oberfläche eines Flugzeugs genau beschreiben, indem Variablen wie Dichte, Geschwindigkeit, Druck und Viskosität berücksichtigt werden.
Mit Hilfe von CFD-Simulationen können Ingenieure viele Szenarien visuell untersuchen und analysieren, ohne aufwändige physische Prototypen verwenden zu müssen. Mit den CFD-Simulationen wird eine digitale Darstellung der Wechselwirkungen zwischen den Luftströmen erstellt, indem diese Gleichungen in kleinere Berechnungseinheiten diskretisiert werden. Eines der führenden Luftfahrtunternehmen, Airbus, nutzt CFD, um ein besseres Verständnis der Aerodynamik zu erlangen und die Effizienz von Flugzeugen zu maximieren.
Urban Air Mobility und eVTOLs
Die urbane Fortbewegung in der Luft (Urban Air Mobility – UAM) ist eine Zukunftsvision, in der elektrisch betriebene, senkrecht startende und landende Flugzeuge (eVTOL) dank modernster Aerodynamik Passagiere und Güter zwischen Stadtzentren, Vorstädten und anderen städtischen Zielen befördern. Durch den Einsatz der Aerodynamik der nächsten Generation hat UAM das Potenzial, den städtischen Verkehr zu revolutionieren – mit schnelleren Fahrten, weniger Staus und nachhaltigeren Verkehrsmitteln. Tatsächlich erprobt das deutsche Unternehmen Volocopter den Einsatz seines Volocity-Flugzeugs bei den Olympischen Spielen in Paris im Jahr 2024.
Die wichtigsten Merkmale von UAM:
- Senkrechtstart und -landung (Vertical take-off and landing, VTOL) – UAM-Flugzeuge besitzen eine spezielle Aerodynamik, die es ihnen ermöglicht, senkrecht zu starten und zu landen, so dass keine herkömmlichen Start- und Landebahnen benötigt werden. Aufgrund dieser Möglichkeiten können sie nun von Dächern, Hubschrauberlandeplätzen und sogar genehmigten städtischen Landezonen aus operieren.
- Kurzstreckenflüge – Kurzstreckenflüge innerhalb von Städten und Vorstädten werden am besten mit UAM-Flugzeugen durchgeführt. Im Vergleich zum bodengebundenen Verkehr bieten diese Flüge schnellere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, vor allem in Stoßzeiten.
- Elektrischer Antrieb – UAM-Flugzeuge verwenden häufig elektrische Antriebstechnologien, um Emissionen und Lärmbelästigung zu reduzieren und für einen umweltfreundlicheren Stadtverkehr zu sorgen.
Mit UAM kann die Verkehrsüberlastung in den Städten verringert werden, da ein alternatives Verkehrsmittel angeboten wird, das die Reisezeiten durch Umgehung des Bodenverkehrs verkürzt und dank seines elektrischen Antriebs zu den weltweiten Bemühungen um eine Verringerung der CO₂-Emissionen beiträgt.
Reisen mit Überschallgeschwindigkeit
Durch die erhebliche Verkürzung der Flugzeiten sorgen Überschall- und Hyperschallflugzeuge für einen Paradigmenwechsel in der Luftfahrt, der das Potenzial hat, Langstreckenflüge und den internationalen Reiseverkehr völlig zu verändern. Es ist davon auszugehen, dass diese Innovationen den Luftverkehr der Zukunft revolutionieren und dank der neuesten Generation der Aerodynamik neue Möglichkeiten schaffen werden.
Interkontinentalreisen innerhalb eines Tages?
Bei Überschallflügen wird die Schallgeschwindigkeit überschritten, die auf Meereshöhe etwa 1 235 km/h beträgt und sich mit der Temperatur und der Flughöhe ändert. Die berühmte Concorde, ein Überschall-Passagierflugzeug, bot Ende des 20. Jahrhunderts einen Vorgeschmack auf die Zukunft des Überschallflugs. Die Concorde wurde im Jahr 2003 aufgrund zahlreicher betrieblicher und finanzieller Probleme aus dem Verkehr gezogen. Überschallflugzeuge sind jedoch wieder auf dem Vormarsch und könnten bis 2029 wieder in der Luft sein.
Die amerikanische Fluggesellschaft Boom Supersonic hat vor kurzem 20 Überschallflugzeuge mit dem Namen „Overture“ in Auftrag gegeben. Das Flugzeug mit einer Länge von gut 61 Metern fliegt mit 100 % nachhaltigem Treibstoff und kann Geschwindigkeiten von bis zu Mach 1,7 (2.099 km/h) erreichen – das schnellste Verkehrsflugzeug der Welt. Bei diesen Geschwindigkeiten würde ein Flug von New York nach London gerade einmal 3,5 Stunden dauern.
Fazit
Die Aerodynamik der nächsten Generation bewegt sich an der Schnittstelle zwischen Innovation und Bedarf und hat das Potenzial, unsere Wahrnehmung und Erfahrung des Fliegens neu zu definieren. Vom faszinierenden Konzept der Morphing-Flügel bis hin zu den wieder aufblühenden Träumen vom Überschallflug – die Aerodynamik treibt uns in eine Zukunft mit einem schnelleren, effizienteren und besser vernetzten Luftraum. Bei aller Begeisterung für diese erstaunlichen Innovationen gibt es auch weiterhin Herausforderungen. Um das Potenzial der Aerodynamik der nächsten Generation zu nutzen, muss man sich mit den komplexen Fragen der Materialien, der Gesetze und der Infrastruktur auseinandersetzen. Dadurch wird gewährleistet, dass der Luftraum der Zukunft nicht nur schneller und effektiver, sondern auch sicherer und nachhaltiger wird.
