Die Zukunft von Luftfahrttechnologien, Raketentriebwerken und nachhaltiger Luftfahrt

Interview mit Raumfahrtingenieur Simone Paternostro von der Universität in Nottingham

Jane: Interviewer (Repräsentantin von Air Charter Service)

Simone: Interviewpartner (Raumfahrtforscher & Wissenschaftler an der Universität von Nottingham)

J: Hallo Simone, wir würden gerne ein wenig mehr über Sie, Ihre Rolle an der Universität und Ihr Spezialgebiet erfahren.
S: Nach meinem Master an der La Sapienza Universität in Rom spezialisierte ich mich weiter auf Raumfahrtdynamik, Missionsanalyse und Navigationssysteme - dies sind meine Hauptbereiche.

J: Und wie lang haben Sie diesen Bereich studiert?
S: Eine ganze Weile. Ich begann im Jahr 2005 und erhielt einen Bachelorabschluss und zwei Masterabschlüsse an der La Sapienza Universität von Rom. Den Bachelorabschluss machte ich in der Luftfahrttechnik, den ersten Masterabschluss in der Weltraumtechnik und den zweiten im Bereich von Weltraumtransportsystemen. Ich habe danach drei Jahre an der Universität von Nottingham verbracht und mich somit mehr als 12 Jahre lang diesem Bereich gewidmet.

J: Könnten Sie uns einige interessante Dinge über sich selbst erzählen, vielleicht einen Lieblingsfilm oder ein Lied?
S: Als Weltraumenthusiast überrascht es Sie wahrscheinlich nicht, dass Apollo 13 einer meiner Lieblingsfilme ist. Dieser zeigt, wie schwierig Raumfahrtmissionen sind, da das Umfeld so rau ist und man irgendwie überleben muss.

Die Zukunft von Elektronik in der Luftfahrt

J: In unserer vorausgehenden Recherche haben wir herausgefunden, dass in letzter Zeit viel über Avionik (Luftfahrtelektronik) im Zusammenhang mit der Zukunft der Luftfahrt gesprochen wurde. Wird Elektronik Ihrer Meinung nach in der zukünftigen Luftfahrt eine zentrale Rolle spielen?
S: Elektronik spielt schon jetzt eine sehr wichtige Rolle in der Luftfahrt und wird das zweifellos auch in der Zukunft tun. Zur Zeit versuchen Forschungszentren und Unternehmen, unterschiedliche Funktionen der Elektronik, wie z. B. Leistungsfähigkeit, Effektivität, Leistung und Mobilität zu verbessern - dies sind entscheidende Elemente. Verbesserungen auf diesen Gebieten könnten zu weiteren Verbesserungen der Leistung führen. Kommerzielle Flüge besitzen ein elektronisches Bauelement in ihrer Bordelektronik, welches Navigation, Kommunikation, Flugüberwachung, Kollisionsvermeidungssysteme sowie den Flugdatenschreiber einschließt. Es zeichnen sich neue Entwicklungen ab.

Nottingham Universität, Luftfahrttechnologien
An der Universität von Nottingham bin ich z. B. am Innovate-Projekt beteiligt. INNOVATE steht für die Integration von neuartigen Luftfahrttechnologien. Es handelt sich um ein EU-finanziertes Marie Curie Doktorandenprogramm und entstand aus der Notwendigkeit heraus, einen integrierten Ansatz zur Entwicklung und Ausnutzung von Technologie innerhalb des Luftfahrtsektors zu erschließen. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, Mainstreamforschung zu fördern. Darüber hinaus unterstützt sie auch die Entwicklung und Demonstration dieser Technologien. Mit anderen Worten, wir versuchen zu beweisen, dass die Technologie integriert und verbessert werden kann.

