Das Triebwerk der nahen Zukunft
Getriebe sollen den Luftverkehr sparsam und leise machen

Hohe Kraftstoffpreise und die Diskussion um die Klimabilanz des Luftverkehrs lassen die Forschung nach so genannten Getriebefan-Triebwerken wieder aufleben. Ein Planetengetriebe soll helfen, deren Verbrauch um bis zu zwölf Prozent zu senken. Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln-Porz beteiligt sich an dieser Forschung.

Ein Klick genügt. Vorsichtig schiebt Eberhard Nicke am Bildschirm in der Kontrollwarte einen Regler nach oben. Durch eine schalldichte und gepanzerte Glasscheibe fällt sein Blick auf den Triebwerksprüfstand nebenan. Was hier durch seinen Mausklick langsam zu rotieren beginnt, soll schon bald dazu beitragen, den Antrieb von Verkehrsflugzeugen zu revolutionieren. Weil deren Anzahl weiter stark wächst, steht die Luftfahrt als Klimaschädling in der Kritik.

„Was den Kraftstoffverbrauch angeht, so ist das Potential der heutigen Triebwerke beinahe ausgereizt“, sagt Nicke kritisch. Als Ingenieur beim DLR in Köln-Porz beschäftigt er sich seit Jahren mit der Forschung nach sparsameren und leiseren Flugmotoren. Um deren Einfluss auf das Klima noch weiter zu senken, erforscht sein Team seit kurzem einen besonderen Antrieb, der „Getriebefan“ genannt wird. Eine beim DLR entwickelte Luftschraube, englisch Fan, soll in Verbindung mit einem Getriebe Verkehrsflugzeuge leiser und um bis zu zwölf Prozent sparsamer machen.

Die Triebwerke werden seit Jahrzehnten darauf ausgelegt, immer größere Anteile der angesaugten Luft an der eigentlichen Turbine rundherum vorbeizuführen. Je größer das Verhältnis dieses so genannten Nebenstroms im Vergleich zum Hauptstrom im Inneren ist, desto günstiger ist der Verbrauch. Heute verwendete Triebwerke haben ein Nebenstromverhältnis von vier zu eins bis etwa zehn zu eins. Das bedeutet, dass bis zu zehnmal soviel Luft um die Turbine herum geführt wird, als durch sie hindurch. Wer den Verbrauch stärker senken will, muss dieses Verhältnis weiter steigern, was mit konventionellen Mitteln aber kaum noch möglich ist. Denn wird es zu groß, entstehen gleich zwei Problemzonen.

Getriebe gegen den Sägezahnlärm

„Die beiden Komponenten, die für den Vortrieb durch das Triebwerk sorgen, könnten in ihren Anforderungen unterschiedlicher nicht sein“, erläutert Eberhard Nicke. Die Turbine arbeitet erst bei hohen Drehzahlen effizient und sparsam. Die große vordere Luftschraube muss sich idealerweise aber viel langsamer drehen. Das Problem ist daher die direkte Verbindung beider Komponenten über eine Welle. Um den Fan darüber entsprechend langsam anzutreiben, braucht die Turbine zusätzliche Stufen. Die verringern ihre Effizienz und steigern das Gewicht, was zu mehr Verbrauch führt. Eine schnellere Turbine würde umgekehrt aber auch den Fan schneller rotieren lassen. Das ist mit den verwendeten Materialien schwer möglich und führt teilweise zu Überschallgeschwindigkeit an den Schaufelblättern. Der so entstehende Sägezahnlärm raubt Flughafenanwohnern den letzten Nerv.

„An dieser Stelle kommt das Getriebe ins Spiel“, sagt Eberhard Nicke und zeigt auf einen Bauplan an der Wand der Kontrollwarte. „Damit werden Fan und Turbine voneinander entkoppelt.“ Die Turbine sorgt zwar weiterhin für den Antrieb der großen Luftschraube, aber das Getriebe verringert dessen Drehzahl um das Dreifache. Man spricht von einer Untersetzung von drei zu eins. Der Fan rotiert somit nur noch mit beispielsweise 3000 Umdrehungen in der Minute, während die kompakte Turbine bis zu 9000 Umdrehungen erreicht. Somit läuft sie schnell und sparsam und der Fan läuft langsam und leise. „Damit lassen sich auch Triebwerke mit Nebenstromverhältnissen von deutlich über zwölf zu eins in den idealen Drehzahlbereichen für Fan und Turbine betreiben“, schätzt Eberhard Nicke.

Kritiker bemängeln aber, dass das Mehrgewicht des Getriebes einen Großteil der erzielten Einsparungen wieder zunichte machen würde. Eberhard Nicke sieht darin kein Problem, denn schließlich könne durch den Einsatz eines Getriebes die schneller laufende Turbine wesentlich kompakter gestaltet werden. Eine derart verkleinerte Turbine verursacht erstens weniger Gewicht, womit das Mehrgewicht des Getriebes ausgeglichen werden kann. Zweitens lässt eine kleinere Turbine auch höhere Nebenströme zu, wo der Gesamtdurchmesser des Triebwerks nicht mehr vergrößert werden kann. Das kann beispielsweise beim Einbau im begrenzten Raum unter den Tragflächen eines Flugzeugs der Fall sein.

Flugtests noch in diesem Jahr

Genau dort werden schon bald die ersten Getriebefans für Testläufe auftauchen. Im Laufe des Jahres sollen die ersten Flüge mit einer Entwicklung des amerikanischen Herstellers Pratt & Whitney durchgeführt werden. Im vierten Quartal testet der Flugzeugbauer Airbus den Getriebefan an einer Langstreckenmaschine des Typs A340. Hier wird ein Testträger, eine Kombination aus einem Getriebefan und dem Antrieb des kleinsten Airbus A318, aber nur als eines von vier Triebwerken betrieben und getestet.

In Serie gehen soll der Getriebefan zuerst an einer neuen Generation von kleineren Regionaljets. Die für das Jahr 2013 erwartete CSeries des kanadischen Herstellers Bombardier und der Mitsubishi Regional Jet aus Japan werden voraussichtlich die ersten sein, die die neuen Triebwerke verwenden. Den kommerziellen Durchbruch erhoffen sich die Hersteller aber mit den Nachfolgern der bisher meistverkauften Modelle Boeing 737 und Airbus A320. Deren Ablösung wird ab der Mitte des kommenden Jahrzehnts erwartet. „Sollte dann noch keine bessere Technologie zur Verfügung stehen, kann nur ein Getriebefan die für diese Modelle anvisierten Einsparungen erreichen“, ist sich Eberhard Nicke sicher.

Sein Testträger auf dem Prüfstand wird sich dagegen nie in die Lüfte erheben. Dennoch liefert er wertvolle Erkenntnisse, die schon bald in die Entwicklung serienreifer Getriebefans einfließen könnten. Der beim DLR erprobte Fan ist bereits jetzt deutlich leiser als herkömmliche Modelle. Auch alle anderen Werte liegen voll im Plan. Doch für heute sind die Tests abgeschlossen. Mit einem weiteren Klick lässt Eberhard Nicke den Prüfstand wieder langsam ausrollen.

Text: Michael Lagemann

LUFT- UND RAUMFAHRT
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