ASuMED: ein kryogener Motor für die nachhaltige Luftfahrt

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Kryogener Motor

ASuMED: ein kryogener Motor für die nachhaltige Luftfahrt

Nachhaltigkeit ist ein wichtiges Thema in der Luftfahrtindustrie. Die Unmenge an Menschen und Produkten, die täglich über den Globus fliegen, verursachen eine enorme Umweltbelastung. Wie können wir dies korrigieren? Verschiedene groß angelegte wissenschaftliche Forschungsprojekte, ähnlich wie das ASuMED-Projekt, beschäftigen sich mit dieser Frage. In den vergangenen Jahren war Demaco aktiv an der Entwicklung eines nachhaltigen supraleitenden Flugzeugmotors beteiligt.

Nachhaltigkeit in der Luftfahrtindustrie

Die Luftfahrt stellt eine große Belastung für die Umwelt dar. Die meisten Flugzeuge verbrauchen etliche Kilogramm Treibstoff pro Minute, wodurch giftige Abgase mit hohem CO²-, Stickoxid- und Feinstaubanteil entstehen.

ACARE Flightpath 2050 hat sich anspruchsvolle Nachhaltigkeitsziele für die Luftfahrtindustrie gesetzt, um diese giftigen Abgase zu reduzieren. Das Programm strebt folgende Ziele für 2050 im Vergleich zu den Zielen für 2020 an:

  • Reduzierung der CO²-Emissionen um 75 %.
  • Reduktion der Emissionen von Stickoxiden und Feinstaub um 90 %.
  • Reduktion des durch den Flugverkehr verursachten Lärmpegels um 60 %.

Naturgemäß werden Verbesserungen am Flugzeugdesign wahrscheinlich nicht die gewünschten Ergebnisse bringen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, neue und alternative Techniken zu erforschen.

Das ASuMED-Projekt

Eine Möglichkeit, ein Flugzeug leichter zu machen und einen nachhaltigeren Betrieb zu fördern, ist die Entwicklung eines kompakten, leichten und supraleitenden Motors. Der Zweck des ASuMED-Projekts 2017 hat genau dieses Ziel.

Das Projekt ASuMED wurde von der Europäischen Union gefördert und ist ein Element des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm. Das Programm wird von einem erfahrenen Konsortium bestehend aus: Air Liquide, Hochschule Aschaffenburg, Institut für Elektrotechnik, Karlsruher Institut für Technologie, K&S GmbH Projektmanagement, Oswald, Rolls-Royce, SuperOx, University of Cambridge, und Demaco, während Airbus nahm bei dem Projekt eine beratende Rolle ein.

Ziel des Projekts war es, einen kryogenen Motor für die Luftfahrtindustrie zu entwickeln, der den Treibstoffverbrauch und den Ausstoß von giftigen Gasen reduziert.

Warum ein supraleitender Motor?

Unter Supraleitung versteht man das Phänomen, dass bestimmte Materialien ihren elektrischen Widerstand verlieren, wenn sie extrem abgekühlt werden. Elektrische Ströme werden dann nicht mehr durch irgendeinen Widerstand behindert; dies bietet Möglichkeiten, kompakte und dennoch sehr leistungsfähige und effektive elektrische Anwendungen zu bauen.

Elektromotoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Je leitfähiger das Material ist, desto mehr Energie kann umgewandelt werden und der Elektromotor kann kompakter und leichter gebaut werden.

Der ASuMED-Kryomotor

Das leichte und kompakte ASuMED-Triebwerk nutzt die Supraleitung, um die nötige Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erreichen, die für ein hybridelektrisches Triebwerk mit verteiltem Schub (HEDP) erforderlich sind, das zukünftige große Verkehrsflugzeuge antreiben wird. Durch die Verwendung von kryogenem Gas in Kombination mit fortschrittlichen Kühlsystemen (Hilfsgeräten) wird der ASuMED-Motor auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt, um supraleitende Flugzeugmotoren zu ermöglichen.

Wie funktioniert das? Ein kryogenes Triebwerk basiert auf dem Konzept des Doppelkryostaten. Es besteht aus zwei getrennten Kryostaten und zwei separaten Kühlsystemen. Ein System wird für den Rotor, das andere für den Stator verwendet. Der Rotor wird mit Heliumgas von 25 K (-248,15 °C) und der Stator mit flüssigem Stickstoff von 20 K (-253,15 °C) gekühlt.