Mehr über das Projekt INNOVATE
13 Forscher und PhD Studenten aus der ganzen Welt arbeiten an diesem Projekt. Jeder von uns konzentriert sich auf ein mit Innovation in Verbindung stehendes, spezifisches Systemkonzept auf diesem Gebiet, wie z. B. Antrieb, Flugzeugzellen, Bodenbetrieb und Navigation.

Laufendes Projekt der Nottingham Universitätsmitarbeiter
Ein Kollege arbeitet beispielsweise an aktiven Steuerungskonzepten zu Flugzeugsteuerungsflächen, die der Verbesserung der Flugzeugaerodynamik dienen. Diese können dazu beitragen, den Luftwiderstand von Flugzeugen um etwa 25 Prozent zu verringern. Infolgedessen fliegt das Flugzeug viel ruhiger, was wiederum zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen führt. Dies ist ein Beispiel für eine der neuen Technologien, die wir hier an der Universität von Nottingham entwickeln und prüfen und es zeigt eine andere Art von Elektronik, die zukünftig in der Luftfahrttechnologie berücksichtigt werden kann.

Die Zukunft des Flugzeugdesigns

J: Erwarten Sie in der Zukunft irgendwelche bahnbrechenden Änderungen im Flugzeugdesign?
S: Ja, es gibt einige Unternehmen, die an neuen Konzepten arbeiten. Das sind unter anderem NASA, Boeing und Airbus. Diese sind meiner Meinung nach die Hauptprotagonisten in der Zukunft der Luftfahrt. Die daraus entstandene Hauptänderung im Design ist bekannt unter dem Namen Blended Wing Body. Es handelt sich hier um ein integriertes Design ohne klare Trennung von Tragfläche und Rumpf des Flugzeuges. Diese Integration besitzt dem herkömmlichen Flugzeugdesign gegenüber den Vorteil, dass die Form des Rumpfs selbst Auftrieb erzeugt. Gleichzeitig werden dadurch Luftwiderstand und Gewicht reduziert, was das neue Design kraftstoffeffizienter macht und CO2-Emissionen verringert.

Herausforderungen, mit denen man bei zukünftigen Änderungen des Flugzeugdesigns konfrontiert wird
Die Hauptherausforderung besteht in struktureller Hinsicht, da Flugzeuge mit einem Blended Wing Body nicht leicht zu bauen sind - Flugzeughersteller sind jedoch dabei, sich diesem Problem zu stellen. Die Lösung könnte im Einsatz von Kohlefaserverbundwerkstoffen liegen, die zur Erstellung der Gesamtstruktur des Flugzeuges eingesetzt werden könnten. Airbus und Boeing zum Beispiel entwickeln bereits ihre eigenen Modelle, einschließlich A350 XWB bzw. 787. Die Rümpfe werden zu 50 Prozent aus Verbundstoffen bestehen. Airbus behauptet, dass der A350XWB 25 Prozent geringere Betriebskosten & CO2-Emissionen sowie einen geringeren Treibstoffverbrauch im Vergleich zu der vorangehenden Flugzeuggeneration mit sich bringen wird.

J: Wenn Sie von der Struktur sprechen, wollen Sie damit sagen, dass das gesamte Flugzeug aus Verbundmaterialien gebaut werden könnte?
S: Ja, Verbundmaterialien sind viel leichter, und so verringert sich das Gesamtgewicht des Flugzeuges. Allerdings bedarf es eines sehr komplexen Prozesses, um Verbundmaterialien zu formen. Zur Zeit können Flugzeugbauer dies nur mit einigen Bauteilen tun, nicht jedoch für das gesamte Flugzeug.

Entwicklungen zu Flugzeugtriebwerken und Raketenantrieben

Project Skylon and the Scramjet Engine
S: Ich bin kein Experte auf dem Gebiet von Flugzeugtriebwerken, habe jedoch den Artikel gelesen, um mein Verständnis zu den Entwicklungen in diesem Bereich zu vertiefen. Ich glaube, dass es dort zukünftig Änderungen geben könnte.

Projekt Skylon und das Scramjet-Triebwerk
Derzeit ist mir eine Firma hier in England bekannt mit Namen Reaction Engines, die an einem neuen Projekt arbeitet, das Skylon genannt wird. Dort wird eine Kombination unterschiedlicher Triebwerkarten eingesetzt, unter Verwendung einer Rakete plus einem Standarddüsentriebwerk. Das Triebwerk, das dort entwickelt wird, ist auch als Scramjet bekannt. Der Unterschied zwischen einem Standarddüsentriebwerk und einem Scramjet-Triebwerk ist der Einsatz von Kompressoren und Turbinen - Scramjets nutzen diese Bauteile nicht und müssen daher mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, um zu funktioneren. Das ist das Hauptproblem und es verdeutlicht, warum niemand es zuvor eingesetzt hat. Damit dieses Triebwerk funktioniert, muss Überschallgeschwindigkeit erreicht werden. Wenn man das Triebwerk nicht in Gang setzen kann, kann man nicht fliegen.

Das Ziel des Skylon-Projekts
Es sieht so aus, als ob sie versuchen, diese zwei Technologien oder Triebwerkarten zu kombinieren, sodass das Flugzeug mit einem Standarddüsentriebwerk startet und dann, sobald es eine bestimmte Höhe und eine Geschwindigkeit erreicht hat, auf das andere Triebwerk umschaltet. Ich glaube, dass das Skylon Projekt auch noch ein Bauteil nutzt, das dem eines Raketentriebwerkes ähnelt. Man will mit diesem Flugzeug größere Höhen erreichen, in denen es weniger Luft in der Atmosphäre gibt, sodass man höhere Geschwindigkeiten erreichen kann, ohne dabei die Problematik des Luftwiderstands einkalkulieren zu müssen. Dadurch wäre man in der Lage, schneller zu reisen und große Entfernungen in nur einigen Stunden zurücklegen zu können. Man ist dort der Meinung, dass es zukünftig möglich sein könnte, in nur vier Stunden von London nach Sydney zu fliegen, während man zur Zeit, soweit ich weiß, 24 braucht; das wäre daher ein enormer Vorteil.

J: Das wäre ziemlich beeindruckend, wenn wir das miterleben könnten
S: Ja, das ist wie mit der Concorde, bevor sie das Flugzeug zurückgezogen haben. Man war in der Lage, mit Überschallgeschwindigkeit zu fliegen und in sehr kurzer Zeit von London nach New York zu reisen. Leider war es zu kostspielig und wurde daher außer Betrieb genommen.

Nachhaltigkeit und Zukunft der Luftfahrt

J: Wow, dieses neue Projekt klingt wirklich interessant. Erwarten Sie hinsichtlich der Nachhaltigkeit, dass weitere umweltfreundliche Praktiken und Technologien in die Zukunft der Luftfahrt einfließen werden?
S: Man hat größere Bedenken hinsichtlich der CO2-Emissionen, da sich die Anzahl der kommerziellen Flüge sehr schnell erhöht. Es ist inzwischen außerdem viel preiswerter, also fliegen immer mehr Leute. Unsere Messwerte für CO2-Emissionen wurden von den Luftfahrtbehörden zur Verfügung gestellt und betrugen 15 Prozent der weltweiten Emissionen - das ist ein sehr großer Anteil. Der erste Schritt wird dahin gehen, diese Werte konstant zu halten. Laut den Luftfahrtbehörden könnten unsere CO2-Emissionen in 10 bis 15 Jahren auf 30 Prozent steigen. Die internationalen Luftfahrtorganisationen versuchen, dies zu steuern und man arbeitet an einem Beschluss, die CO2-Emissionen anzugehen.

