Experimentelle Untersuchung poröser Materialien für den Einsatz in Luftfahrtwärmetauschern

Kurzfassung

Laut der Key World Energy Statistics 2021 der Internationalen Energieagentur lag der Anteil des Luftfahrtsektors am weltweit verbrauchten Erdöl im Jahr 2019 bei 8,6 % (IEA, 2021, S. 39). Der weltweite Luftfahrtanteil an jährlich ausgestoßenem CO2 wird auf 2 % bis 3 % geschätzt (Owen et al., 2010, S. 2255–2260). Dieser Anteil ist gering. Allerdings wuchs die Luftfahrt in der Vergangenheit stetig und die Prognose für die Zukunft bis 2050 geht ebenfalls von einem Zuwachs des Luftverkehrs aus. Eine kurzfristige Ausnahme von dieser Entwicklung bildeten die reduzierten Flugbewegungen zur Zeit der Coronapandemie Anfang der 2020er Jahre. Bei gleichbleibendem Technologielevel würden dementsprechend der Verbrauch von fossilen Energieträgern und der Ausstoß von Schadstoffen mitwachsen. Dem gegenüber stehen eine begrenzte Verfügbarkeit an fossilen Brennstoffen und die Notwendigkeit den CO2-Ausstoß zu reduzieren, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Dabei ist der CO2 Ausstoß nicht die einzige Kenngröße, die den Klimaeinfluss der Luftfahrt beschreibt. Andere Emissionen wie Stickoxide, Wasserdampf und Abgaspartikel vergrößern diesen Einfluss (Siemons et al., 2021, S. 5). In Hinblick auf die Entwicklungsprognose ist es sinnvoll neue Technologien zu entwickeln, um den Verbrauch von fossilen Energieträgern in der Luftfahrt zu reduzieren (Schumann et al., 2007, S. 6). Die Europäische Kommission hat zum Erreichen dieses Ziels und zur Reduktion weiterer Emissionen eine Forschungs- und Innovationsstrategie herausgegeben. In diesem sogenannten Flightpath 2050 Konzept sind die Ziele festgehalten die CO2-Emissionen pro Passagierkilometer um 75 %, die Stickstoffemissionen um 90 % und die Lärmemissionen von Flugzeugen um 65 % zu reduzieren. Diese Reduktionen beziehen sich auf die ermittelten Emissionen des Jahres 2000 und sollen bis 2050 umgesetzt sein (European Commission, 2011, S. 17). Die Verbesserung oder Neuentwicklung einer einzigen Technologie wird nicht ausreichen um die gesteckten Ziele zu erreichen. Deshalb werden verschiedene Forschungsansätze verfolgt, die die gesamte Luftfahrt betreffen. Beispiele dafür sind die Suche nach neuen Kraftstoffarten, Flug- und Antriebskonzepten und die weitere Optimierung der Flugführung. Im Bereich neuartiger Antriebskonzepte bzw. Kraftstoffe besteht die Idee zukünftige Flugzeuge mit Wasserstoff zu betreiben. Dieser Wasserstoff soll über eine Brennstoffzelle die elektrische Energie für Elektromotoren mit angeschlossenen Propellern bereitstellen. Wenn dieser Wasserstoff mit erneuerbaren Energien erzeugt würde, hätte man einen Antrieb, der zum Erreichen der Ziele des Flightpath 2050 beiträgt. Die Komponenten eines solchen Antriebs erzeugen Abwärme. Diese Abwärme senkt den Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten und damit den Wirkungsgrad des gesamten Antriebs, wenn die Abwärme nicht genutzt wird. Um den Antrieb zu optimieren, wird ein Thermalmanagementsystem als Subsystem im Antrieb integriert. In diesem Subsystem bilden Wärmetauscher einen essenziellen Bestandteil, für die der Einsatz von porösen Metallen diskutiert wird. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll ein Konzept zur Untersuchung des Wärmedurchgangs in porösen Metallen entworfen und analysiert werden. Dazu werden die Anforderungen und technischen Lösungen für Wärmetauscher, für Wärmemessungen und für poröse Metalle dargestellt.