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Hintergrund: Strahltriebwerke

Ein Triebwerk macht Karriere

  • Nahaufnahme auf den Ventilator eines Triebwerks. Hier wird die Luft eingesaugt, im Ventilator eines Triebwerks; Rechte: WDR/MEV
  • Ein Arbeiter schraubt am Innenleben eines Triebwerks herum. Einblick in das Innere eines Triebwerks, das komplex aufgebaut ist; Rechte: dpa

Tiiiief einatmen – und kräftig pusten. Bis alle Geburtstagskerzen aus sind. Damit es für alle Kerzen reicht, muss man schon ziemlich viel Luft holen und feste blasen, also die Luft beschleunigen. Das Triebwerk am Flugzeug funktioniert eigentlich ganz ähnlich. Auch das Triebwerk saugt Luft ein und bläst sie schnell wieder an der anderen Seiten nach draußen. Die schnelle Luft erzeugt beim Triebwerk eine Kraft, die das Flugzeug nach vorne beschleunigt. Dahinter steckt das sogenannte Rückstoßprinzip: Ein Objekt, also zum Beispiel ein Flugzeug, wird genau so stark nach vorne beschleunigt, wie die Luft nach hinten. Wenn die Luft also schnell aus dem Triebwerk herausgeblasen wird, fliegt das Flugzeug schneller, als wenn die Luft langsamer aus dem Triebwerk geblasen wird. Die Kraft, die so entsteht, nennt man den Schub.

Von außen sieht man bei einem Triebwerk eigentlich nur einen riesigen Ventilator, den "Turbofan" (Fan = englisch für Ventilator). Dieser Turbofan saugt ganz viel Luft ein. Ein Teil dieser Luft kommt dann direkt auf der anderen Seite wieder heraus, erzeugt aber nur einen kleinen Schub. Der größere Teil der Luft muss zuerst noch durch den Turbinenmotor im Inneren. Dieser Motor besteht hauptsächlich aus drei Teilen: Einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine. Im Kompressor wird die Luft verdichtet, bis der Druck sehr hoch ist. Dann gelangt diese Luft in die Brennkammer. Hier wird der Treibstoff eingespritzt und verbrannt. Dadurch erhitzt sich die Luft sehr stark. Die heißen Abgase kommen dann in die Turbine. Die Turbine besteht aus mehreren Schaufelrädern hintereinander. Wenn das heiße, verdichtete Gas über diese Räder nach außen strömt, beginnen sie, sich zu drehen. Die sich drehende Turbine treibt den Turbofan und den Kompressor an und sorgt so für Luft-Nachschub.

Die heiße Luft, die aus der Turbine heraus wieder in die Umgebung strömt, sorgt für den eigentlichen Antrieb des Flugzeugs, weil sie den Schub erzeugt, der das Flugzeug nach vorne beschleunigt. Der Teil der Luft, der nicht durch den Motor strömt, leistet zwar nur einen kleinen Beitrag zur Schubkraft, hat aber eine andere, wichtige Aufgabe: Er kühlt die heißen Abgase. Und das macht das Triebwerk leise. Denn: Heiße Gase brauchen mehr Platz als kalte, sie haben ein größeres Volumen. Die heißen Abgase dehnen sich deshalb sehr schnell aus, sobald sie aus dem Triebwerk kommen und wieder Platz haben. Weil sie dabei Luftmoleküle verdrängen, sie quasi an die Seite schieben, entsteht eine Druckwelle. Und die hören wir als Knall oder viele Druckwellen als Lärm.

Kerosin – ein umweltschädlicher Treibstoff

  • Ein Mann hält einen Schlauch in den Flügel eines Flugzeuges. Rechts neben ihm ein Triebwerk. Ein Flugzeug mit 300 Sitzplätzen nimmt etwa 200.000 Liter Kerosin auf; Rechte: Mauritius
  • Ein Flugzeug fliegt über Festland. Ausgestoßene Gase und Rußpartikel machen Fliegen so klimaschädlich; Rechte: Airbus S.A.S.

