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Airbus, GE Aviation und Safran entwickeln Wasserstoff-Flugdemonstrator

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Airbus will eine modifizierte A380, die mit Wasserstofftanks ausgestattet ist, als Testplattform nutzen.

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Airbus kündigte am Dienstag an, mit GE Aviation und CFM International zusammenzuarbeiten, um einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor im Flug zu testen, um die Inbetriebnahme eines emissionsfreien Flugzeugs bis 2035 vorzubereiten

Jeff Knittel, Chairman und CEO von Airbus Americas, sagte, dass es sich bei dem Flugtestflugzeug um einen modifizierten Airbus A380 - das derzeit größte Passagierflugzeug der Welt - handeln wird, der mit vier Flüssigwasserstofftanks ausgestattet ist, die ein GE Passport-Turbotriebwerk am hinteren Rumpf des Flugzeugs antreiben werden.

Der Gesamtplan für die Flugerprobung wird noch festgelegt, so Airbus, aber nach den derzeitigen Plänen soll der Erstflug des Demonstrators bis Ende 2026 stattfinden. Die endgültigen technologischen Entscheidungen sollten bis zum Ende des Jahrzehnts getroffen werden, so das Unternehmen, damit ein neues emissionsfreies Flugzeug bis zum Jahr 2035 auf den Markt kommen kann.

Die Ankündigung vom Dienstag ist die jüngste Entwicklung im Rahmen der Airbus-Initiative, die darauf abzielt, das Potenzial von Wasserstoff als alternativem Treibstoff zu erforschen, in der Hoffnung, die Luftfahrtindustrie näher an den Netto-Null-Emissionswert heranzuführen. Sie ist Teil einer größeren Bewegung in allen Bereichen der Luftfahrt, die durch die Bedrohung des globalen Klimawandels angetrieben wird.

Eine amerikanisch-europäische Partnerschaft

Neben Airbus ist auch CFM International, ein Gemeinschaftsunternehmen von GE Aviation und Safran Aircraft Engines, an der Wasserstoffdemonstration beteiligt.

"Indem wir das Fachwissen amerikanischer und europäischer Triebwerkshersteller nutzen, um Fortschritte bei der Wasserstoffverbrennungstechnologie zu erzielen, sendet diese internationale Partnerschaft die klare Botschaft, dass unsere Branche sich dafür einsetzt, emissionsfreies Fliegen Wirklichkeit werden zu lassen", sagte Sabine Klauke, Chief Technical Officer von Airbus

Die Flüssigwasserstofftanks der A380 werden in Airbus-Werken in Frankreich und Deutschland entwickelt. Airbus wird die Anforderungen an das Wasserstoff-Antriebssystem definieren, die Flugerprobung überwachen und die eigentliche A380-Plattform für die Erprobung des Wasserstoff-Verbrennungsmotors in der Reiseflugphase bereitstellen

CFM International wird seinerseits die Brennkammer, das Treibstoffsystem und das Steuerungssystem des GE Passport-Turbofans für den Betrieb mit Wasserstoff modifizieren

Nach Angaben von Airbus wurde das in den Vereinigten Staaten montierte Triebwerk aufgrund seiner Größe, der fortschrittlichen Turbomaschine und der Fähigkeit zur Treibstoffzufuhr für dieses Programm ausgewählt. Das Triebwerk soll am hinteren Rumpf des A380 montiert werden, damit die Triebwerksemissionen, einschließlich der Kondensstreifen, getrennt von den konventionellen Triebwerken, die den Prüfstand antreiben, überwacht werden können

Es wird erwartet, dass CFM im Vorfeld der A380-Flugerprobung ein umfangreiches Bodentestprogramm durchführt. "Die Fähigkeit zur Wasserstoffverbrennung ist eine der grundlegenden Technologien, die wir im Rahmen des CFM RISE-Programms entwickeln und ausbauen", sagte Gaël Méheust, Präsident und CEO von CFM. "Durch die Bündelung der kollektiven Fähigkeiten und Erfahrungen von CFM, unseren Muttergesellschaften und Airbus haben wir wirklich ein Dreamteam zusammengestellt, um ein Wasserstoffantriebssystem erfolgreich zu demonstrieren."

