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Wasserstoff-Brennkammer für zukünftige Flugzeuge
Die Elektrifizierung von Langstreckenflügen ist in den nächsten Jahrzehnten aufgrund der niedrigeren Energiedichte von Batterien im Vergleich zu chemischen Treibstoffen nicht machbar. Ein gemeinsames Projekt von GE, Airbus und der ETH Zürich hat das Ziel, bis 2035 ein revolutionäres Wasserstoff-Antriebssystem für CO2-freie Verkehrsflugzeuge zu entwickeln. Die grösste Herausforderung ist dabei die Brennkammer, da sich die Eigenschaften und Verbrennung von Wasserstoff grundlegend von Kerosin unterscheiden.
Zusammen mit der zukünftigen Produktion von Wasserstoff durch Sonnen-, Wind- oder Kernenergie gelten wasserstoffbetriebene Flugzeuge als die vielversprechendste Option zur Dekarbonisierung der Luftfahrt für Reichweiten von bis zu 2000 nautischen Meilen (3700 km). Das Labor für Verbrennung und Akustik für Antriebs- und Energiesysteme (CAPS) der ETH Zürich wird eine wichtige Rolle in einem gemeinsamen Projekt mit GE, Airbus und Safran Aircraft Engines spielen für die Entwicklung und Prüfung eines Wasserstoff-basierten Flugzeugantriebs, der Mitte der 2030er Jahre Passagiere befördern und während des Fluges keine Kohlenstoffemissionen verursachen soll. Dies wird letztendlich die Grundlage für die Dekarbonisierung der Luftfahrtindustrie legen.
Testflüge mit einem umgerüsteten Airbus A380 sind für Mitte dieses Jahrzehnts geplant. Dafür wird ein angepasster GE-Passport-Turbotriebwerk oben am hinteren Rumpf montiert, der mit Flüssigwasserstofftanks ausgestattet ist, aber von seinen ursprünglichen vier Triebwerken angetrieben wird. Diese Konfiguration wird es dem Team ermöglichen, die Fähigkeiten dieser neuartigen, wasserstoffbetriebenen Triebwerkstechnologie zu demonstrieren und die Emissionsziele, einschliesslich Kondensstreifen, während des Fluges zu prüfen.
Die Entwicklung einer neuen Brennkammer für dieses umgewandelte Triebwerk ist eine grosse Herausforderung, da sich die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff grundlegend von denen von Kohlenwasserstoffen unterscheiden. Vor allem ist die sehr hohe Reaktivität von Wasserstoff für die Entwicklung einer robusten Konstruktion mit stabilen und zuverlässigen Verbrennungseigenschaften herausforderd. Hier kommt das CAPS-Labor der ETH Zürich im Rahmen des von der EU mitfinanzierten Clean Aviation Projekts HYDEA ins Spiel. Das CAPS verfügt über eine weltweit einzigartige Expertise in der Prüfung, hochentwickelten Diagnostik und numerischen Analyse von hochreaktiven instabilen Strömungen. Im CAPS-Labor werden Prototyp-Brenner im Originalmassstab getestet, um die Robustheit des Verbrennungsprozesses und die niedrigen Stickoxidemissionen zu überprüfen. Die ausgefeilten Modellierungsmöglichkeiten von CAPS werden eingesetzt, um das Design noch weiter zu verbessern.
Forschungsgruppen, Industriepartner oder verwandte Projekte
- Das CAPS lab – Verbrennung und Akustik für Energie- und Antriebssysteme (auf Englisch)
- Gewagte neue Projekte des Gemeinsamen Unternehmens Clean Aviation (auf Englisch)
- Wasserstoff nimmt Fahrt auf: Airbus und CFM (auf Englisch)
- ZEROemission-Verkehrsflugzeuge von Airbus (auf Englisch)
- LEAFINNOX – vorangegangenes Projekt von ETH & Clean Sky2 zur H2-betriebenen Luftfahrt
Forschungsartikel und Berichte über das Exponat
- Rückschlaggrenzen von turbulenten Wasserstoffflammen (auf Englisch)
- Neuer Brenner ermöglicht Umschaltung zwischen Kerosin und reinem Wasserstoff während des Betriebs (auf Englisch)
Thermoakustischen Instabilitäten in mit Wasserstoff betriebenen Brennkammermodellen in der Luftfahrt: