Luftfahrt

Warum werden moderne Flugzeuge aus Kohlefaser hergestellt?

Selbst bei tonnenschweren Flugzeugen kommt es auf jedes Kilo an. Pro 1000 Gramm fallen für eine Airline jährlich bis zu 300 Dollar Spritkosten an. Leichte Verbundwerkstoffe sind die Lösung, haben aber einen Haken.
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Airbus A350XWB: 53 Prozent der Flugzeugbauteile werden aus leichten Verbundwerkstoffen hergestellt. Quelle: dpa

Airbus A350XWB: 53 Prozent der Flugzeugbauteile werden aus leichten Verbundwerkstoffen hergestellt.

(Foto: dpa)

Ähnlich wie bei Autos hat auch bei Flugzeugen ein niedriger Spritverbrauch heute höchste Priorität. Leichtbauverfahren gewinnen daher an Bedeutung. Liegt beim großen Airbus A380, der seit einigen Jahren im Einsatz ist, der Anteil an leichten Verbundwerkstoffen noch bei 28 Prozent, sind es bei der A350 XWB bereits 53 Prozent. Dabei sind die 32 Meter langen und sechs Meter breiten Tragflächen des vor einem Jahr zum Jungfernflug gestarteten Passagierjets die größten jemals aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellten Flugzeugteile.

Und obwohl die Herstellungs- und Verarbeitungskosten der Verbundmaterialien weit über denen klassischer Metallbauteile liegen, schreitet ihr Einsatz im Flugzeugbau unaufhaltsam voran. Denn langfristig überwiegt der Kostenvorteil des Betriebs solcher Flugzeuge, die dank ihres geringeren Gewichts deutlich weniger Kraftstoff.

So beziffert Airbus den Gewichtsvorteil der A350 gegenüber ihrem Vorgängermodell A330 mit zehn Tonnen. Im Flugzeugbau sind das Welten. Denn schon ein Kilogramm zusätzliches Gewicht an Bord einer Langstreckenmaschine kostet die Airlines bis zu 300 Dollar Sprit pro Jahr, rechnet Airbus-Verkaufschef John Leahy vor. Die hohen Anschaffungskosten der Kohlefaserflugzeuge sollen sich also über den Betrieb der Maschinen rechnen. Das kommt bei den Airlines gut an: Die A350 wurde vor ihrer geplanten Erstauslieferung Ende des Jahres 750 Mal verkauft. Der Konkurrent Boeing 787 Dreamliner, der seit 2011 auf dem Markt ist, wurde schon über 1000 Mal verkauft.

So wird Fliegen effizienter und schneller
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In Zeiten, in denen der internationale Verkehr in der Luft immer weiter zunimmt, stehen Themen wie Effizienz und Umweltverträglichkeit immer stärker im Mittelpunkt. Und das nicht nur für die Luftfahrtindustrie, sondern auch für ihre Fluggäste.

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Um ihre Wettbewerbsfähigkeit aufrechtzuerhalten brauchen Fluggesellschaften in erster Linie die richtigen Maschinen. Der Trick: „Intelligente“ Triebwerke. Sie können die eigene Leistung überwachen und erkennen frühzeitig mögliche Fehler und daraus resultierenden Wartungsbedarf.

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Mithilfe solcher Triebwerke können die Maschinen effizienter und weiter fliegen. Zudem wird weniger Zeit für Wartungszwecke benötigt. Ihre Daten übermitteln sie durch Sensoren an einen Rechner, der diese mit Bestandsdaten abgleicht und weiterleitet.

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Ein besonders sensibles Thema: Verspätungen. Sie sind nicht nur ärgerlich, sondern sie kosten auch Geld. Durch verpasste Anschlüsse und abgesagte Termine entsteht Passagieren ein hoher finanzieller Schaden. Ebenso den Fluggesellschaften: Sie müssen mit Mehrkosten für die Besatzung, den Treibstoff und die Wartung rechnen – von den höheren Umweltbelastungen ganz zu schweigen.

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Neue Technologien wirken dem entgegen. Bisher nutzen die meisten Flughäfen üblicherweise noch ein Navigationssystem, das bodengestützt arbeitet. Erhebliches Potenzial bietet dagegen eine satellitengestütztes System, dass sich den optimalen Landeanflug aussucht. Dadurch werden nicht nur Flugverspätungen, sondern auch Treibstoffverbrauch und CO-2-Emission reduziert.

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Laute Einflugschneisen sind vor allem bei Anwohnern ein heikles Thema. Neben verbesserten Technologien und modernen Materialien hilft auch hier das satellitengestützte Navigationssystem weiter: Es reduziert durch den optimierten Landeanflug auch den entstehenden Lärm.

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In modernen  Triebwerken, wie dem Modell GEnx von GE, wird für die Niederdruckturbinenschaufeln Titan-Aluminid verwendet, welches wesentlich leichter ist als bisher verwendete Metalllegierungen. In Folge der Gewichtsersparnis erzielt ein GEnx-Triebwerk einen geringeren Treibstoffverbrauch und damit verbunden geringere CO2-Emissionen. Außerdem sind die Geräuschemissionen bei diesem Triebwerktyp um bis zu 30% verringert.

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Dabei stellen die Kohlefaserverbundwerkstoffe die Hersteller vor große Herausforderungen. Das Material besteht aus haardünnen Lagen von Kohlenstofffasern, die in eine Kunstharzmatrix eingebettet sind. Es resultiert ein Material von hoher Festigkeit und geringem Gewicht, das jedoch mechanisch extrem schwierig zu bearbeiten ist.

Und bereits die Herstellung des Ausgangsmaterials ist aufwendig. So werden etwa für die Rumpfaußenhaut millimeterdünne CFK-Bänder in einem tagelangen Prozess aufeinandergeschichtet und anschließend unter Druck und Hitze zusammengebacken. Boeing musste für diesen Prozess viel Lehrgeld zahlen: Der Dreamliner kam drei Jahre später als geplant auf den Markt und kostete Boeing mindestens zehn Milliarden Dollar mehr als geplant.

Doch die größte Herausforderung für die Flugzeugbauer liegt in der Verarbeitung des CFK. Wegen der extremen Härte des Materials müssen sie besonders hochwertige und damit teure Bohr- und Schneidgeräte einsetzen. In das Rumpfteil einer A350 XWB müssen rund 32.000 Löcher für Nieten und Strukturbauteile gebohrt sowie Ausschnitte für Fenster, Türen, Tore und Außenanschlüsse geschnitten werden. Und wegen des hohen Abriebs beim Bohren halten selbst moderne Werkzeuge mit diamantähnlichen Beschichtungen nur halb so lange wie Werkzeuge in der Metallbearbeitung. Ein luftfahrttaugliches Loch in CFK kostet laut Airbus 50 Cent, eine ähnliche Bohrung in Metall dagegen nur fünf Cent.

Die Erfahrungen mit der Verarbeitung der neuen Werkstoffe interessieren auch die Autoindustrie. BMW hat sich die Verarbeitung von Kohlefaser bei Boeing angeschaut. Mit dem Elektroauto „i3“ haben die Münchener im vergangenen Jahr zum ersten Mal ein Auto mit Kohlefaserkarosserie auf den Markt gebracht. Ihr Ziel: Nach und nach sollen immer mehr Kohlefaserteile in alle BMW-Modelle eingebaut werden.

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