Wie alle Motoren muss auch das Strahltriebwerk mit Kraftstoff betrieben werden. Bei heutigen Flugzeugen ist das meist Kerosin. Das ist ein Treibstoff, der durch das Destillieren von Erdöl gewonnen wird. Dabei wird das Erdöl immer weiter erhitzt und die verschiedenen Inhaltsstoffe verdampfen nacheinander. Kerosin ist eine Substanz, die bei Temperaturen um 150 bis 300 Grad Celsius kocht und verdampft. Bevor das Kerosin ein Flugzeug antreiben kann, bekommt es aber noch einige zusätzliche Zutaten. Zum Beispiel Stoffe, die verhindern, dass der Flugzeugtank rostet, oder ein Mittel, damit das Kerosin beim Auffüllen des Tanks nicht schäumt.

Da es aus Erdöl gewonnen wird, gehört Kerosin zu den fossilen Brennstoffen. Und wie alle fossilen Brennstoffe setzt Kerosin bei der Verbrennung schädliche Gase frei, zum Beispiel Kohlendioxid. Kohlendioxid steht im Verdacht, zur Erderwärmung beizutragen. Flugzeuge haben am gesamten Ausstoß dieses Gases einen Anteil von zwei Prozent. Außerdem haben Forscher festgestellt, dass die Rußkonzentrationen in den Bereichen, in denen Flugzeuge fliegen, extrem hoch sind. Man weiß aber gar nicht, was diese Rußteilchen in der Atmosphäre für Auswirkungen haben. Sie könnten zum Beispiel die Wolkenbildung beeinflussen, weil an ihnen Wasserdampf kondensieren kann. Ziel ist es also, Triebwerke zu finden, die weniger oder gar keine Schadstoffe produzieren.

Auf der Suche nach Alternativen

  • Blick auf einen gerodeten Hang auf Borneo. Auf der recht kahlen Fläche sind kleine Palmen angebaut. Palmölplantagen in den Tropen - Nutzen und Schaden sind umstritten; Rechte: dpa
  • Weißes Modell des sehr aerodynamischen Flugzeuges "Hyfish". Das Brennstoffzellen-Flugzeug "HyFish" hat die Form eines Fisches; Rechte: DLR

Nicht nur Autos fahren mittlerweile mit Biokraftstoffen, sondern auch Flugzeuge folgen dem Biotrend. Die großen Flugzeughersteller forschen daran, Kraftstoff aus Pflanzen herzustellen. Flugzeugkraftstoffe müssen aber viel extremeren Bedingungen standhalten als Autokraftstoffe. In großer Höhe herrschen sehr niedrige Temperaturen, der Biotreibstoff darf aber nicht einfrieren oder stocken. Anfang 2008 flog ein Flugzeug erstmals mit einem Biotreibstoff aus Kokosnuss- und Palmöl über den Ärmelkanal. Allerdings wurde nur eins der vier Triebwerke mit der Biomischung betrieben – vorsichtshalber. Offensichtlich ist der Test geglückt. Doch noch gibt es keinen Biokraftstoff, der serienreif ist. Außerdem gibt es auch hier, genau wie bei Biodiesel oder Bioethanol, Diskussionen über einen Zusammenhang mit der Biokraftstoffproduktion und dem Anstieg der Nahrungsmittelpreise.

Im Luftverkehr wird auch über den Einsatz von Brennstoffzellen nachgedacht. Die Flugzeuge der Zukunft sollen mit ihrer Hilfe fliegen. Die Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in Wärme und elektrischen Strom um. Als Abgase entsteht am Ende nur Wasserdampf. Doch bis es so weit ist, werden noch viele Jahre Forschung nötig sein.

