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Nickel leistet Beitrag zu nachhaltigem Lufttransport
Von Carrol McCormick
Nickel Magazine, März 2008 -- Luftfahrtgesellschaften sind ständig
bestrebt, den Verbrauch von Kraftstoff zu drosseln. Dies würde nicht nur Kosten sparen (der
Kraftstoffverbrauch im Jahre 2006 war weltweit für 26% der Betriebsausgaben von Fluglinien verantwortlich),
sondern auch die Umweltbelastung reduzieren (die Luftfahrt bleibt nach wie vor der Hauptsünder für Emissionen
von Stickstoffoxidul und Kohlendioxid).
Die Flugzeugproduzenten antworten darauf mit größeren Produktionsvolumen von kraftstoffsparenden
Flugzeugen. Schnelle und auffällige Designs, wie das von der Boing Company 2001 enthüllte Sonic Cruiser
Konzept wurde schon ein Jahr später wieder fallen gelassen, und von langsameren aber wirtschaftlicheren
Flugzeugtypen ersetzt. Es wird wohl kaum eine weitere Concorde geben.
In den letzten 40 Jahren hat sich die Kraftstoffleistung von Flugzeugkonstruktionen um 70% verbessert,
wobei 20% dieser Verbesserungen in die vergangene Dekade fielen. Seit den 60er Jahren reduzierte sich der
Kohlenstoffmonoxidwert um 50%, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Rauch um ca. 90%. Die IATA (Internationale
Lufttransportvereinigung) berichtet, dass Stickstoffoxidemissionswerte bis 2020 um 80% reduziert sein könnten
und die Kraftstoffeffizienz um 25% besser wäre – all dies als Resultat von Investitionen in neue
Flugzeugtypen. Diese Verbesserungen sollten dann innerhalb der nächsten 13 Jahre 345 Millionen Tonnen
Kohlendioxidemissionen eliminieren.
Verbesserte Treibstoffeffizienz konnten Flugzeughersteller durch fortschrittlichere Aerodynamik, besonders
im Bereich der Winglets, die durch ihre vertikale Verlängerung am Ende der Tragflächen u.a. den
Luftwiderstand reduzieren, erreichen. Natürlich spielen auch bessere Motorenkonzepte eine Rolle: zum Beispiel
der Einsatz von Hochtemperatur Nickellegierungen, die höhere Betriebstemperaturen erlauben.
Die bemerkenswertesten Verbesserungen werden aber mittels Leichtbauweise der Flugwerke erreicht. Das ist
durch den Ersatz von Aluminium durch ständig zunehmende Mengen von Verbundwerkstoffen möglich wie z.B. mit
Lagen von Kohlefaserschichten, die in Epoxydharz getränkt werden. Drei Flugzeugtypen illustrieren diesen
Trend:
Als die Boeing 777 im Jahre 1994 zum ersten Einsatz kam, bestand sie zu 9% aus Verbundmaterial (eine
andere Quelle spricht von 12 %). Beim Airbus A-380, der im Jahre 2005 zum Jungfernflug startete, waren es
bereits 23% des Flugwerkgewichts. Boeing hat bei seinem neuesten kommerziellen Flugzeug vom Typ 787, dem
sogenannten Dreamliner, der im Jahre 2009 zum Jungfernflug starten wird, den Anteil von Verbundmaterial auf
50% gesteigert.
Der Dreamliner ist das erste kommerzielle Flugzeug mit einem komplett aus Kohlefaserverbund bestehenden
Flugwerk anstelle des herkömmlichen Aluminiums. Laut Aussage von Boeing wird dieser hohe Anteil an
Verbundmaterial, zusammen mit verbessertem Motorendesign und Aerodynamik den Dreamliner im Vergleich mit der
B-767 oder dem Airbus 330 im Kraftstoffverbrauch um 20% effizienter machen.
Eine vom Schweizer Physiker Charles-Édouard Guillame (1861-1938) im späten 19. Jh. entwickelte
Nickellegierung mit 36% Nickel, Invar genannt, spielt in der Herstellungstechnik mit Faserverbundwerkstoffen
eine entscheidende Rolle. Die wichtigste Eigenschaft dieser Nickellegierung, nämlich ein thermischer
Ausdehnungskoeffizient von nahezu Null macht diese Legierung zum Werkstoff der Wahl für wiederverwendbare
Formen oder Kerne die mit harzgetränkten Fasersträngen geschichtet und anschließend im Autoklaven bei
Temperaturen von 375 – 425° Celsius ausgehärtet werden. Die aussergewöhnliche Stabilität von Invar
garantiert, dass die präzisen Toleranzen von Bruchteilen eines Millimeters während der Aushärtung beibehalten
werden.
Boeing verwendet Verbundwerkstoffe für die Haut des Dreamliners (Rumpfwerk, Tragflügel und Rumpfende,
sowie für andere Teile des Flugwerks wie z.B. der Flügelmittelkasten). Beispielsweise wird ein 6,7 m langer
und 5,8 m breiter Rumpfwerkabschnitt durch Lagen von expoxygetränkten Kohlestofffaserbändern auf rotierende
Kerne bestehend aus kleineren, miteinander verbundenen Kernelementen erzeugt. Ein einteiliger
Rumpfwerkabschnitt eliminiert 1500 Aluminiumblechplatten und 40 000 – 50 000 Nieten.
Die Spannweite des 787-3 Dreamliners beträgt 52 m. Die Tragflügelhaut besteht aus Faserverbundmaterial,
das in Lagen auf 2 verschiedenen Invar Kernelementen aufgelegt wird, wobei einer davon eine Länge von 31 m
und ein Gewicht von 36 t aufweist.
Insgesamt wiegt Boeings Dreamliner durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen 4.536 kg weniger als die
Verwendung von Aluminium erforderlich gemacht hätte.
Der A-380 sowie der Dreamliner sind in Hinblick auf Kraftstoffverbrauch pro Passagiermeile supereffizient,
aber tragen auch zu effizienterem Flughafengebrauch bei, indem sie die lokale Luftverschmutzung reduzieren
helfen. Die A-380 mit der typischen Anordnung von 555 Sitzplätzen und einer Flugreichweite von 15000 km,
passt genau auf das Flughafen Drehkreuzmodell des Lufttransports, wobei größere Flugzeuge zwischen zentralen
Flughäfen und kleinere Flugzeuge von und zu regionalen Flughäfen operieren.
Eine Option, die Überlastung und Verspätungen an großen Flughäfen zu vermindern, wäre, weniger Flugzeuge mit
mehr Passagierkapazität einzusetzen.
Der Dreamliner hat eine Flugreichweite von 4.650-5.650 km für die 787-3 Version, 14.200-15.200 km für die
787-8, und 14.800-15.750 km für die 787-9.
Er kann bis zu 290 Passagiere auf Langstreckenflügen und bis zu 330 Passagiere auf kürzeren Routen aufnehmen.
Die 787 ist ein mittelgroßes Flugzeug (unähnlich der A-380, die breitere Landepisten und Rollbahnen,
überdimensionale Flugsteige und spezielle Bodenabfertigungsgeräte erfordert), das beitragen könnte,
Flughafenüberlastungen durch Nichtbenützen der Hub-Flughäfen zu reduzieren.
Bis Ende Januar 2008 erhielt Boeing von 56 Kunden Aufträge für 857 Dreamliners, was diesen laut Boeing zum
sich am schnellsten verkaufenden Flugzeugtyp der Welt macht.
Caroll Mc Cormick ist ein in Montreal ansässiger freiberuflicher Autor.
Fotos: The Boeing Company
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