Seit Beginn des zivilen Jetzeitalters ab den 1960ern hat sich viel getan. Um rund 80 Prozent konnte der CO2-Ausstoß von Strahltriebwerken bis heute reduziert werden. Klimaschutz war nicht das oberste Ziel, doch die Umwelt profitiert davon, dass Airlines ihre Treibstoffkosten niedrig halten wollen. Denn die CO2-Emissionen hängen direkt vom Spritverbrauch ab: Pro Tonne Kerosin werden 3,16 Tonnen des Treibhausgases ausgestoßen. Sparsame Gasturbinen sind auch in Zukunft gefragt, wenn die zwar umweltfreundlicheren, aber teuren nachhaltigen Flugkraftstoffe (SAF) oder irgendwann sogar Wasserstoff genutzt werden sollen. So versuchen Ingenieure auf der ganzen Welt, Turbofans und Turboprops noch mehr Wirkungsgrad zu entlocken: durch eine höhere Vortriebseffizienz und einen größeren thermischen Wirkungsgrad. Bis zu zehn Prozent Treibstoffeinsparungen sind im Vergleich zu heutigen Triebwerken bis Ende des Jahrzehnts noch drin, glauben Experten. Für die nächste Antriebsgeneration ab Mitte der 2030er-Jahre könnten es sogar 20 Prozent sein.
Unter Hochdruck
Die thermische Effizienz lässt sich unter anderem durch ein höheres Gesamtdruckverhältnis (Verhältnis des Drucks vor der Brennkammer zur Umgebung) steigern. Allerdings nehmen mit dem Druck auch die Temperaturen zu, woraus sich Verluste im Verdichter ergeben. Zudem steigt bei höheren Temperaturen im Kerntriebwerk der NOx-Ausstoß. Stickoxide führen in Reiseflughöhe zum Aufbau von Ozon, das den Treibhauseffekt verstärkt.
Heutige Triebwerke wie das GE9X (Boeing 777X) erreichen Gesamtdruckverhältnisse von bis zu 60:1. In Zukunft werden Rekordwerte von 70:1 und mehr angestrebt. Dafür nötig sind unter anderem verbesserte Lauf- und verstellbare Leitschaufeln sowie Dichtungssysteme im Verdichter, um die Spaltverluste möglichst gering zu halten, Einspritztechnologien für Magerverbrennung, hitzeresistente Werkstoffe für Brennkammer und Turbine, aerodynamisch optimierte Turbinenschaufeln und neue Kühltechnologien wie beispielsweise ein Zwischenkühler zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter.
Auch durch die Nutzung der Wärmeenergie des Abgases ließe sich der thermische Wirkungsgrad steigern. Ein entsprechendes Konzept ist der Water-Enhanced Turbofan (WET), den MTU Aero Engines erforscht. Das im Abgas enthaltene Wasser wird mittels eines Wärmetauschers auskondensiert, in Dampf umgewandelt, in eine Dampfturbine an der Niederdruckwelle geführt und anschließend in die Brennkammer eingespritzt. Ein Triebwerk mit WET-Technologie würde um bis zu 10 Prozent weniger Treibstoff als eine Gasturbine der nächsten Generation verbrauchen, 80 Prozent weniger Stickoxid ausstoßen und deutlich weniger zu Kondensstreifenbildung neigen. Das Konzept steckt aber noch in den Kinderschuhen, MTU will die Technologie bis 2035 entwickeln. Gemeinsam mit Pratt & Whitney und weiteren Partnern arbeiten die Münchner am von der EU geförderten SWITCH-Projekt. Dabei soll der Getriebefan, der unter anderem die A320neo antreibt, um eine Wasserdampfeinspritzung sowie hybrid-elektrische Komponenten weiterentwickelt werden.
