Titel Luftfahrt
Das Nervensystem eines modernen Passagierjets: Kabel und Leitungen für Strom und elektronische Impulse. - © Cyril Abad/CAPA Pictures/Safran

Neue Kühlungslösungen für die nächste Flugzeuggeneration

Mit Nakulek realisiert das ZAL in Hamburg-Finkenwerder einen Teil vom Zukunftskonzept „More Electric Aircraft“

An Bord moderner Verkehrsjets werden große Mengen Strom erzeugt und verbraucht. Dabei wiederum entsteht Abwärme, was eine aufwendige Kühlung der Flugzeugsysteme erfordert. Weil der Strombedarf an Bord mit jeder neuen Flugzeuggeneration steigt, sind auch leistungsfähigere Kühlsysteme nötig. Mit denen beschäftigen sich seit kurzem Forscher am Hamburger ZAL Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung.

ZAL koordiniert Forschungsverbund

Im Projekt „Nakulek“ (Konzept, Auslegung und Verifikation einer Naturumlauf-Kühlung für Flugzeugsysteme) kooperiert das ZAL als Verbundführer mit dem Institut für Technische Thermodynamik der Technischen Universität Hamburg-Harburg, mit XRG Simulation sowie mit Airbus und Apparatebau Gauting GmbH. Das zur Diehl-Firmengruppe gehörende Unternehmen ist ein Luftfahrtzulieferer, der unter anderem Abwasser-, Lüftungs- und Kühlsysteme für Passagierjets produziert.

Am ZAL entsteht ein luftfahrttaugliches Systemkonzept. Das Institut für Technische Thermodynamik untersucht zusammen mit XRG Simulation das zu erwartende thermodynamische Verhalten des Systems. In den nächsten drei Jahren sollen so Lösungen für passive Kühleinheiten entstehen, mit denen beispielsweise Leistungselektronik und Batterien besser gekühlt werden können.

Leichte und sparsame Kühl-Methode gesucht

Dabei soll die neue Kühltechnologie möglichst effizient und leicht sein. Die Natur-Umlaufkühlung bietet sich an, weil sie ohne Pumpen auskommt und durch die Schwerkraft arbeitet. Im Prinzip wird bei dieser Kühl-Methode Flüssigkeit erhitzt, die dann in einer Röhre nach oben steigt. Dabei kühlt sie sich ab und sinkt wieder nach unten. „Das Kühlmittel selbst steht noch nicht fest“, sagt Lutz Bittner, der am ZAL für Nakulek verantwortlich ist. Bittner arbeitet am ZAL als Forschungsingenieur für Flugzeugklimatisierung.

Wachsender Strombedarf an Bord

Mit Nakulek realisiert das ZAL eine weitere Annäherung an das Zukunftskonzept des „More Electric Aircraft“. Dieses ist ausgelegt auf die Reduzierung mechanischer, hydraulischer und pneumatischer Systeme im Flugzeug, die zunehmend durch elektrische Systeme ersetzt werden sollen. Mit jeder Entwicklungsgeneration wächst somit der Strombedarf an Bord. Ein moderner Airliner wie die A320 erzeugt rund 100 Kilowatt Strom, größere und modernere Flugzeuge wie die A350 sind noch stärker elektrifiziert und generieren 1, 5 Megawatt Stromleistung. Das ist genug, um eine Ortschaft mit 2000 Einwohnern zu versorgen. Zu den elektrischen Systemen gehören Licht und Klimatisierung, die vielfältige Elektronik an Bord, die Bordküche, aber auch wesentliche Komponenten der Flugsteuerung. Während heute Ruder und Klappen oft noch hydraulisch angetrieben sind, werden auch mehr und mehr elektronisch angesteuerte Stellmotoren verwendet. Langfristig sollen die hydraulischen Systeme komplett ersetzt werden – um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen.

Wärmequellen: Passagiere, Besatzung, Technik

Wo aber Strom erzeugt wird, wo zahllose kleine und größere Geräte arbeiten, entsteht Wärme. Daher muss jedes Gerät, auch die Batterien, gekühlt werden. „Je mehr elektrische Leistung, je mehr elektronische Geräte und Motoren ins Flugzeug kommen, desto größer ist der Kühlungsbedarf“, sagt Lutz Bittner. Weitere Wärmequellen an Bord sind die Bordküche sowie Passagiere und Besatzung. „Die Hauptwärmelast sind Passagiere und Besatzung“, so Lutz Bittner. Ein sitzender Passagier strahlt 70 Watt ab, eine Stewardess, die arbeitet, sogar 100 Watt. Als weitere Wärmequelle kommt die Sonneneinstrahlung hinzu.

„Nakuleks Bedeutung erklärt sich aus der weiter wachsenden Bedeutung elektrischer Systeme im Flugzeug“, so Lutz Bittner weiter. Denn die Nachfolger von A350 und Boeing 787 werden in der Tendenz noch mehr elektronische Geräte an Bord haben.
fl/jg/kk

Quellen und weitere Informationen:
www.zal.aero

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