Image: Flieger auf DiätFERCHAUFERCHAUDer Dreamliner von Boeing besteht etwa zur Hälfte aus CFK. In Zukunft sollen neuartige Materialien wie Microlattice das Gewicht von Flugzeugen weiter reduzieren. (Foto: Copyright © Boeing) | (Foto: Copyright © Boeing)
TechnikLeichtbau in der Luftfahrt

Flieger auf Diät

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Mirko Besch

Mirko Besch

freier Journalist

Seit Jahren forschen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, das Gewicht von Flugzeugen weitreichend zu reduzieren. Im Fokus stehen dabei vor allem die Materialien. Kohlenstoff­fa­ser­ver­stärkte Kunststoffe (CFK) ersetzen heute bereits zunehmend schwerere Metallbau­teile, aber auch neuartige Metallstruk­turen sollen künftig für „Erleichte­rung“ sorgen. Daneben haben auch Fluggesell­schaften verschie­dene Abspeck-Methoden ausgemacht.

08. Dezember 2015

Airlines und Flugzeug­bauer sind schon lange bemüht, das Gewicht von Flugzeugen zu verringern, um entweder Treibstoff und CO2-Emissionen einsparen oder aber mehr Passagiere befördern zu können. Hierbei haben die Fluggesell­schaften unter anderem die Sitze als großes Einsparpo­ten­zial entdeckt. Ein paar Kilo weniger pro Sitz haben bei 200 bis 300 Sitzen pro Flugzeug große Auswirkungen auf den Kerosinver­brauch.

Längst haben die Hersteller darauf reagiert und machen ihre neuen Sitzmodelle immer leichter – bei gleichblei­bendem Komfort, versteht sich. Der Markt ist schließlich stark umkämpft. Wogen normale Flugzeug­sitze vor ein paar Jahren noch deutlich über 10 Kilogramm, kommen die leichtesten Neuentwick­lungen nur noch mit 4 oder 5 Kilogramm daher. Und die dadurch gewonnenen ein bis zwei Tonnen weniger Gewicht pro Flug machen sich beim Treibstoff­ver­brauch deutlich bemerkbar.

Lose Teile auf dem Prüfstand

Bei der Suche nach weiteren Einsparmög­lich­keiten hatte die Lufthansa vor etwa drei Jahren die Idee, alle losen Teile eines Langstre­cken­flug­zeuges wie Kleiderbügel, Decken, Kissen, Trolleys oder Taschenlampen zu wiegen und sozusagen auf den Prüfstand zu stellen. Was entbehrlich war, wurde entfernt oder durch ein leichteres Pendant ersetzt. Schließlich – so die Berechnung der Airline – senkten bereits 100 Kilogramm weniger Gewicht auf jedem Flug der Lufthansa Passage die Spritkosten um jährlich 2,6 Millionen Euro.

Auch an Essen und Getränken haben Flugzeuge stets eine riesige Last zu tragen. Große Flieger haben bis zu 5 Tonnen Lebensmittel an Bord. Bei diesen selbst lässt sich in der Regel kein Gewicht einsparen, dafür können aber leichtere Bedienwagen, leichtere Verpackungen und leichteres Besteck durchaus für Entlastung sorgen.

Leichtere Werkstoffe

Und nicht zuletzt stehen in Sachen Gewichts­ein­spa­rungen natürlich die Materialien für den Flugzeugbau im Fokus. Sowohl Boeing als auch Airbus haben mit leichteren Werkstoffen bereits Erfahrung. Die Boeing 787, der sogenannte Dreamliner, besteht zu mehr als 50 Prozent aus kohlenstoff­fa­ser­ver­stärktem Kunststoff (CFK). Dadurch soll die Maschine etwa 20 Prozent leichter als vergleich­bare Flugzeuge sein und rund 20 Prozent weniger Kerosin verbrauchen. Und auch Konkurrent Airbus hat seinen A350 zu mehr als der Hälfte aus CFK gebaut.

Doch nun soll Boeing nach eigenen Angaben der große Durchbruch im Leichtbau gelungen sein. Im kaliforni­schen Malibu (USA) haben Forscher der HRL Laborato­ries, die der Flugzeug­bauer gemeinsam mit dem Automobil­kon­zern General Motors führt, ein ultraleichtes, aber trotzdem extrem widerstand­fä­higes Metall entwickelt. Es klingt spektakulär: Das neuartige, gitterför­mige Material mit dem Namen Microlat­tice soll 100-mal leichter als Styropor sein und zu 99,99 Prozent aus Luft bestehen, der Rest ist Nickel. Inspiriert wurden die Wissenschaftler bei der Entwicklung vom Aufbau menschli­cher Knochen, die außen fest und innen meist hohl sind. „Der Trick ist, ein Gitter aus winzigen, hohlen und miteinander verbundenen Röhren zu produzieren, das eine 1000-mal dünnere Wandstärke aufweist als ein menschli­ches Haar“, erläutert HRL-Wissenschaftler Dr. Tobias Schaedler.