Um das Gesamtdruckverhältnis weiter zu steigern, werden auch unkonventionelle Ideen wieder untersucht, beispielsweise die "Pulse Detonation Engine" (PDE), auf Deutsch Pulsstrahltriebwerk. Das Konzept ist nicht neu, bereits im Zweiten Weltkrieg kamen solche Antriebe im Fieseler Fi 103 (V1) zum Einsatz. Allerdings konzentriert sich die aktuelle Forschung auf einen intensiveren Verbrennungsvorgang in Form einer Detonation. Dabei wird die Brennkammer periodisch mit dem Treibstoff-Luft-Gemisch gefüllt und eine Überschallverbrennung ausgelöst. Eine Schockwelle komprimiert das Gemisch, gefolgt von einer schnellen Wärmeabgabe und einem plötzlichen Druckanstieg. Die Schockwelle breitet sich durch die Brennkammer aus und sorgt auch dafür, dass die Abgase ausgestoßen werden. Eine PDE kommt ohne rotierende Teile aus und besteht im Wesentlichen aus einer am Ende offenen Röhre mit Ventilen zur Einbringung des Treibstoff-Luft-Gemisches. Im Gegensatz zu Ram- und Scramjet liefert eine PDE auch bei null Geschwindigkeit Schub. Um bis zu 20 Prozent weniger Treibstoff könnte eine PDE im Vergleich zu einer konventionellen Gasturbine verbrauchen. Doch noch bedarf es viel Forschung, beispielsweise zur Initiierung der Detonation und zu Kühltechnologien.
Auch die Integration von Kolbenmaschinen ins Kerntriebwerk eines Turbofans könnte die Effizienz steigern. Die Ergänzung des Hochdruckverdichtersystem durch einen Kolbenverdichter und -motor würde theoretisch Gesamtdruckverhältnisse von mehr als 300:1 ermöglichen. Allerdings würde ein solcher Antrieb deutlich komplexer und schwerer werden. Bauhaus Luftfahrt und MTU haben das Konzept namens "Composite Cycle Engine" jahrelang untersucht, MTU verfolgt es allerdings nicht weiter.
Je größer, desto besser?
Neben dem thermischen Wirkungsgrad optimieren Ingenieure die Vortriebseffizienz von Turbofans, unter anderem durch ein größeres Nebenstromverhältnis (Luftmassenstrom, der am Kerntriebwerk vorbeigeführt wird, zu Luftmassenstrom, der die Brennkammer passiert). Moderne Turbofans wie der Getriebefan von Pratt & Whitney erreichen Nebenstromverhältnisse von bis zu 12:1. Für die Zukunft werden Werte bis 20:1 angepeilt. Ein höheres Nebenstromverhältnis lässt sich unter anderem durch eine Vergrößerung des Bläserdurchmessers erreichen.
Für größere Bläser und Triebwerksgondeln sind aus Gewichtsgründen leichtere Materialien, z. B. Kohlefaserverbundwerkstoffe, nötig. Damit die Schaufelspitzen nicht Überschallgeschwindigkeit erreichen und dadurch unerwünschte Effekte auftreten, setzen immer mehr Hersteller auf ein Reduktionsgetriebe zwischen Niederdruckturbine und Bläser. Es ermöglicht beiden Komponenten den Betrieb in ihrer jeweils optimalen Drehzahl. Pratt & Whitney hat die Technologie kommerziell erfolgreich bei der PW1000-Familie (u. a. Airbus A320neo) eingeführt. Rolls-Royce entwickelte für das Widebody-Testtriebwerk UltraFan ein noch leistungsstärkeres Getriebe und auch CFM International arbeitet an einem Getriebe für seinen Open Fan.
Offene Bauweise
Eine Triebwerksarchitektur wie der Open Fan mit einem nicht ummantelten Bläser treibt das Nebenstromverhältnis mit Werten von rund 30:1 auf die Spitze. Gleichzeitig ermöglicht sie, anders als Propellerturbinen, Fluggeschwindigkeiten, die an herkömmliche Turbofans heranreichen. CFM spricht beim Open Fan von einer maximalen Reisegeschwindigkeit von Mach 0.8, ähnlich wie beim LEAP-Triebwerk (u. a. A320neo). Der Bläserdurchmesser ist mit 3,6 bis 4 Metern etwa doppelt so groß. Der Open Fan soll 20 Prozent sparsamer sein als das LEAP. Skeptiker sehen bei Open-Rotor-Konzepten allerdings ein Problem mit dem Lärm. Der Geräuschpegel innerhalb und außerhalb der Kabine wird deshalb einer der Punkte sein, die CFM und Airbus bei Flugtests des Open Fan an einer A380 in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts unter die Lupe nehmen. Wenn es ein passendes neues Narrowbody-Programm dafür gäbe, könnte der Open Fan um 2035 in Dienst gehen.
