Die Fraunhofer-Institute forschen im Sinne einer nachhaltigen, klimaneutralen Luft- und Raumfahrt entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Fraunhofer-Institute forschen für die Luft- und Raumfahrttechnik Technologie, die abhebt
17. Juni 2022
12 Minuten Lesezeit
Die Fraunhofer-Institute entwickeln Technologien für die Gestaltung einer nachhaltigen Luft- und Raumfahrt entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Bild: Fraunhofer
Der Green Deal der Europäischen Union sieht vor, die Netto-Emissionen von Treibhausgasen des europäischen Kontinents bis 2050 auf null zu reduzieren. Das betrifft auch die Luftfahrtbranche. Sie muss zügig Technologien für mehr Nachhaltigkeit entwickeln. Die Fraunhofer-Institute forschen im Sinne einer nachhaltigen, klimaneutralen Luft- und Raumfahrt entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Schon 2035 sollen erste Flugzeuge in Betrieb gehen, die kein CO2 mehr ausstoßen. Auch die Raumfahrt trägt zur Bekämpfung des Klimawandels bei, beispielsweise durch die Auswertung von Erdbeobachtungsdaten, die der Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels sind.
Neben Entwicklungen aus Leitprojekten erzielen die Fraunhofer-Institute Ergebnisse beispielsweise auch im nationalen LuFo-Förderprogramm (Luftfahrtforschungsprogramm) sowie dem europäischen Clean-Sky-Programm. Beim Thema Space erweisen sich Fraunhofer-Spin-offs mit Technologien für die Erdbeobachtung aus dem All wegweisend – ein Thema, das für den Klimaschutz von zentraler Bedeutung ist. Darüber hinaus verfügen die Fraunhofer-Institute über Konzeptstudien für die Zukunft der Luftmobilität in urbanen Räumen, etwa durch unbemannte Flugzeugsysteme.
Additive Fertigungstechnologien wie 3D-Druck bieten hohe Flexibilität beim Design und schonen Ressourcen durch gezielten Materialeinsatz. Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut EMI hat zwei unterschiedliche mit 3D-Druck gefertigte Türaufhängungen für Verkehrsflugzeuge entwickelt. Die Technologie unterstützt den Leichtbau.
Außerdem sollen additive Fertigungstechnologien dabei helfen, einem sehr sparsamen alternativen Raketenantrieb für lukrative Kleinsatelliten-Missionen zum Durchbruch zu verhelfen. Hieran forscht das Fraunhofer Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS mit Partnern.
Werkstoffe und Verfahren für den Flugzeugbau
Thermoplastische Kunststoffe sind auch nach der Aushärtung wieder verformbar. Sie lassen sich so leichter reparieren oder recyceln. Der Einsatz bringt den Flugzeugbau dem großen Ziel Kreislaufwirtschaft deutlich näher. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM zeigt, dass der Kunststoff u. a. für die Herstellung von Integralspanten, die zum Versteifen eines Flugzeugrumpfs dienen, genutzt werden kann.
Augmented Reality und Virtual Reality halten beim Flugzeugbau Einzug. Vier Fraunhofer-Institute forschen daran, wie digitale und virtuelle Methoden sinnvoll in der Flugzeugkonstruktion und -produktion eingesetzt werden können.
Noise Cancelling für Flugzeugmaterialien
Vibroakustische Metamaterialien (VAMMs) sind durch eine spezielle Anordnung in der Lage, die Ausbreitung von Wellen in bestimmten Frequenzbereichen zu stoppen. Fliegen wird so leiser und komfortabler. Entwickelt wurde die Technologie am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.
Advanced Air Mobility: Fraunhofer-Leitprojekt Albacopter
Im Leitprojekt Albacopter entwickeln unter Leitung des Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI sechs Fraunhofer-Institute ein skalierbares Drohnenkonzept, um zukünftig Teile des städtischen Verkehrs in die Luft verlagern zu können. Die Besonderheit besteht in der Verknüpfung der VTOL-Fähigkeit (Vertical Take-Off and Landing) eines Multicopters mit den aerodynamischen Vorzügen eines Segelgleiters.