Pläne waren schon lange in Arbeit

Die Entscheidung von Airbus, sein Null-Emissions-Projekt voranzutreiben, kommt nicht überraschend. Das Unternehmen hat derartige Pläne bereits seit Monaten angedeutet. Ende letzten Jahres tauchten Berichte auf, wonach Airbus einen Testflug mit einem bestehenden, für den Wasserstoffantrieb umgebauten CFM International-Triebwerk plant. Als FLYING Airbus um eine Bestätigung dieser Berichte bat, dementierte das Unternehmen diese nicht und erklärte lediglich, dass es häufig Triebwerkstests mit Triebwerksherstellern durchführt.

Die Ankündigung kommt fast 18 Monate, nachdem Airbus sein sogenanntes ZEROe-Wasserstoff-Konzept für Verkehrsflugzeuge vorgestellt hat: ein Turbofan, eine Turboprop-Maschine und ein Mischflügel-Flugzeug.

Airbus arbeitet seit Monaten mit Wasserstoffherstellern zusammen und hat sich öffentlich zuversichtlich über die Realisierbarkeit des Treibstoffs geäußert.

Der A380-Demonstrator

Während einer Online-Veranstaltung am Dienstag, die die Ankündigung enthüllte, bot Airbus eine Videotour durch das Flugzeug an, das als Testflugzeug eingesetzt werden soll. Bei der A380, die schließlich zum Prüfstand weiterentwickelt wird, handelt es sich um die MSN 1, die erste von Airbus gebaute A380, die in der Anfangszeit des A380-Programms für Zertifizierungs- und Testzwecke eingesetzt wurde. MSN 1 diente auch als Prüfstand für Triebwerke, die im A350-Programm von Airbus eingesetzt werden

Auf dem Flugdeck des Demonstrators werden die Piloten die Leistung des Wasserstofftriebwerks mit einer separaten Drosselklappe steuern, so Airbus. Außerdem werden sie über ein Display verfügen, das die wichtigsten KPIs für das gesamte System überwacht. Die Daten werden über Telemetrie in Echtzeit an die Ingenieure am Boden zur Analyse weitergeleitet.

Netto-Null bis 2050

Der Grund für all diese Maßnahmen sind die Kohlenstoffemissionen. Der zivile Luftverkehr verursacht etwa 2 Prozent aller Kohlenstoffemissionen weltweit. Viele der größten Fluggesellschaften der Welt haben sich bereits verpflichtet, ihre Flotten bis 2050, wenn nicht früher, auf Netto-Null-Emissionen zu reduzieren, darunter Air France, American Airlines, British Airways, Delta Air Lines, Lufthansa, Southwest und andere.

United Airlines und die Alaska Air Group haben bereits erheblich in die Forschung und Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen investiert.

Blended-Wing weniger wahrscheinlich?

Während eines Webinars zum Thema Wasserstoff als Flugkraftstoff im Oktober 2021 gab Glenn Llewellyn, Vizepräsident für emissionsfreie Flugzeuge bei Airbus, weitere Hinweise auf die Ankündigung vom Dienstag. Er sagte, dass von den drei ZEROe-Konzepten von Airbus das Blended-Wing-Konzept weniger wahrscheinlich sei

"Es ist viel wahrscheinlicher, dass wir ein Turbofan- oder Turboprop-Flugzeug haben werden - eine klassischere Rohr- und Gewichtskonfiguration in Bezug auf das Flugzeugkonzept - jedoch mit einem grundlegend anderen Antriebssystem", sagte Llewellyn.

Arten von Wasserstoffantriebssystemen

Laut Llewellyn haben die Ingenieure mehrere Möglichkeiten für den Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge in Betracht gezogen, darunter Wasserstoff-Brennstoffzellen, Wasserstoff-Gasturbinen, die Wasserstoff verbrennen, und Hybrid-Kombinationen

Wasserstoff-Gasturbinen treiben Motoren mit innerer Verbrennung an, ähnlich wie herkömmliche Verbrennungsmotoren, die Jet-A verbrennen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren verbrennt Wasserstoff jedoch sauber.

Hürden bei der Wasserstoffkonstruktion

Wasserstoffbetriebene Flugzeuge benötigen Treibstofftanks, die groß genug sind, um die für Standard-Kurz- und Mittelstreckenflüge benötigte Menge an flüssigem Wasserstoff aufzunehmen. Wasserstoff enthält mehr Energie pro Gewicht als Flugzeugtreibstoff, hat aber eine geringere Energiedichte. Bei Raumtemperatur ist Wasserstoff gasförmig und lässt sich daher nur schwer in großen Mengen lagern

Es gibt noch einen weiteren Faktor. Für die Lagerung in Treibstofftanks an Bord von Flugzeugen muss der Wasserstoff in eine flüssige Form komprimiert werden. Dazu muss der Wasserstoff auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Neben dem Treibstoff und den Treibstofftanks würde die Ausrüstung, die benötigt wird, um den Wasserstofftreibstoff bei niedrigen Temperaturen zu halten, das Gewicht eines mit Wasserstoff betriebenen Flugzeugs noch weiter erhöhen

Und da jedes zusätzliche Gewicht bei einem Flugzeug ein Nachteil ist, ist dies immer ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion

Kryogenes Kraftstoffzufuhrsystem

Um die Herausforderungen zu bewältigen, die der Wasserstoff als Treibstoff mit sich bringt, will Airbus nach eigenen Angaben vom Dienstag ein neues kryogenes Treibstoffzufuhrsystem entwickeln, das den Wasserstoff von den Tanks zum Turbofan-Triebwerk transportiert. Zunächst muss der Wasserstoff von Flüssigkeit in Gas umgewandelt werden. Anschließend wird das Wasserstoffgas in die Brennkammer eingespritzt und bei einer sehr hohen Temperatur - viel heißer als Jet-A - gezündet.

Um diesen hohen Temperaturen standhalten zu können, sind nach Angaben des Unternehmens neu entwickelte Komponenten erforderlich

Eine weitere Herausforderung: Schaffung der Infrastruktur

Die Entwicklung des Ökosystems und der umgebenden Infrastruktur für die breite Nutzung von Flüssigwasserstoff als Flugkraftstoff ist eine gigantische Hürde, die Experten als Schlüssel zum Erfolg bezeichnen. Produktion, Speicherung und Lieferung müssten in größerem Umfang erfolgen. Die Umstellung des gesamten Ökosystems für Wasserstoff als Kraftstoff auf "grün" würde dieses Ziel noch schwieriger machen

Der sowjetische Wasserstoffjet

Dies ist nicht der erste Versuch, ein wasserstoffbetriebenes Verkehrsflugzeug zu entwickeln. In den späten 1980er Jahren entwickelten sowjetische Ingenieure die experimentelle Tupolew Tu-155, die etwa 100 Testflüge absolvierte, bevor das Programm während des Zusammenbruchs der Sowjetunion abgebrochen wurde

Schwieriger Weg vor uns

"Nachhaltige Luftfahrt ist die Zukunft und Wasserstoff ist ein wichtiger Schritt in diesem Prozess, vielleicht sogar der letzte Schritt", sagte Knittel am Dienstag

Méheust räumte ein, dass es noch viel zu tun gibt. "Aber es scheint nicht unüberwindbar zu sein... wir sehen den technologischen Weg, um das zu erreichen. Und mit Anstrengung und harter Arbeit sollten wir in der Lage sein, es zu schaffen."

Ja, die Ziele sind sehr anspruchsvoll, sagte Mohamed Ali, Vizepräsident von GE Aviation. "Aber das ist es, worum es uns geht. Und wir machen sie nicht nur, weil sie schwierig sind... wir machen sie, weil wir tatsächlich glauben, dass wir die Zukunft des Fliegens erfinden können. Und es ist sicher. Und es ist erschwinglich. Und es ist nachhaltig."

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