Design eines Sensorsystems zur Detektion von Leckagen in wasserstoffbetriebenen Flugzeugen

Kurzfassung

Zur Reduzierung der Umweltauswirkungen des Luftfahrtsektors, werden derzeit verschiedene Technologien erforscht, unter anderem die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff. Eine große Herausforderung stellt dabei die hohe Entzündlichkeit von Wasserstoff dar, denn ein Wasserstoff-Luft-Gemisch ist zwischen 4 und 77 Volumenprozent Wasserstoff in Luft zündfähig. Diese Explosivität führt häufig zu Sicherheitsbedenken, insbesondere im Hinblick auf unkontrolliertes Austreten von Wasserstoff. Die sichere Integration von wasserstoffführenden Systemen in Flugzeugen erfordert daher die Entwicklung eines Sensorsystems zur Detektion von Wasserstoffleckagen. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung von Designkonzepten zur Detektion und Lokalisierung von Wasserstoffleckagen in Flugzeugumgebungen unter Anwendung des Design-Thinking-Prozesses. Es wurde ein Versuchsaufbau erstellt, der es ermöglicht, Sensoren an der Decke und im Raum zu platzieren und verschiedene Belüftungsbedingungen zu simulieren. Es wurden Versuche mit Prüfgas mit einem Wasserstoffgehalt von 1,6% durchgeführt. Die Auswertung von Versuchen mit einem Sensornetzwerk an der Decke ergab, dass die Wasserstoffkonzentration mit zunehmendem Abstand zur Leckage abnimmt und die Zeit, bis ein bestimmter Schwellwert erreicht wird, mit dem Abstand zunimmt. Prototypen für einen Trichteransatz und das Ansaugen von Luft wurden entwickelt und das Funktionsprinzip in Versuchen nachgewiesen. Dabei konnte durch die Anbringung eines Trichters an einen Wasserstoffsensor, sowohl an der Decke als auch im Raum, eine Verbesserung der Detektion ermöglicht werden, insbesondere im Falle einer Sensorplatzierung im Raum. Es wurde gezeigt, dass das Ansaugen von Luft aus dem Raum dazu führt, dass eine geringere Wasserstoffkonzentration gemessen wird, je größer der Volumenstrom der Ansaugung ist. Die Funktion des Prinzips eines Ansaugrauchmelders mit Wasserstoffsensoren konnte prototypisch im Labor nachgewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass durch gezielte Designansätze die Detektionsfähigkeit von Sensorsystemen zur Detektion von Wasserstoffleckagen in Flugzeugen deutlich gesteigert werden kann. Die Ergebnisse können als Ausgangspunkt für weiterführende Forschungen dienen, um innovative Ansätze zur Wasserstoffdetektion in Flugzeugumgebungen zu entwickeln.