Forschende machen Düsentriebwerke fit für das Wasserstoffzeitalter

Europa bereitet sich auf das klimaneutrale Fliegen mit nachhaltig hergestelltem Wasserstoff vor. Die EU hat vergangenes Jahr ein Projekt ausgeschrieben, mit dem sie die Industrie und Hochschulen bei der Entwicklung eines wasserstoffbetriebenen Mittelstreckenflugzeugs unterst¨¹tzen will. Unter anderem m¨¹ssen D¨¹sentriebwerke auf den neuen Treibstoff umger¨¹stet werden. Heutige Triebwerke sind f¨¹r das Verbrennen von Kerosin optimiert.

?Wasserstoff verbrennt schneller als Kerosin. Aus diesem Grund erzeugt es kleinere und kompaktere Flammen?, erkl?rt Nicolas Noiray, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Z¨¹rich. Bei der Konstruktion von Wasserstoff-Triebwerken muss das ber¨¹cksichtigt werden. Experimente von Noirays Teams liefern daf¨¹r nun wichtige Grundlagen. Das Team ver?ffentlichte ihre Messungen soeben in der Fachzeitschrift externe Seite Combustion and Flame.

Ein Problem sind Vibrationen, welche Ingenieurinnen und Ingenieure einzud?mmen versuchen: In der Brennkammer eines D¨¹sentriebwerks sind um die zwanzig Treibstoff-Einspritzd¨¹sen ringf?rmig angeordnet. Dort wird der Treibstoff verbrannt, was Schallwellen erzeugt. Diese Schallwellen werden von den W?nden der Brennkammer zur¨¹ckgeworfen und wirken sich auf die Flammen aus. Vibrationen, die durch die gegenseitigen Wechselwirkungen von Schallwellen und Flammen entstehen k?nnten, w¨¹rden das Triebwerk stark belasten.  ?Die Vibrationen k?nnen das Material erm¨¹den, was im schlimmsten Fall Risse und Sch?den verursachen w¨¹rde?, sagt Abel Faure-Beaulieu, ehemaliger Postdoktorand in Noiray¡¯s Gruppe. ?Bei der Entwicklung von Triebwerken wird deshalb darauf geachtet, dass unter Betriebsbedingungen keine solchen Vibrationen entstehen.?

Bedinungen auf Reiseflugh?he simulieren

Als Ingenieurinnen und Ingenieure die heutigen Kerosin-Triebwerke entwickelten, mussten sie diese Schwingungen in den Griff bekommen. Das gelang ihnen, indem sie die Form der Flammen und die Geometrie und Akustik der Brennkammer optimierten. Die Art des Treibstoffes hat jedoch einen grossen Einfluss auf die Wechselwirkungen von Schall und Flamme. Daher m¨¹ssen Ingenieure und Forschende nun auch daf¨¹r sorgen, dass die Schwingungen in einem neuen Wasserstoff-Triebwerk nicht auftreten. Eine aufw?ndige Versuchs- und Messanlage an der ETH Z¨¹rich erm?glicht es Noiray, die Akustik von Wasserstoff-Flammen zu messen und diese Schwingungen vorherzusagen. Im Rahmen des EU-Projekts Hydea, an dem er gemeinsam mit der Firma GE Aerospace beteiligt ist, testet er Wasserstoff-Einspritzd¨¹sen dieser Firma.

?Mit unserer Anlage k?nnen wir die Temperatur und den Druck in einem Triebwerk auf Reiseflugh?he nachbilden?, erkl?rt Noiray. Zudem k?nnen die ETH-Forschenden die Akustik von verschiedenen Brennkammern simulieren und so eine Vielzahl von Messungen durchf¨¹hren. ?Unsere Studie ist die erste ihrer Art, die das akustische Verhalten von Wasserstoff-Flammen unter realen Flugbedingungen misst.?

In ihren Experimenten verwendeten die Forschenden eine einzige Einspritzd¨¹se. Anschliessend nutzten sie ihre Daten, um das akustische Verhalten zahlreicher D¨¹sen, wie sie in einem Triebwerk vorkommen, zu modellieren. Die Studie hilft den Ingenieurinnen und Ingenieuren von GE Aerospace, die Einspritzd¨¹sen zu optimieren und den Weg f¨¹r ein funktionierendes Wasserstoff-Triebwerk zu ebnen. In wenigen Jahren soll es f¨¹r erste Tests am Boden bereit sein, und sp?ter werden damit die ersten Flugzeuge abheben k?nnen.

ETH-Professor Noiray h?lt aber weder die Entwicklung der Triebwerke noch die Entwicklung von Wasserstoff-Tanks f¨¹r die Flugzeuge f¨¹r die gr?sste Herausforderung bei der ?berf¨¹hrung der Luftfahrt ins Wasserstoffzeitalter. ?Die Menschheit ist auf den Mond geflogen. Ingenieure werden es auch schaffen, Wasserstoff-Flugzeuge zu entwickeln?, sagt er. Doch mit den Flugzeugen alleine ist es nicht getan. Eine grosse Herausforderung bestehe auch darin, die gesamte Infrastruktur rund um die Wasserstoff-Luftfahrt aufzubauen, etwa ausreichende Mengen klimaneutralen Wasserstoff herzustellen und zu den Flugh?fen zu transportieren, sagt Noiray. Damit auch dies innert n¨¹tzlicher Frist gelingt, brauche es jetzt einen Effort.

Das Projekt wird unterst¨¹tzt vom Clean Aviation Joint Undertaking (externe Seite CAJU), einer Public-private-Partnership der Europ?ischen Kommission und der europ?ischen Luftfahrtindustrie.