Zur Erprobung und Validierung innovativer Fluglageregler, Autopiloten, Sensoren und Energiemanagement Systemen wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens Albacopter zwei »Songbirds 150« der Firma Germandrones beschafft. Die Fluggeräte besitzen VTOL-Fähigkeit. Bild: Fraunhofer IVI
Im Bereich Luft- und Raumfahrt ist mit der sauberen Energiequelle Wasserstoff einiges möglich möglich, etwa im Bereich der Antriebskonzepte. Mit ihren Forschungsinitiativen trägt die Fraunhofer-Gesellschaft zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft bei. Auch für die Speicherung des Wasserstoffs gibt es neue Lösungen.
Das Fraunhofer IFAM setzt auf leichte und recyclingfähige Faser-Verbundkunststoffe (FVK). Mit einer besonderen Beschichtung bieten sie außergewöhnliche Dichtigkeit und können somit auch als Wasserstofftank eingesetzt werden. Eine gewichtssparende, ressourcenschonende und gleichzeitig sichere Alternative zu den herkömmlichen schweren Stahltanks.
Darüber hinaus sind innerhalb derInitiative Aquaventus umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen durch das Fraunhofer IFAM geplant, um Wasserstoff in Form von LOHC zu speichern und zu transportieren.
Für das Spiegelteleskop Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) der European Space Agency (ESA) entwickelte das Fraunhofer IWS eine der drei Hauptbauteile des Teleskops, eine ausfahrbare optische Bank. Der Clou: Bei der Fertigung kommen besonders effiziente und ressourcenschonende Verfahren wie Laserauftragschweißen und additive Fertigung zum Einsatz.
Satelliten zur Erdbeobachtung
Im Kampf gegen den Klimawandel gewinnt die Erdbeobachtung mit Satelliten immer mehr Bedeutung. Fraunhofer-Spin-offs und ihre Technologien gewinnen hier an Bedeutung: Spaceoptix, eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, präsentiert Metalloptiken und Spiegelsysteme für Anwendungen in den Bereichen Weltraum, Astronomie, Wissenschaft und Industrie. Forschende des Fraunhofer EMI haben ConstellR gegründet. Im Mittelpunkt steht ein satellitengestütztes System zur Überwachung von Trockenstress und der Bewässerung landwirtschaftlicher Anbauflächen.
ISRU (In Situ Ressource Utilization) gehört zu den zukunftsweisenden Technologien der nachhaltigen Industrieproduktion. Bei den entsprechenden Verfahren werden vor Ort vorgefundene Materialien als Bau- oder Verbrauchsmaterialien verwendet. Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST arbeiten an elektrochemischen Verfahren, um aus Regolith, einem Pulver, das die Mondoberfläche bedeckt, Eisen oder Aluminium zu extrahieren. Die Reduktionsprozesse Elmore und Roxy könnten bei Missionen zum Mond und in Zukunft auch auf dem Mars zum Einsatz kommen.
Fraunhofer-Satellit im Orbit
Anfang 2023 will die Fraunhofer-Gesellschaft den Nanosatelliten Ernst (Experimental Spacecraft based on Nano-Satellite-Technology) in den Orbit schicken. Der nur 22 kg schwere Satellit wurde vom Fraunhofer EMI entwickelt.
Darstellung des Nanosatelliten Ernst. Der Fraunhofer-Satellit kann Missionen im erdnahen Orbit sehr kurzfristig realisieren. Bild: Fraunhofer EMI
Er nutzt einen kryogekühlten Infrarotdetektor, eine Infrarot-Kamera zur Erdbeobachtung und einen Strahlungsdetektor. Ernst ist als Gesamtsystem konzipiert, das in der Lage ist, ganz unterschiedliche Missionen sehr kurzfristig zu realisieren und in den erdnahen Orbit zu bringen. (eve)
Überblick: Daran arbeiten die genannten Fraunhofer-Institute
Fraunhofer EMI, Freiburg
Das Geschäftsfeld Raumfahrt am Fraunhofer EMI arbeitet im Auftrag nationaler und internationaler Raumfahrt- und Verteidigungsindustrien sowie Raumfahrtbehörden. Basierend auf langjähriger Erfahrung bietet das Institut die Untersuchung des von Weltraummüll ausgehenden Gefährdungspotentials an, schlägt strukturelle Schutzmaßnahmen einschließlich Erprobung vor und steht beratend zur Seite.
Eine komplette Untersuchung umfasst die Analyse des durch Weltraummüll und Mikrometeoriten gegebenen Gefährdungspotentials im betrachteten Orbit, die Identifizierung kritischer Komponenten auf der Oberfläche eines Raumfahrzeugs, die Untersuchung der Schädigung dieser Komponenten durch Weltraummüll-Einschläge, die Auslegung von Schutzanordnungen, die Erprobung von Schutzmaßnahmen durch Impakttests sowie numerische Simulationen.
