18.04.2017 | Magazin:

Flying farther on less fuel Focus on research: "Energy System Transformation in Aviation"

(See german Version below)

With cheaper tickets and 700 new routes, airlines around the world carried a record high of 3.7 billion passengers in 2016. This figure is up 6.3% compared to 2015, according to the International Air Transport Association (IATA). And air transport is poised to increase even further. To help mitigate the environmental impact, the European Commission’s Flightpath 2050 has set ambitious goals for the industry: by the year 2050, fuel consumption and carbon dioxide emissions are to be reduced by 75% per passenger kilometre, as compared to 2000. Nitrogen oxide emissions are to decrease by 90%, and noise emissions by 65%.

Less weight, less resistance

Dr. Yaolong Liu, Institute of Aircraft Design and Lightweight Structures. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Dr. Yaolong Liu, Institute of Aircraft Design and Lightweight Structures. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

“Fuel consumption can be lowered by reducing – reducing weight with the help of lighter materials and construction methods, or reducing the drag on the fuselage and wings through improved aerodynamics”, says Dr. Yaolong Liu, who is conducting research on overall aircraft design at TU Braunschweig’s Institute of Aircraft Design and Lightweight Structures. He also participates in the Energy System Transformation in Aviation research project, namely as a member of the System Platforms working group, which concentrates on technical changes to aircraft.

Nils Beck, Research Assistant at the Institute of Fluid Mechanics. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Nils Beck, Research Assistant at the Institute of Fluid Mechanics. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Less resistance is one of the avenues the scientists are pursuing, and this puts the focus on laminar flow technologies. “Less than five percent of the surface of a passenger aircraft currently has properties that encourage laminar air flow. There is still a lot of potential here, despite the fact that research into boundary layers has been underway for more than 50 years, and experiments with wind tunnels and research aircraft have produced promising results”, says team member Nils Beck, Research Associate at TU Braunschweig‘s Institute for Fluid Mechanics.

Optimising surfaces

A flow is laminar when it is homogeneous, or layered, as opposed to a turbulent flow, whose swirls and eddies cause surface friction and energy loss. The more evenly air flows around an aircraft‘s wings and fuselage, the less resistance there is. Lower air resistance in turn means lower fuel consumption and exhaust emissions. As Beck puts it, “You get a laminar flow by optimising shapes and surfaces. Or – and this is our approach – by developing and mounting an active system that sucks away part of the flow, limiting aerodynamic instabilities and preventing laminar flows from becoming turbulent ones.” This Laminar Flow Control technology could save more than 30% in fuel.

“Particle Image Velocimetry” can be used for non-contact laser measurement of different types of airflow around aircraft. Credit: Sebastian Olschewski/TU Braunschweig

“Particle Image Velocimetry” can be used for non-contact laser measurement of different types of airflow around aircraft. Credit: Sebastian Olschewski/TU Braunschweig

“Until now, periods of high fuel prices have usually been followed by severe slumps in oil prices. Because of this, manufacturers lack the long-term motivation to bring laminar flow technologies to product maturity”, explains Beck. “But we are not going to wait for the price of oil to rise again; we are pursuing this topic now.” Because today’s developments will be the components of tomorrow’s aircraft. “In aviation, innovation cycles are much longer than in other sectors. Technologies are highly complex due to high safety requirements.”

Text: Nicole Geffert


Mehr fliegen mit weniger Treibstoff

Günstigere Tickets, 700 neue Routen: 2016 beförderten die Airlines weltweit 3,7 Milliarden Passagiere – ein neuer Rekord. Im Vergleich zu 2015 ist das ein Plus von 6,3 Prozent, so die Internationale Luftverkehrs-Vereinigung (IATA). Und der Luftverkehr wird weiter wachsen. Damit die Umwelt dabei nicht auf der Strecke bleibt, wurden der Branche mit dem Flightpath 2050 der Europäischen Kommission ambitionierte Ziele gesetzt: Bis 2050 sollen der Kraftstoffverbrauch und der Kohlendioxidausstoß um 75 Prozent pro Passagierkilometer reduziert werden – im Vergleich zum Jahr 2000. Der Stickoxidausstoß soll um 90 Prozent sinken, der Lärm um 65 Prozent.

Weniger Gewicht, weniger Widerstand

„Der Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs lässt sich verringern, indem man reduziert – zum Beispiel das Gewicht mittels leichterer Werkstoffe und Bauweisen oder den Widerstand an Rumpf und Flügeln mittels einer verbesserten Aerodynamik“, sagt Dr. Yaolong Liu, der am Institut für Flugzeugbau und Leichtbau der TU Braunschweig am Gesamtentwurf von Flugzeugen forscht. Liu gehört zum Team „Systemplattformen“ im Forschungsprojekt „Energiewende in der Luftfahrt“, das sich auf die technischen Veränderungen am Flugzeug konzentriert.

Weniger Widerstand ist ein Ziel der Wissenschaftler, und damit rückt die Laminartechnologie in ihren Fokus. „Weniger als fünf Prozent der Oberfläche eines Passagierflugzeugs ist derzeit laminar. Hier steckt noch viel Potenzial, auch wenn es die Grenzschichtforschung bereits seit über 50 Jahren gibt und Versuche im Windkanal oder mit Forschungsflugzeugen bereits vielversprechende Ergebnisse geliefert haben“, sagt Teammitglied Nils Beck, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strömungsmechanik der TU Braunschweig.

Optimierung an den Oberflächen

Laminar ist eine Strömung, wenn sie gleichmäßig ist – im Gegensatz zur turbulenten Strömung, deren Verwirbelungen Oberflächenreibung verursachen und Energie kosten. Je gleichmäßiger die Luft Flügel und Rumpf umströmt, desto geringer ist der Widerstand. Ein geringer Luftwiderstand wiederum reduziert Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen. Beck: „Eine laminare Strömung erhält man, indem man Form und Oberflächen optimiert. Oder – und das ist unser Ansatz – indem man ein aktives System entwickelt und einbaut. Es saugt einen Teil der Strömung ab, dämpft so aerodynamische Instabilitäten und verhindert, dass eine laminare Strömung turbulent wird.“ Mehr als 30 Prozent Treibstoff ließen sich mit dieser Laminar Flow Control-Technologie einsparen.

„Bisher folgten auf Phasen hoher Treibstoffpreise immer wieder starke Einbrüche beim Ölpreis. Hierdurch fehlte den Herstellern die langfristige Motivation, Laminartechnologien zur Serienreife weiterzuentwickeln“, sagt Beck. „Wir aber warten nicht darauf, bis der Ölpreis wieder steigt, sondern setzen jetzt auf das Thema.“ Denn die Entwicklungen von heute stecken in den Flugzeugen von morgen. „Innovationszyklen in der Luftfahrt dauern länger als in anderen Branchen, weil die Technologien auch wegen der hohen Sicherheitsanforderungen komplex sind.“

Text: Nicole Geffert