Die Flugzeugindustrie steht unter zunehmendem Druck, ihre Umweltbelastung zu reduzieren. Angesichts der Pläne der EU, die Flugzeugemissionen drastisch zu begrenzen, bleibt der Industrie nichts anderes übrig, als die Flugzeuge schadstoffärmer zu machen

Nach Angaben der IATA(International Air Transport Association) steht der Flugverkehr für zwei Prozent des weltweiten Kohlendioxidausstoßes und leistet somit nur einen kleinen Beitrag zum Problem des Klimawandels.

Das langfristige Ziel eines kohlendioxidfreien Flugzeugs dürfte innerhalb von 50 Jahren erreichbar sein. Die Branche muss sich jedoch mit aktuelleren Herausforderungen auseinandersetzen.

„Alle Prognosen sagen der Flugzeugindustrie für die nächsten fünf Jahre ein jährliches Wachstum von fünf bis sechs Prozent voraus. Der Druck kommt also hauptsächlich aus dieser Richtung“, erklärt IATA-Direktor, Jürgen Haacker, der für den technischen Bereich des Verbands zuständig ist. „Es ist gut, dass die Branche wächst und die Menschen mehr Möglichkeiten haben zu reisen, aber die Flugzeugindustrie ist dadurch gezwungen, mehr zu tun als in der Vergangenheit.“

Verbesserungen bei Flugbetrieb und Flugplänen sind zwar auch ein Weg, um die Effizienz zu steigern, aber der entscheidende Faktor ist die Flugzeugtechnik. „Wir fordern die Hersteller auf, die Effizienz ihrer Flugzeuge noch weiter zu erhöhen“, meint Haacker. „Die Hersteller sagen uns, sie könnten bis 2015 oder 2020 die Effizienz eines Flugzeugs um 20 bis 25 Prozent erhöhen, wenn – wie es zu erwarten ist – die derzeitigen Kurzstreckenflüge wegfallen.“

Um diese Bemühungen zu unterstützen, hat SKF die Entwicklung von energieeffizienten Flugzeuglösungen zu einem zentralen Element ihrer Strategie in dieser Sparte gemacht.

SKF Aerospace setzt sich intensiv für die Entwicklung von umweltschonenden Lösungen für verschiedene Bereiche ein. Schwerpunkte sind Triebwerkslager, Steuerstangen aus Verbundwerkstoffen, Lager für Fahrwerk, Querruder, Höhenruder und Spoiler sowie elektromechanische Flugsteuersysteme. Wenn diese SKF Lösungen in allen neuen Lang- und Kurzstreckenflugzeugen zum Einsatz kämen, ließen sich pro Jahr schätzungsweise 200 Millionen Liter Treibstoff einsparen. Diese Menge entspricht einem Kohlendioxidausstoß von jährlich 600.000 Tonnen.

„Alle unsere großen Kunden sprechen inzwischen über Umwelt und arbeiten an grüneren Triebwerkslösungen für die Zukunft“, sagt Frédéric Ponchon, Leiter der Motor- und Getriebesparte bei SKF Aerospace, dem weltweit führenden Anbieter von Lagern für Flugzeugmotoren. „In jeder Ausschreibung und in jeder Spezifikation ist eine Klausel zum Thema Umweltverträglichkeit. ‚Grün’ ist zum Verkaufsargument geworden. Wir erwähnen in jedem neuen Angebot, das wir unterbreiten, dass SKF ein Nachhaltigkeitskonzept hat, dessen ausdrückliches Ziel die Herstellung von ‚grüneren’ Komponenten ist.“

„Das Umweltargument ist erst seit Kurzem aktuell, basiert jedoch auf einer umfassenden Strategie, an der wir bei SKF Aerospace seit Jahrzehnten arbeiten, um das Gewicht zu reduzieren“, erklärt der Marketingleiter von SKF Aerospace, Gilles Labouret. „Je leichter das Flugzeug, desto weniger Treibstoff verbraucht es, und das heißt, weniger Umweltbelastung. Wir schlagen also zwei Fliegen mit einer Klappe.“

Die Triebwerke sind bei einem Flugzeug eindeutig die Hauptquelle der Luftverschmutzung. Ihre Verbrennung so zu verbessern, dass sie weniger Schadstoffe ausstoßen, ist das primäre Ziel. Die Lagerleistung spielt dabei eine wichtige Rolle. „Wir sehen bei den Herstellern allgemein eine Bereitschaft, Triebwerke zu entwickeln, die in punkto Energieverbrauch wirtschaftlicher sind“, fährt Ponchon fort.

Neue Triebwerkstechnologienwie der Getriebefan (GTF), die solche Leistungssteigerungen herbeiführen können, gibt es bereits und befinden sich bei Pratt & Whitney in Kanada auf der Prüfbank. Der französische Motorenhersteller Snecma ist auf dem Weg, ein GTF-Triebwerk mit gegenläuem Fan zu testen. Statt eines Getriebefans am Lufteinlauf des Triebwerks gibt es zwei mechanisch miteinander verbundene Fans, die in entgegengesetzte Richtungen rotieren, um die Turbulenz zu reduzieren und so die Leistung des Triebwerks zu erhöhen. Das Triebwerkskonzept mit offenem Rotor verspricht ebenfalls beträchtliche Effizienzgewinne, sofern eine Lösung für den höheren Geräuschpegel gefunden werden kann.

„Wir arbeiten gemeinsam mit unseren Kunden an der Definition von Lagern mit speziell auf diese neuen Triebwerke zugeschnittener Technik“, so Ponchon. „Alle Tests, die in den kommenden fünf bis sieben Jahren anstehen, werden unter dem Aspekt durchgeführt werden, die optimale Technologie für ein Triebwerk mit einem um etwa 30 Prozent geringeren Treibstoffverbrauch zu finden.“

Im Rahmen dieser Aufgabe befasst sich SKF Aerospace zurzeit mit der Hybridlagertechnik. Hybridlager haben Laufringe aus Wälzlagerstahl und Wälzkörper aus dem technischen Keramikwerkstoff Siliziumnitrit. Der Vorteil besteht in der längeren Lebensdauer und den geringeren Leistungsverlusten. „Durch Verwendung von keramischen Wälzkörpern können wir die Schmierung der Lager reduzieren und damit auch die Ölmenge, die dem Triebwerk zugeführt werden muss. So lässt sich ebenfalls Gewicht einsparen“, kommentiert Ponchon.

SKF entwickelt außerdem Lager für Hauptantriebswellen, darunter Kegelrollenlager mit keramischen Werkstoffen, die einer höheren radialen Beanspruchung standhalten als vergleichbare Lager komplett aus Stahl. Solche Lager könnten in Getriebefans verwendet werden. Ein anderes Lagerkonzept für Triebwerksapplikationen, das sich bei SKF in der Entwicklung befindet, basiert auf Käen aus Verbundwerkstoffen. „Heute werden Lagerkäe aus Stahl oder Kupferlegierungen hergestellt, die zur Optimierung der Reibungskoeffizienten mit Silber beschichtet werden“, erläutert Ponchon. „Es handelt sich um ein elektrolytisches Verfahren, das mit einer hohen Umweltbelastung verbunden ist. Wir bemühen uns, umweltverträglichere Methoden für die Fertigung unserer Komponenten zu finden.“

Auch für die Einführung von umweltfreundlicheren Wartungsmethoden hat sich SKF stark gemacht. „Wenn ein Triebwerk im Rahmen einer Überholung zerlegt wird, schickt die Fluggesellschaft die Lager an uns zurück, damit wir sie überprüfen und instand setzen“, erzählt Ponchon. „Statt die Lager wegzuwerfen, wie es früher der Fall war, bringen wir sie in Ordnung, genau wie ein Mechaniker die Bremsen an Ihrem Auto überholt. Das ist ebenfalls ein Beitrag zum Schutz der Umwelt.“

Bei der Verbesserung der Effizienz von Flugzeugen richtet SKF das Augenmerk nicht nur auf die Triebwerksleistung, sondern auch auf die Gewichtsreduzierung und bietet hierfür ein spezielles Sortiment an Steuerstangen, Lagern und elektromechanischen Systemen. „Einen wesentlichen Unterschied erzielen wir immer dann, wenn große Gleitlager involviert sind, wie sie beispielsweise am Ende der Landeklappen oder im Fahrgestell vorkommen. Diese Lager können mehrere Kilo wiegen, aber wir haben ihr Gewicht um bis zu 60 Prozent verringert“, bemerkt Labouret. „Das ist ein enormer Gewinn für das Flugzeug insgesamt.“

Zusammen mit Airbushat SKF Steuerstangen aus Kohlefaser auf der Basis des Resin Transfer Moulding-Verfahrens (RTF) entwickelt. „Wir erhalten stahlähnliche Eigenschaften bei minimalem Gewicht“, so Labouret. „Das ist einer der großen Entwicklungstrends, wobei SKF bei Steuerstangen aus Verbundwerkstoffen ein Marktführer ist.“

Steuerstangen aus derartigen Werkstoffen sind allerdings nicht ganz billig. SKF präsentierte kürzlich jedoch eine neue Reihe von Steuerstangen, die nach dem so genannten Pultrusionsverfahren hergestellt werden. Sie sind sehr preisgünstig und kosten genauso viel wie Steuerstangen aus Metall oder sogar weniger, nur mit dem Unterschied, dass sie erheblich leichter sind. „Inzwischen haben wir ein komplettes Sortiment. Es umfasst die gesamte Palette von sehr kleinen Steuerstangen, die ziemlich hohe Lasten aushalten, bis zu großen Steuerstangen aus RTM-basierten Verbundwerkstoffen, die Stahlprodukte vollwertig ersetzen“, erklärt Labouret.

Ein anderer viel versprechender Bereich für potenzielle Energieeinsparungen sind elektromechanische oder Fly-by-wire-Flugsteuersysteme. Verglichen mit Hydrauliksystemen können sie durch ihr niedrigeres Gewicht weitere drei bis vier Prozent zur Verbesserung der Treibstoffeffizienz beitragen, meint IATA-Direktor Haacker.

„Fly-by-wire ist ein Konzept, das im Wesentlichen von SKF in Zusammenarbeit mit Airbus entwickelt wurde. Es setzt sich jedoch immer mehr durch – bei Geschäftsflugzeugen von Dassault ebenso wie beim Flugzeughersteller Boeing, der in zehn Jahren diese Systeme einbauen wird“, so Labouret. Das wichtigste Umweltargument ist die Gewichtsreduzierung, aber die elektronische Antriebssteuerung (Throttle-by-wire, siehe Kasten nebenan) bietet darüber hinaus auch beträchtliche Treibstoffersparnisse.

Nach Ansicht von Labouret hat die zu erwartende Einführung von strengeren Emissionsbestimmungen in der EU das Thema schadstoffärmere Flugzeuge in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. „Wenn man den Kohlendioxidausstoß insgesamt betrachtet, entfallen auf den Flugverkehr rund zwei Prozent“, meint er. „Was die Menschen allerdings beunruhigt, sind die hohen Zuwachsraten im Luftverkehr. Schätzungen zufolge werden Flugzeuge in sechs Jahren bereits für sechs Prozent des Kohlendioxidausstoßes stehen. Das ist ein echtes Problem. Die EU spricht von einer 50-prozentigen Senkung der Emissionen.“ Aus derzeitiger Sicht könnte rund die Hälfte dieser Reduzierung durch Umorganisation von Flughäfen, direktere Flugrouten und Änderungen von Flugplänen erreicht werden. Die andere Hälfte ließe sich durch Konstruktionsänderungen an Flugzeugen und Triebwerken realisieren. „Es ist der richtige Zeitpunkt, um SKF in dieser Sparte zu positionieren“, glaubt Labouret. „Wir arbeiten seit einigen Jahren auf diesem Gebiet. Eine ganze Reihe von Lösungen haben wir bereits, und wir werden alles daran setzen, um weitere zu entwickeln.“

Gewichtsreduzierung beim A380

Bei der Konstruktion des A380 mit 555 Sitzplätzen, arbeitete SKF Aerospace unter anderem mit Airbus eng zusammen. Dabei wurde errechnet, dass zehn Kilo Gewichtsreduzierung eine Treibstoffersparnis von fast einem halben Liter pro Flugstunde bedeuten. Dank der SKF Lösungen konnte das Gewicht des Flugzeugs um fast zwei Tonnen verringert werden.

So werden Titanlager von SKF im Fahrgestell, in der Triebwerksaufhängung und in den Querrudern eingesetzt. Allein beim Fahrgestell konnte eine Gewichtsreduzierung von 110 Kilogramm pro Flugzeug erzielt werden. Hinzu kamen weitere 90 Kilogramm, die bei Rumpf und Landeklappen eingespart wurden. Die SKF Steuerstangen aus Verbundwerkstoff senkten das Gewicht um 40 Prozent. Insgesamt wurden 111 Kilogramm und damit rund 5 Liter Treibstoff pro Stunde eingespart.

Der Beitrag des Fly-by-wire-Systems schlägt noch weitaus stärker zu Buche. Die elektromechanische Antriebssteuerung macht das Flugzeug um 1.600 Kilogramm leichter als Modelle mit hydraulischen Systemen. Dadurch verringert sich der Treibstoffverbrauch um rund 75 Liter pro Flugstunde.

Throttle-by-wire

Die Hersteller von Geschäftsflugzeugen sind ständig bemüht, sich auf dem Markt Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, indem sie ihren Kunden einen zusätzlichen Wert und höhere Leistung bieten. Zu diesem Zweck hat SKF das Throttle-by-wire-System entwickelt, eine elektronische Drosselklappensteuerung, die die Triebwerksleistung regelt. „Mit dem System lässt sich die Steuerung der Triebwerksleistung optimieren. Das erhöht die Treibstoffeffizienz.“, erklärt der Marketingleiter von SKF Aerospace, Gilles Labouret. „Das Konzept basiert auf der Optimierung der Antriebsleistung des Flugzeugs je nach Erfordernissen. Dadurch kann der Treibstoffverbrauch um circa fünf Prozent reduziert werden.“

Voraussichtliche Treibstoffeinsparungen bei Geschäftsflugzeugen mit Throttle-by-wire-Systemen von SKF (unter der Annahme, dass weltweit 25.000 Geschäftsflugzeuge im Einsatz sind):

• Treibstoffeinsparung pro Flugstunde und Flugzeug: 100 Liter
• Treibstoffeinsparung pro Flugzeug und Jahr: 50.000 Liter
• Treibstoffeinsparung über die Lebensdauer eines Flugzeugs: 1 Million Liter
• Treibstoffeinsparung über die Lebensdauer von 25.000 Flugzeugen: 25 Billionen Liter