Industriebehörden & Initiativen 2021 - CORSIA
In 2021 wird das Ausgleichs- und Reduzierungsprogramm zu Emissionen der internationalen Luftfahrtbehörde (CORSIA) in Kraft treten. Das Hauptziel dieses Beschlusses liegt in der Stabilisierung der Emissionen und, falls möglich, deren Verringerung. Dies muss jedoch von allen Unternehmen international angenommen werden, und so gibt es noch einiges zu tun. Es wird nicht einfach sein, diese Richtlinien einzuführen, da deren Befolgung freiwillig ist. Es wird davon abhängen, dass Länder diesen Beschluss befolgen. Ich weiß, dass die europäischen Nationen sich an diesen Beschluss halten möchten, und wie ich schon zuvor erwähnt habe, gibt es Unternehmen, die bereits versuchen, Leistungen zu verbessern, um Carbonemissionen zu verringern.

Alternative, nachhaltige Optionen in der Luftfahrt
Zum einen könnte man den Verbrauch der Kraftstoffmenge verringern, was wiederum die für Kraftstoff aufgewendeten Mittel reduzieren würde. Als Alternative werden Kraftstofftechnologien wie Biokraftstoff und kraftstofflose Flugzeuge entwickelt, die Solarenergie oder Wasserstoff als Antrieb nutzen; es wird jedoch noch einige Zeit dauern, bis diese Anstrengungen Früchte tragen werden.

J: Hinsichtlich der kraftstofflosen Flugzeuge als Alternative für verbesserte Nachhaltigkeit in der Luftfahrt, glauben Sie, dass es sich hier um entwicklungsfähige Konzepte handelt, die angenommen werden?
S: Ich denke schon, da es viele Unternehmen gibt, die versuchen, elektrisch angetriebene Maschinen zu entwickeln. Es werden kleine Flugzeugprototypen von Cessna, zusammen mit Airbus und AgustaWestland entwickelt. Die NASA entwickelt ebenfalls ein solarbetriebenes Flugzeug. Und dann ist da noch die Solar Impulse, mit der ein Pilot erfolgreich um die Welt geflogen ist.

J: Ja erinnere mich daran, es ist ein wunderschön entworfenes Flugzeug
S: Ja, es besitzt unglaublich lange, mit Solarpaneelen bedeckte Flügel als Antrieb. Zur Zeit kann nur eine Person darin sitzen, daher ist es nicht wirklich effizient. Dies ist eine der größten Herausforderungen für elektrisch angetriebene Flugzeuge - wenn man Solarpaneele benötigt, dann haben diese eine sehr niedrige Kraftstoffeffizienzrate und man kann keine großen Mengen an Energie erhalten. Dasselbe trifft auf Batterien zu. Das Beispiel von Airbus nutzt Batterien, man benötigt jedoch große Mengen an Batterien, die schwer und nicht belastbar genug sind. Es ist also noch nicht möglich, dies für einen ganzen Flug einzusetzen, es sei denn man fliegt ein einsitziges Flugzeug. Ich glaube, dass es noch einige Jahre dauern wird, bevor diese Technologien effektiv eingesetzt werden können.

J: Elektroantrieb Projekt am Institut für Raumfahrttechnologie, Universität von Nottingham
S: Hier am Institut für Raumfahrttechnologie an der Universität von Nottingham, liegt der Fokus auf Elektroflugzeugen. Wissenschaftler suchen nach Wegen, die Auswirkung der CO2-Emissionen und des Kohlendioxyd zu verringern. Einer meiner Kollegen arbeitet an einem Elektromotor, der am Fahrgestell eines Flugzeuges angebracht werden kann. Dieser macht es möglich, das Flugzeug vollständig vom Gate bis zur Startbahn zu transportieren, ohne den Flugzeugmotor nutzen zu müssen. Eine große Menge Kraftstoff wird auf dieser kurzen Strecke des Fluges vergeudet, besonders, wenn es zu Verzögerungen kommt oder wenn das Flugzeug auf der Startbahn mit dem laufendem Triebwerk warten muss. Plus, es wird eine Menge CO2 ausgestoßen. Daher sind wir dabei, einen Motor zu entwerfen, der entweder am Fahrgestell angebracht wird oder abnehmbar ist, jedoch dabei hilft, das Flugzeug vom Gate zur Startbahn oder während der Rollphase zurück zum Gate zu transportieren. Dies ist ein Beispiel für ein elektrisches System, das zu Zeit erforscht wird.