Microlat­tice entsteht aus einer 3D-gedruckten Gitterstruktur aus Polymeren, die mit einer extrem dünnen Nickelschicht überzogen wird. Anschlie­ßend werden die Polymere ausgewaschen, sodass Hohlröhren aus 100 Nanometer dünnem Nickel verbleiben. Diese können schließlich kombiniert werden, um eine größere Metallmasse zu konstruieren. Eingesetzt werden könnte Microlat­tice beim Flugzeugbau sowohl in der Innenein­rich­tung als auch im Rumpf, weitere denkbare Anwendungs­mög­lich­keiten betreffen die Raumfahrt und den Automobilbau.

Sandwich­struk­turen auf dem Vormarsch

Für Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf, Leiter des Instituts für Flugzeugbau an der Universität Stuttgart, ist die Boeing-Meldung keine Sensation: „Gitterstruk­turen gibt es in der Forschung schon länger, das ist nichts ganz Neues.“ Ob sich Microlat­tice tatsächlich als wichtiger Flugzeug­werk­stoff durchsetzt, muss sowieso erst noch bewiesen werden. „Bis neuartige Materialien zur Anwendung gelangen, dauert es ja in der Regel eine Weile.“ Nach Ansicht Middendorfs werde der Flugzeugbau der Zukunft von einem Materialmix mit Anteilen an CFK-Werkstoffen geprägt sein. „3D-gedruckte metallische Legierungen, hochwertige Aluminium- und Titanlegie­rungen oder Werkstoffe auf Basis der Nanotech­no­logie können ebenfalls Teile dieser Werkstoff­kom­bi­na­tionen sein. Noch ein bisschen weiter in der Zukunft werden voraussicht­lich auch mittragende Verglasungen, sogenannte Transparent Stressed Structures, als Bauteile für Flugzeuge verwendet. Zudem sind Sandwich­struk­turen auf dem Vormarsch, da sie weniger Versteifungs­ma­te­ria­lien benötigen.“

Neben diesem sogenannten Werkstoff­leichtbau sind laut Professor Middendorf der Gestalt- und der Funktions­leichtbau weitere wichtige Leichtbau-Disziplinen. „Beim Gestaltleichtbau machen wir uns Gedanken darüber, was an der Bauweise des Flugzeuges, zum Beispiel an der Rumpfbau­weise, verändert werden kann.“ Die äußere Hülle werde aerodyna­misch vorgegeben, aber die Struktur im Innern könne so angepasst werden, dass sie aufgrund einer optimalen Formgebung und Kraftver­tei­lung das geringst­mög­liche Gewicht aufweist. „Und beim Funktions­leichtbau geht es darum, wie man in die bestehende Struktur weitere Funktionen integrieren kann. Ein bekanntes Beispiel ist etwa der Integral­tank in der Flügelstruk­tur“, erklärt der Instituts­leiter.

Frauen statt Männer, digital statt Papier

Gewicht einsparen lässt sich aber auch auf herkömmliche Art – beim Körperge­wicht –, wie die indische Fluggesell­schaft Go Air beweist. Sie stellt inzwischen nur noch schlanke weibliche Flugbegleiter ein, da diese im Durchschnitt zwischen 15 und 20 Kilogramm leichter seien als ihre männlichen Kollegen. Damit spart die Airline angeblich bis zu 384.000 Euro pro Jahr an Kerosinkosten. Auch die Piloten werden in Zukunft wohl weniger Gewicht mit sich herumschleppen. Allerdings ist damit nicht deren Körperge­wicht gemeint, sondern die schweren Handbücher, Flug- und Landekarten im Pilotenkoffer. Lassen sich diese Daten digital abrufen, können mehr als 50 Kilogramm eingespart werden. Ähnliche Einsparmög­lich­keiten betreffen den Lesestoff an Bord. Passagiere werden künftig wohl bei manchen Fluglinien auf gedruckte Magazine und Zeitungen verzichten müssen, können die Informationen dafür dann aber bequem am Bildschirm abrufen.

Leichtbau­werk­stoffe im Flugzeugbau

Im Flugzeugbau kommen vor allem metallische Leichtbau­werk­stoffe wie Legierungen aus Aluminium, Titan oder Lithium zum Einsatz. Daneben haben Faserver­bund­werk­stoffe (CFK) sowie glasfaser- (GFK) und aramidfa­ser­ver­stärkte Kunststoffe (AFK) an Bedeutung gewonnen. Zu den primären Anforderungen an Werkstoffe im Flugzeugbau gehören neben dem geringen Gewicht besonders eine hohe dynamische Festigkeit und Steifigkeit, ein niedriger Preis, eine kurzfris­tige Verfügbar­keit, eine gleiche thermische Ausdehnung für den Einsatz bei Temperaturen zwischen -60 bis +80 °C sowie eine hohe Korrosions- und Oxidations­be­stän­dig­keit.