Bei diesem Projekt war Oswald für die Entwicklung des Stators verantwortlich, während Demaco in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge den Rotor entwickelte.

Kühlen eines bewegten Objekts

Die Kühlung eines sich bewegenden Objekts, wie des Rotors im ASuMED-Projekt, ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Feste Gegenstände können durch Konduktion gekühlt werden, bei bewegten Objekten ist das kaum machbar. Als bestmögliche Alternative hat sich nach gründlichem Vergleich und Analyse die Kühlung durch forcierte Konvektion ergeben.

Diese wird erreicht, indem gasförmiges Helium in einem geschlossenen System um den Rotor zirkuliert (Closed-Loop-Kühlung); dadurch wird der Rotor mit einem konstanten Strom von kaltem Gas gekühlt.

Helium mit einer Temperatur von 25 K (-248,15 °C) wird am Rotor vorbeigeführt. Während der Rotor gekühlt wird, erwärmt sich das Gas auf ca. 30 K (-243,15 °C). Nach dem Passieren des Rotors wird das leicht erwärmte Gas automatisch im Kühlsystem gesammelt und wieder auf 25 K abgekühlt, um den Rotor erneut zu passieren. Der Vorgang wird ständig wiederholt.

Kryogener Motor
Mock-up des ASuMED-Motors

Wie geht es jetzt weiter?

Die ersten Schritte sind getan. Die FEM-Analysen ( auf Basis der Finite-Elemente-Methode) sind abgeschlossen, die Auslegung des Systems ist abgeschlossen. Das Ziel des ASuMED-Projekts ist erreicht. Gemeinsam mit dem Konsortium haben wir den Nachweis erbracht, dass ein kompaktes supraleitendes Kryo-Triebwerk in der Lage ist, genügend Schub zu liefern, um in der Luftfahrt eingesetzt werden zu können.

Bevor die Luftfahrtindustrie diesen Motortyp in der Luftfahrt einsetzen kann, sind jedoch weitere Forschungen, Tests und Experimente notwendig. Diese umfangreichen und tiefgreifenden Experimente und Tests werden neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich das System unter verschiedenen Bedingungen verhält (z. B. in kalten und heißen Umgebungen), was eine weitere Verbesserung und Optimierung des kryogenen Kühlsystems ermöglicht.

Demaco als Berater für komplexe kryotechnische Fragestellungen

Die Arbeitsmethoden von Demaco sind sehr vielfältig. Wir beschäftigen Teams, die sich mit eher kurzfristigen Standardprojekten beschäftigen, wie der Lieferung von vakuumisolierten Transferleitungen oder Kryokonservierungssystemen.

Ein wesentlicher Teil unserer Tätigkeit ist jedoch die eingehende Beschäftigung mit komplexen kryogenen Herausforderungen. Als einer der führenden Akteure in der Kryotechnik werden wir regelmäßig konsultiert, um die beste Lösung für eine Vielzahl von kryogenen Herausforderungen zu finden. Das Lösungskonzept für den Rotor des ASuMED-Projekts ist ein deutliches Beispiel für unsere Kompetenz.

Unsere Beteiligung an Projekten dieser Art beruht in der Regel auf weit mehr als der Lieferung kryogener Produkte. Wir bieten das Gesamtpaket aus Projektmanagement, Kryotechnik und der Lieferung der richtigen Kryoanlagen.

Cryogenic Engine

In vielen Fällen führen unsere Projekte zu brillanten neuen Erfindungen. Demaco hat die neue Technik für den hochentwickelten ASuMED-Rotor bereits patentiert; wir gehen davon aus, dass unsere Erfindung zu einer nachhaltigen Luftfahrtindustrie beitragen wird.

Möchten Sie mehr wissen?

Falls Sie Fragen zu kryogenen Antrieben oder Demacos fortschrittlicher Beteiligung an kryogenen Fragestellungen haben, kontaktieren Sie uns bitte oder stöbern Sie auf unserer Website nach unseren Produkten und Projekten und erfahren Sie mehr darüber, wer wir sind und was wir leisten.

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