Die treibenden Hauptelemente für die Zukunft der Luftfahrt and von Suborbitalflügen

J: Dies passt zu dem, was wir gerade besprochen haben - wer wird Ihrer Meinung nach in der Zukunft den größten Beitrag in Bereich der Luftfahrt leisten, wenn es um diese neuen Technologien geht? Was wird Ihrer Meinung nach im Rahmen der von Ihnen angesprochenen Punkten die größte Auswirkung haben?
S: Es wird eine Kombination unterschiedlicher Technologien und Techniken sein, die die Zukunft der Luftfahrt bestimmen wird. Wie ich schon zuvor mit dem Skylon Projekt erwähnt habe, könnte die Zukunft in Suborbitalflügen liegen. Diese sind für Flüge mit hoher Geschwindigkeit gedacht, die Sie innerhalb weniger Stunden ans andere Ende der Welt bringen können.

Weltraumtourismus
Es besteht ein starkes Interesse am Weltraumtourismus. Die Kombination aus diesem Interesse und der Entwicklung der zuvor erwähnten Technologien könnte zum Vorantreiben eines neuen Konzeptes in der Luftfahrtindustrie führen – den Suborbitalflügen.

Suborbitalflüge
Suborbitalflüge könnten weit entfernte Städte miteinander verbinden und Flugzeiten verringern. Es wäre jedoch eine Technologie, die sich auf längere Flüge beschränkt und nicht unbedingt bei regionalen Flügen zum Einsatz kommen würde. Zukünftig wird man eine Kombination der beiden sehen. Für regionale Flüge mit kurzen Strecken könnte man ein Standardflugzeug mit dem neuen gemischten Flugzeugkörperdesign einsetzen, für längere Strecken könnte man jedoch diese neue Technologie verwenden, die der Concorde ähnelt, jedoch noch ausgereifter ist. Das ist das, was ich zukünftig sehen möchte.

J: Gibt es irgendwelche wichtigen zukünftigen Bereiche der Luftfahrttechnologie, die wir nicht behandelt haben?
S: Ein anderer Kollege arbeitet an dem Startoptimierungsprojekt, das der Optimierung des Verfahrens vor dem Start dient. Er hat einen Algorithmus entwickelt, der das Timing und die Flugbahn optimiert oder den Weg, dem das Flugzeug folgen muss, um das Gate oder die Startbahn zu erreichen, und dabei die Position anderer Flugzeuge am Flughafen mit in Betracht zieht. Dieses könnte hilfreich beim Verringern von Verzögerungen sein, da es den Piloten dahingehend mit Informationen versorgt, wann er sich vom Gate zur Startbahn begeben muss, ohne dabei auf die Freigabe vom Fluglotsen warten zu müssen. Gleichzeitig verringert es den Arbeitsaufwand für die Fluglotsen, da dieses System die Avionik des Flugzeuges integriert - dies ist ein weiteres Beispiel einer Technologie, die wir erforschen, um die Leistung des Flughafens und des Flugzeuges selbst zu verbessern.

Unbemannte Luftfahrzeuge und ‘fliegende Autos’

J: Ich bin mir nicht sicher, ob Sie irgendwelche Gedanken zur privaten Luftfahrt und Privatjets haben; glauben Sie, dass Flugzeugbauer an irgendetwas in diesem Bereich arbeiten oder sind Ihnen vielleicht irgendwelche Entwicklungen in diesem Bereich bekannt?
S: Ich habe Videos von Unternehmen gesehen, die neue Konzepte für Flugzeuge entwickeln. Ich würde dabei nicht von „Privatjets“ sprechen, sondern in diesem Fall von kleines UAVs, unbemannten Luftträgern. Sehen Sie sich zum Beispiel das Konzept von UAVs und Drohnen an, um es dann auf Autos anzuwenden, wobei die Konfiguration eines Autos zur Konfiguration eines Flugzeugs wechselt und dabei fixierte Tragflächen und einen Propellerantrieb einsetzt. Dies ist ein Prototyp, der bereits getestet worden ist.