Veränderungen für die Zukunft

  • Zwei Techniker arbeiten in einer Halle an einem Triebwerk. Triebwerke werden stets weiterentwickelt, um die Energie optimal zu nutzen; Rechte: dpa
  • Modernes, aerodynamisches Flugzeug. Neue Formen mit geringerem Luftwiderstand verbrauchen weniger Treibstoff; Rechte: dpa

Nicht nur der Brennstoff der Flugzeuge soll sich ändern. Auch in anderen Bereichen sollen Flugzeuge verbessert werden. Da wäre einmal das Triebwerk. Die eingesaugte Luft wird in der Brennkammer mit dem Treibstoff verbrannt und dadurch erhitzt, wodurch sie "schneller" wird, also sich ausdehnt. So sorgt die heiße Luft für den Schub, den Antrieb. Die Abgase des Triebwerks sind noch sehr heiß. Es geht also Wärme verloren, wenn die Abgase in die kalte Umgebung gepustet werden. Deshalb wird versucht, einen sogenannten Rekuperator, einen Wärmeüberträger einzubauen. Der soll den Abgasen die Wärme sozusagen entziehen und sie auf die eingesaugte Luft übertragen. Die ist dann also schon "vorgewärmt" und muss nicht mehr so stark erhitzt werden, um genügend Schub zu erzeugen. Deshalb braucht man dann weniger Treibstoff. Und dementsprechend entstehen weniger Schadstoffe.

Auch an der Aerodynamik der Flugzeuge wird gearbeitet. Denn schon kleine Veränderungen bedeuten oft einen geringeren Luftwiderstand und somit weniger Treibstoffverbrauch. Aber ganz anders als heute werden die Flugzeuge in der Zukunft wohl nicht aussehen. Vielleicht größere Flügel, etwas breiter und platter – das sind Veränderungen, die es geben könnte. Auch nach einem neuen, besseren Material wird gesucht. "Kohlefaserverstärkte Kunststoffe" ist hier das Zauberwort. Die sind nämlich deutlich leichter als Metall und auch geringeres Gewicht bedeutet weniger Treibstoffverbrauch und somit weniger giftige Abgase.

Schneller als der Schall

  • Das Überschallflugzeug "Concorde" beim Start. Die "Concorde" war zwar schnell, aber einfach zu unwirtschaftlich; Rechte: dpa
  • Grafische Darstellung eines Überschallflugzeugs der NASA, das über den Wolken fliegt. Ingenieure träumen von solchen Hyperschallflugzeugen für Passagiere; Rechte: dpa

Es gibt Flugzeuge, die schneller als der Schall fliegen können: Überschallflugzeuge. Die Schallgeschwindigkeit ist der Weg, den der Schall pro Sekunde zurücklegt. Sie ist abhängig von der Temperatur und liegt am Boden zwischen 320 und 340 Metern pro Sekunde (das sind 1152 bis 1224 Kilometer pro Stunde). In einer Flughöhe von zehn Kilometern liegt die Schallgeschwindigkeit wegen der niedrigeren Temperatur dann bei 292 Metern pro Sekunde oder 1050 Kilometern pro Stunde. Von 1976 bis 2003 flog das Überschallflugzeug "Concorde" als normales Linienflugzeug. Doch die "Concorde" war viel zu unwirtschaftlich. Sie verbrauchte deutlich mehr Treibstoff und konnte viel weniger Passagiere transportieren als herkömmliche Flugzeuge.

Doch noch ist das Überschallflugzeug nicht abgeschrieben. Im Gegenteil: Europäische Ingenieure wollen ein Flugzeug entwickeln, das in fünf Stunden von Europa nach Australien fliegt. Es soll mit Wasserstoff betrieben werden, also auch umweltfreundlicher sein. Weil dann aber Wasserstofftanks mitfliegen müssen, haben in dem riesigen Flugzeug (143 Meter lang) nur 300 Passagiere Platz. Fenster wird das Flugzeug auch nicht haben, denn die Reibungshitze ist sonst zu groß. Fliegen wird ein solches Flugzeug schätzungsweise frühestens in 15 Jahren.