Das Geschäftsfeld Luftfahrt am Fraunhofer EMI beschäftigt sich mit der Charakterisierung, Modellierung, Prüfung und Optimierung von luftfahrtrelevanten Materialien, Strukturen und Komponenten, insbesondere im Leichtbaubereich. Untersucht werden zudem die Auswirkungen von Hagel, Vogelschlag und Debris Impakt sowie von Blitzschlag auf Flugzeugstrukturen.
Fraunhofer IFAM, Bremen
Auch die Luftfahrtbranche folgt dem Anspruch zu immer kürzeren Innovationszyklen bei gleichzeitig steigenden Produktions- und Fertigungsanforderungen an Wirtschaftlichkeit, Emissionen und Umweltverträglichkeit. In diesem Zusammenhang erarbeitet das Fraunhofer IFAM Lösungen zu zentralen Herausforderungen, die die Luftfahrt derzeit in ihrem Transformationsprozess hin zur leisen, effizienten, nachhaltigen und dennoch wirtschaftlichen Luftfahrt von morgen begleiten.
Zentrale Elemente für Innovationen in der Luftfahrt sind die Entwicklung neuer Werkstoffe, Materialkombinationen und Fügeverfahren sowie die Anwendung effizienter Fertigungsprozesse und Produktionsketten, die den Sicherheitsanforderungen der Luftfahrtbranche genügen. Angefangen von maßgeschneiderten Werkstoffen über die Fertigungstechnik und Oberflächenfunktionalisierung bis hin zur vollständigen Charakterisierung und Qualifizierung des Bauteils oder des Verfahrens können aktuelle Fragestellungen in der Zusammenarbeit mit den Partnern umfassend bearbeitet werden.
Mit seinen Kernkompetenzen bietet das Fraunhofer IFAM den Unternehmen der Luftfahrtindustrie ein Spektrum an Innovationen bei der Qualifizierung von Materialien und Fertigungsprozessen:
Funktionelle Oberflächen und gedruckte Sensortechnik
Fügetechnologien, z. B. Kleben, thermoplastisches Schweißen und Nieten
Automatisierte Füge- und Montageprozesse
Prozessüberwachung und Qualitätssicherung
Luftfahrtkonforme Untersuchungen und Prüfungen in akkreditierten Laboren, z. B. Salzsprühnebelprüfung, Gitterschnittprüfung und G1C-Test gemäß NADCAP
Personalqualifizierung im Bereich Klebtechnik und FVK
Fraunhofer IOF, Jena
Auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt erforscht das Fraunhofer IOF das Design, die Fertigung und die Montage moderner Teleskop- und Spektrometeroptiken mit on-axis und off-axis Asphären, Freiformflächen und strukturierten Oberflächen (Gitter).
Spiegel, die ultrapräzise gefertigt, charakterisiert und mikrometergenau in den Strahlengang eingebaut sind, zeigen ihre Leistungsfähigkeit in der Anwendung.
Am Fraunhofer IOF werden Metalloptiken für den IR- bis UV-Spektralbereich entwickelt. Dazu gehören ebenso optische Systeme zur Erdbeobachtung und Planetenerkundung wie moderne LIDAR-Systeme für die Detektion von Wirbelschleppen von Flugzeugen. Dafür sind verschiedene Prozessketten etabliert.
Fraunhofer IST, Braunschweig
Mit wissenschaftlichem Know-How und Anlagentechnik, Kenntnissen über den Raumfahrtmarkt, Kontakten zu den Agenturen wie DLR, ESA sowie zu den entsprechenden Firmen hilft das Fraunhofer IST, Projekte und Ideen zu verwirklichen.
Es entwickelt und realisiert Lösungen der Oberflächentechnik. (Elektro)-chemische Verfahren werden eingesetzt, um aus dem Mondregolith nutzbare Metalle sowie lebensnotwendigen Sauerstoff zu extrahieren. Neuartige Konzepte auf Basis von leitfähigen Dünnschichtsystemen ermöglichen eine automatisierte Ablösung von Staub von Oberflächen. Wir entwickeln Verfahren, um Energiespeicher sowie Treibstoffe aus Mondmaterial herzustellen. Weltraumspezifizierte optische Präzisionsbeschichtungen werden mit neuesten Beschichtungsverfahren auf hohem TRL realisiert. Sehr leichte CFK Bauteile können galvanisch metallisiert werden.