Zukünftige Projekte von Airbus, fliegende Autos und UAVs
Ich glaube, dass Airbus an einem größeren System arbeitet, bei dem sich der Hauptteil des Autos vom Radsegment trennen kann. Es besitzt vier Rotoren, die es ihm ermöglichen, sich in ein UAV zu verwandeln, sodass man abheben, die Räder dabei zurücklassen und dann später wieder zurückkommen kann. Dies ist ein Konzept, das ich in einem der Videos gesehen habe, die von Airbus unterstützt werden, wobei ich das Hauptproblem darin sehe, gesetzlichen Regelungen für fliegende Autos zu erstellen. Wenn jedermann ein solches Auto hätte und von jedem Ort abheben könnte, dann müsste man einen speziellen Führerschein entwickeln. Es müssten zudem auch zuverlässige Kollisionswarnsysteme entwickelt werden, plus, der Verkehr von der Straße in den Himmel müsste geregelt werden, zusammen mit vordefinierten Routen, Schnellstraßen oder spezifischen Flugwegen in der Luft. Es wird zweifellos in Betracht gezogen, wird jedoch noch viele Anregungen aus der Sicht der Flughafenregelung und Zulassungsbehörden benötigen. Technologien können sich manchmal sehr schnell entwickeln, die Organisationen, die sich mit den Regulationen beschäftigen, können jedoch mit diesem Wachstum nicht immer Schritt halten. Es ist häufig hart für ein Unternehmen, ein System ohne offizielle Regulationen zu entwickeln.

J: Wenn Sie an ein Wort denken, das die Zukunft der Luftfahrt beschreibt, welches wäre das?
S: Das Wort, das ich hier gerne verwenden würde, wäre „grüner“.

J: Und nun noch eine abschließende Frage, haben Sie irgendwelche Gedanken dazu, wie sich Brexit auf die britische Luftfahrt auswirken könnte?
S: Ich bin mir nicht sicher. Ich hoffe, dass es die britische Luftfahrtindustrie nicht beeinträchtigen wird, da Großbritannien, obwohl es die EU verlässt, geografisch noch immer ein Teil von Europa ist. Europa und England brauchen einander und daher hoffe ich, dass unsere Zusammenarbeit anhalten wird.

Unser Interview mit dem Raumfahrtingenieur Simone Paternostro hat uns einige Schlüsselerkenntnisse über die Zukunft der Luftfahrt vermittelt. Eine grünere Zukunft könnte sich am Horizont abzeichnen, sollte das Blended-Wing-Body-Design zu treibstoffeffizienteren Flugzeugen und verringerten CO2-Emissionen führen. Eine andere Hauptentwicklung in diesem Bereich ist der Einsatz von Karbonfaserverbundmaterialien, wobei die NASA, Boeing und Airbus hier im Bereich neuer Luftfahrttechnologien und Flugzeugdesign führend sind. Andere Entwicklungen im Bereich der nachhaltigen Luftfahrt umfassen unter anderem die Forschung im Bereich elektrischer Maschinen und solarbetriebener Flugzeuge, wie z. B. die Solar Impulse. Raketentriebwerke und Suborbitalflüge werden von Reaction Engines als Teil des Skylon Projekts untersucht. Suborbitalflüge könnten internationale Flugzeiten drastisch verringern und es ermöglichen, in nur vier Stunden von London nach Sydney zu reisen, anstatt der gegenwärtigen 23 Stunden.