Neues EU-Projekt: Düsentriebwerke fit für Wasserstoff machen
Wasserstoff könnte der Treibstoff der Zukunft für Flugzeuge sein. Forschende der ETH Zürich arbeiten daran, die Motoren leistungsfähig und langlebig zu machen.
Wasserstoff ist ein möglicher Treibstoff für klimaneutrales Fliegen. Forschende der ETH Zürich arbeiten daran, Motoren und Düsentriebwerke dafür zu optimieren.
Foto: PantherMedia / Frank Peters
Europa setzt auf klimaneutrales Fliegen – mit Wasserstoff als möglichen Treibstoff der Zukunft. Ein EU-Projekt fördert die Entwicklung von Mittelstreckenflugzeugen, die auf Wasserstoff statt Kerosin setzen. Doch aktuelle Düsentriebwerke sind auf das Verbrennen von Kerosin ausgelegt und müssen umgerüstet werden, um Wasserstoff effizient und sicher zu nutzen. Dies erfordert neue Ansätze und umfassende Anpassungen. Damit die Motoren leistungsfähig und langlebig werden, liefern Experimente von Forschende der ETH Zürich nun wichtige Grundlagen.
Inhaltsverzeichnis
Das Verhalten von Wasserstoff-Flammen verstehen
Wasserstoff verbrennt anders als Kerosin. „Wasserstoff verbrennt schneller als Kerosin. Aus diesem Grund erzeugt es kleinere und kompaktere Flammen“, erklärt Nicolas Noiray, Professor für Maschinenbau an der ETH Zürich. Diese Eigenschaft führt zu Herausforderungen bei der Konstruktion von Wasserstoff-Triebwerken, die mit hoher Präzision gelöst werden müssen.
Das Team von Professor Noiray untersucht die Eigenschaften der Wasserstoffverbrennung und deren Auswirkungen auf die Triebwerkskonstruktion. Die Forschenden veröffentlichten kürzlich ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Combustion and Flame. Sie zeigten auf, wie Schallwellen und Vibrationen die Verbrennung beeinflussen – ein Schlüsselaspekt, um die Lebensdauer und Sicherheit von Triebwerken zu gewährleisten.
Vibrationen in der Brennkammer minimieren
Vibrationen sind eine große Herausforderung bei der Umstellung auf Wasserstoff. In der Brennkammer eines Düsentriebwerks befinden sich um die 20 Einspritzdüsen, die Treibstoff injizieren. Die Verbrennung erzeugt Schallwellen, welche wiederum auf die Brennkammerwände treffen und reflektiert werden. Dieser Vorgang kann Vibrationen verursachen, die das Material stark belasten. „Die Vibrationen können das Material ermüden, was im schlimmsten Fall Risse und Schäden verursachen würde“, erläutert Abel Faure-Beaulieu, ein ehemaliger Postdoktorand im Team von Noiray.
In der Entwicklung von Triebwerken ist es daher entscheidend, dass diese Vibrationen vermieden werden. Bei aktuellen Kerosin-Triebwerken wurde dies erreicht, indem die Flammenform sowie die Geometrie und Akustik der Brennkammer optimiert wurden. Wasserstoff jedoch erfordert eine völlig neue Anpassung, um das Zusammenspiel von Schallwellen und Flammen zu kontrollieren.
Flugbedingungen im Labor simulieren
Um diese Anpassungen zu testen, hat das Team an der ETH Zürich eine spezielle Versuchs- und Messanlage entwickelt. Damit können sie Temperatur und Druck in einer Brennkammer unter realen Flugbedingungen simulieren, so Noiray: „Mit unserer Anlage können wir die Temperatur und den Druck in einem Triebwerk auf Reiseflughöhe nachbilden.“ Diese Labortests ermöglichen es den Forschenden, das Verhalten von Wasserstoff-Flammen und die akustischen Effekte unter realistischen Bedingungen zu messen und zu analysieren.
Gemeinsam mit GE Aerospace testet das Team Wasserstoff-Einspritzdüsen, die speziell für die neuen Triebwerke entwickelt wurden. Die Ergebnisse helfen dabei, die Akustik der Brennkammer optimal anzupassen und Schwingungen zu vermeiden.
Wasserstoffinfrastruktur als nächste Herausforderung
Noiray betont jedoch, dass die Triebwerks- und Tankentwicklung nur ein Teil der Herausforderung darstellt. Für eine vollständige Umstellung auf Wasserstoff in der Luftfahrt bedarf es einer passenden Infrastruktur. „Die Menschheit ist auf den Mond geflogen. Ingenieure werden es auch schaffen, Wasserstoff-Flugzeuge zu entwickeln“, so Noiray.
Doch um klimaneutrale Wasserstoff-Flugzeuge effizient zu betreiben, ist eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich: große Mengen klimaneutraler Wasserstoff müssen hergestellt und zu den Flughäfen transportiert werden. Damit dieser Wandel gelingt, braucht es einen großen Einsatz – von der Produktion über den Transport bis hin zur Lagerung des Wasserstoffs an den Flughäfen.
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