Sparsamer fliegen mit neuem System

Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) forschen inter­disziplinäre Teams an den größten wissen­schaftlichen Heraus­forderungen unserer Zeit.

Daniel Bender bei seiner Arbeit
Daniel Bender © DLR Alexandra Beier

Ihre Ergebnisse haben Einfluss darauf, wie wir künftig unser Sonnen­system entdecken, Energie gewinnen oder Entfernungen über­winden. Viele Projekte haben zum Ziel, nach­haltige Technologien zur Anwendungs­reife zu bringen. Als Flug­gast in der klimatisierten Passagier­kabine sieht man von der Technik eines Mittel­strecken­flug­zeugs kaum mehr als eine trieb­werk­bestückte Trag­fläche. Über­wachungs- und Navigations­instrumente bleiben ebenso verborgen wie alle anderen flug­zeug­technischen Ein­richtungen. Wie es hinter den Kulissen aussieht, weiß Daniel Bender. Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) arbeitet er daran, das Lebens­erhaltungs­system an Bord zu verbessern.

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Das Potenzial ist groß: Im Flug wird für die Klima­anlage nach dem Vor­trieb am meisten Energie auf­ge­bracht. Etwa zwei bis drei Prozent des Treib­stoffs ent­fallen darauf. Der­zeit werden Avionik­systeme und Leistungs­elektronik mit Luft gekühlt. „Weil im Flug­zeug immer mehr elektronische Systeme ein­gesetzt werden und dadurch zusätzliche Ab­wärme ent­steht, stößt die Luft­kühlung aber an ihre Grenzen“, erklärt Daniel Bender. Der 29-Jährige hat an der Universität Stuttgart Luft- und Raum­fahrt­technik studiert. Nach seinem Diplom fing er im DLR-Institut für System­dynamik und Regelungs­technik in Ober­pfaffen­hofen an. Dort arbeitet er seit zwei Jahren am EU-Projekt TOICA.

Flugzeug­kühlung auf Wasser­basis

TOICA steht für „Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft“ und vereint die Expertise von multi­diszipli­nären Forschungs- und Entwicklungs­teams aus acht EU-Staaten in einem Konsortium von 32 Partnern. Koordiniert von Hersteller Air­bus unter­suchen sie, wie sich die Thermal­leistung von Luft­fahr­zeugen in einer frühen Entwurfs­phase optimieren lässt. Daniel Bender modelliert für TOICA innovative Flüssig­kühl­systeme aus Glykol-Wasser­gemischen. Solche Systeme sind effizienter und leistungs­stärker als die Kühlung mit Luft. Der Ingenieur entwickelt dafür Modell­werk­zeuge und vergleicht verschiedene Systeme mit dem Ziel, den Energie- und Treib­stoff­verbrauch von Verkehrs­flug­zeugen zu senken. Parallel dazu baut er bestehende Simulations­werkzeuge für den Flug­zeug­entwurf aus. Neu­artige Architekturen entwirft er zusammen mit dem Airbus-Team in der Programmier­sprache Modelica.

Daniel Bender beid er Arbeit an der Flugzeugturbine
Daniel Bender © DLR Alexandra Beier

Wie Daniel Bender forschen im DLR viele Wissen­schaftler in den Bereichen Luft- und Raum­fahrt, Energie, Verkehr und Sicher­heit an komplexen Frage­stellungen, auf die sie nur in fach­über­greifenden Teams eine Antwort finden können. Ein­steiger arbeiten in den 33 Instituten und Einrichtungen des Forschungs­zentrums eng mit renommierten Kolleginnen und Kollegen zusammen. Neben ver­antwortungs­­vollen Aufgaben und großen Gestaltungs­frei­räumen bietet das DLR seinen Mitarbeitern individuelle Förderung und ein breites Weiter­bildungs­angebot. Mit dem DLR_Graduate_Program hat das Forschungs­zentrum ein vielseitiges Qualifizierungs­programm für Promovierende ein­gerichtet.

Promovieren

Weitere Informationen zum DLR_Graduate_Program finden Sie hier

Etwa 1.000 Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftler forschen der­zeit im DLR für ihre Doktor­arbeit. Aus einem breiten Angebot können sie genau die Trainings auswählen, die ihr persönliches Profil sinnvoll ergänzen. Am DLR_Graduate_Program nimmt auch Daniel Bender teil. Er hat aus den ersten Seminaren nicht nur fachliche Infor­mationen mit­genommen: „Der Austausch mit Kolleginnen und Kollegen, die an ganz anderen Frage­stellungen forschen und beim Promovieren doch vor denselben Heraus­forderungen stehen, ist sehr wert­voll für mich.“

Hervorragende Infra­struktur zur Validierung

Auch die technischen Voraus­setzungen an den bundes­weit 16 Stand­orten des DLR sind sehr gut. Zur Infra­struktur gehören unter anderem Raketen­prüf­stände, Wind­kanäle, Fahr­simulatoren, Spezial­labore und die größte Forschungs­flug­zeug­flotte Europas. Das Forschungs­zentrum ist mit Partnern im In- und Aus­land eng ver­netzt. Begabten Nach­wuchs­wissen­schaftlern eröffnet das die Möglichkeit, ihre Projekte regel­mäßig in der inter­nationalen Forschungs­gemeinde vor­zu­stellen und früh­zeitig wichtige Kontakte zu knüpfen. Daniel Bender hat seine Ergebnisse zum Beispiel im Rahmen einer inter­nationalen Konferenz auf der griechischen Insel Nisyros präsentiert und dabei wert­volles Feed­back und Anregungen für seine Forschung bekommen. Die Klimatisierung im Flug­zeug ist ein hoch­komplexes, inte­griertes System von mehreren Fluid­kreis­läufen. Bei konventionellen Lebens­erhaltungs­systemen wird die Frisch­luft für Cockpit und Kabine aus der Außen­luft über die Trieb­werke gezapft, wo sie eine Temperatur von etwa 220 ºC und einen Druck von rund 2,5 bar hat. Sie wird auf­bereitet, um lebens­not­wendige Bedingungen zu schaffen. Zudem erfordern alle elektronischen Systeme an Bord aus­reichende Kühlung. Anhand exergetischer Analyse­methoden untersucht Daniel Bender, wo im Lebens­erhaltungs­system die Verluste und somit das Ein­spar­potenzial für das Klima­system am größten sind. Schon 2020 soll ein operationell verbessertes Mittel­strecken­flug­zeug auf Grund­lage der TOICA-Ergebnisse in Betrieb gehen, 2030 hebt voraussichtlich der erste Airbus mit umfassenden technologischen Neuerungen ab.

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