Weitere Effizienzgewinne könnte die Hybrid-Elektrifizierung von Gasturbinen bringen. Denkbar sind verschiedene Architekturen, die zum Beispiel kleinere und leichtere Gasturbinen, verteilte elektrische Antriebe und neuartige Konzepte wie einen ins Flugzeugheck integrierten, elektrisch angetriebenen Rumpf-Bläser mit Grenzschichtabsaugung ermöglichen. Sämtliche Triebwerkshersteller arbeiten an hybrid-elektrischen Demonstratoren, die vor allem für Regional- und Kurzstreckenflugzeuge interessant sind. Doch noch sind viele Fragen ungeklärt: Inwieweit lassen sich die Gewichtsnachteile kompensieren? Wie können die bei einem elektrischen Antrieb zwangsläufig entstehenden großen Wärmemengen abgeführt werden? Welche Herausforderungen bringen die hohen Spannungen von bis zu 3000 Volt an Bord mit sich? Und wie viel Treibstoff könnten hybrid-elektrische Antriebe tatsächlich gegenüber konventionellen Gasturbinen einsparen? Schätzungen variieren, je nach Flugzeugtyp und Mission, zwischen einem und 30 Prozent.
Rein batterieelektrische Antriebe sind für große Verkehrsflugzeuge wegen der auf absehbare Zeit zu niedrigen Energiedichte keine Option. Für künftige Regional- und Kurzstreckenflugzeuge interessant sind aber Wasserstoff-elektrische Antriebe. Dabei wird der nötige Strom von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt. Der Vorteil: Außer Wasser entstehen keine Emissionen. Zudem haben Brennstoffzellen einen hohen Wirkungsgrad von rund 50 Prozent.
Wasserstoff als Treibstoff
Mit Brennstoffzellen-Antrieben beschäftigen sich neben etablierten Triebwerksherstellern wie MTU Aero Engines auch einige Neulinge, z. B. H2FLY aus Deutschland, das britisch-amerikanische Unternehmen ZeroAvia und das US-Start-up Universal Hydrogen. H2FLY und ZeroAvia erproben ihre Antriebsstränge bereits an kleineren Flugzeugen.
Für den Einsatz von Brennstoffzellen in größeren Flugzeugen müssen aber noch einige Hürden überwunden werden: Leistung, Gewicht und Größe der bisher vor allem aus dem Automobilbereich stammenden Brennstoffzellen müssen für die Luftfahrt optimiert und geeignete Wärmemanagement-Systeme entwickelt werden.
Zudem erfordert die Speicherung von (vorzugsweise flüssigem) Wasserstoff im Flugzeug spezielle Tanks und Treibstoffversorgungssysteme. Das betrifft nicht nur Brennstoffzellenantriebe, sondern auch für die Direktverbrennung von Wasserstoff optimierte Gasturbinen. Hier müssen zudem die Brennkammer und die Turbine für die heißeren Temperaturen, bei denen Wasserstoff verbrennt, angepasst werden. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht zwar kein CO2, dafür aber Stickoxide und dreimal mehr Wasserdampf als bei der Verbrennung von Kerosin. Den NOx-Emissionen lässt sich mit Magerverbrennung und/oder Wasserdampfeinspritzung entgegenwirken. Inwieweit der verstärkte Ausstoß von Wasserdampf in der oberen Atmosphäre und die dadurch verursachten Kondensstreifen sich auf das Klima auswirken, muss die weitere Forschung zeigen. Komplett emissionsfrei werden wir aber auch in Zukunft nicht fliegen.