Im Bereich Luftfahrt entwickelt das Fraunhofer IST Lösungen zur Substitution kritischer Substanzen wie z.B. Cd oder Cr(VI). Gemeinsam mit Kunden und Partnern arbeitet das Institut an der Weiterentwicklung von Energiespeichern, z.B. an Wasserstofftanks, Festkörperbatterien, oder Brennstoffzellen. Für Anwendungen im Innenraum funktionalisiert es Oberflächen, um diese beispielsweise zur Realisierung smarter Systeme mit integrierter Sensorik oder zwecks Desinfektion mit antibakteriellen Schichten auszustatten. Zur Optimierung der Luftfahrzeuge in ihrer Struktur arbeitet das Institut an der Verbesserung von Fügeverbindungen, an der Entspiegelung von Scheiben sowie an eisfreien Oberflächen. Den Kunden im Bereich der Produktion bietet es die Entwicklung von tribologischen Schichten, z. B. für eine Erhöhung der Werkzeugstandzeiten an.
Fraunhofer IVI, Dresden
Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI in Dresden beschäftigt in vier Abteilungen mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Das Spektrum der verkehrsbezogenen Forschungsarbeiten erstreckt sich über die Bereiche Fahrzeug- und Antriebstechnik sowie Intelligente Verkehrssysteme bis hin zu den Gebieten Disposition, Logistik und Digitale Geschäftsprozesse.
Zur Forschungsinfrastruktur des Instituts zählen neben leistungsfähigen Laborausstattungen, innovativen Versuchsplattformen und -fahrzeugen sowie modernsten IT-Strukturen auch ein Technikum mit Fahrzeughalle und angrenzendem Testoval.
Fraunhofer IWS, Dresden
Das Fraunhofer IWS unterstützt im Bereich Luft- und Raumfahrttechnik seine Partner darin, Gewicht einzusparen. So kommen neben karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) auch metallische Leichtgewichte wie Aluminium, Magnesium und Titan zum Einsatz. Die Technologien und neuen Hochleistungswerkstoffe müssen dabei extremer Kälte und starken Temperaturwechseln sicher standhalten.
Insbesondere der Turbinen- und Triebwerksbau bietet zahlreiche Ansätze für Optimierungen und Kostenersparnisse. Lösungen für neuartige Triebwerkdesigns, langlebigere Turbinenschaufeln oder günstige Verfahren für Reparatur, Wartung und Instandsetzung sind nur ein Teil der Ergebnisseder Forschungs- und Entwicklungsarbeit des Instituts.
Verfahren wie das Laserhärten, Laserschweißen und Laserschneiden sowie Beschichtungslösungen und die Designfreiheiten der additiven Fertigung finden im Flugzeugbau ebenso Anwendung wie auch bei Raketenantrieben und Weltraumteleskopen. Ebenso forscht das Institut an wichtigen Zukunftsthemen, wie der Entwicklung von Batterie- und Konstruktionslösungen für elektrisch angetriebene Flugzeuge oder Drohnen.
Fraunhofer LBF, Darmstadt
Im Leistungsfeld Ultra Lightweight Design dehnt das Fraunhofer LBF die Grenzen des Machbaren aus. Basis ist das ganzheitliche Wissen auf werkstoff-, bauteil- und systemtechnischer Ebene. Darüber hinaus werden Methoden des Material- sowie des konstruktiven und des systemischen Leichtbaus zusammengeführt.
Das Fraunhofer LBF bündelt seine Kompetenzen in den Forschungsbereichen Kunststoffe, Betriebsfestigkeit und Adaptronik und entwickelt zudem neuartige Lösungen des funktionsintegrierten, intelligenten Leichtbaus, immer unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit, Nachhaltigkeit und Bezahlbarkeit der technischen Produktlösung.
Das Institut entwickelt Lösungen z. B. für funktionalisierte Polymere, funktionsintegrierte Faser-Verbund- Systeme, Mono- und Multimaterialsysteme, numerische und experimentelle Methoden der Zuverlässigkeits- und Lebensdauerbewertung von Leichtbaulösungen sowie der Nutzung integrierter Sensoren und Aktoren zur Überwachung und Eigenschaftsoptimierung von Strukturen.
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