INVENT partners mit SUSTAINair für Flugzeug-Kreislaufwirtschaft

Das Horizon-2020-Projekt SUSTAINair, eine Kollaboration von 11 europäischen Forschungsorganisationen und Industriepartnern, wurde im Januar 2021 gestartet, um Lösungen für eine zirkuläre Luftfahrtökonomie zu erforschen und zu entwickeln. Dies umfasst Steigerung der Ressourceneffizienz und Flugzeugleistung bei gleichzeitiger Reduzierung von Abfall und Materialkosten über den gesamten Flugzeuglebenszyklus. Konsortialpartner betonen, dass trotz des Absturzes der Luftfahrtbranche in Unsicherheit die grüne Transformation der post-pandemischen Luftfahrtindustrie ein strategisches Ziel der Regierungen bleibt, die einen Pfad zur Erholung bieten.

Projektziele und Struktur

Konkret zielt die EU-geforderte Forschung darauf ab, die gesamte Luftfahrt-Lieferkette grüner zu gestalten im Einklang mit dem Circular Economy Action Plan, neue Standards für Luftfahrtfertigung zu setzen und branchenübergreifende Synergien zu erhöhen. Das SUSTAINair-Projekt soll der Luftfahrtbranche eine Startbahn zu einer kosteneffizienten, kohlenstoffarmen Wirtschaft bieten, während es dem Anstieg von Ressourcenverbrauch, Abfall und Emissionen entgegenwirkt. Es wurde von der Future Sky Forschungsinitiative der Association of European Research Establishments in Aeronautics (EREA) unterstützt.

Koordiniert von Jürgen Roither, Forschungsingenieur am Center for Low-Emission Transport am Austrian Institute of Technology AIT-LKR (Seibersdorf), Österreichs größter Forschungs- und Technologieorganisation, läuft das Projekt über 3,5 Jahre mit einem Budget von 5 Mio. €.

Roither betont die komplementäre Funktion jedes Projektpartners innerhalb einer bestimmten Kreislaufwirtschaftsphase des Flugzeuglebenszyklus. „SUSTAINair adressiert alle Phasen der Flugzeugkomponenten-Wertschöpfungskette vom zirkulären Design über Fertigung, Wartung und Reparatur bis hin zu Montage und Recycling, und wird durch die kombinierte Kompetenz und Expertise seiner Projektpartner herausragen“, sagt er.

Roither fügt hinzu, dass Materialinnovationen im stark regulierten Luftfahrtsektor zertifiziert werden müssen, um fliegen zu dürfen. Deshalb sucht SUSTAINair Rat bei der European Union Aviation Safety Agency (EASA, Köln, Deutschland), die von EASA Senior Research Coordinator Willy Sigl geleitet wird.

„Die Beiträge der EASA sollen die Time-to-Market neuer innovativer Produkte und Geschäftsmodelle verkürzen und ein hohes Maß an Sicherheit, Schutz und Umweltschutz ermöglichen. EASA unterstützt daher ausgewählte Forschungsprojekte wie SUSTAINair in beratender Rolle zu Zertifizierung, Regulierung und Sicherheitsbewertung“, sagt Sigl.

Composite-Faserspezialist steigt ein

Composite-Faserspezialist INVENT GmbH (Braunschweig, Deutschland) ist dem SUSTAINair-Projekt beigetreten. Seit 1996 entwickelt und produziert INVENT GmbH hochpräzise Strukturkomponenten als EN 9100- und Nadcap-zertifiziertes Unternehmen, von der Initialidee bis zur Serienfertigung. Dieses technologische Know-how und die Fertigungsanlagen werden im Projekt genutzt und weiterentwickelt, um kosteneffiziente Kreislaufwirtschaftsansätze für Composite-Fasern zu erreichen.

Zudem ermöglicht INVENTs starke Verbindung zum High-Tech-Luftfahrtsektor dem Unternehmen, zu einer Reihe von High-Impact-Aktivitäten innerhalb des Projekts beizutragen. Entwicklung variabler Flügelformen (Morphing), Integrationstechnologien für Sensortechnik und neuartige Wiederverwendungstechniken von Produktionsabfall sind nur einige. INVENT spielt eine Schlüsselrolle in der Koordination und Komponentenfertigung für die Demonstration der in SUSTAINair entwickelten Technologien. Grundlegende Füge-, Schnittstellen-Design- und Metallfertigungstechnologien werden auf komplexere Joint-Demonstratoren übertragen, die Sensorintegration für Structural Health Monitoring (SHM) beinhalten und gefertigt, getestet und evaluiert werden, um die Erreichung der Projektziele zu validieren.

„Das SUSTAINair-Projekt wählt einen sehr ganzheitlichen Ansatz zum Konzept der Kreislaufwirtschaft, zugeschnitten auf den aeronautischen Kontext. Das macht es zu einem spannenden Projekt, Teil davon zu sein, und gibt ihm Potenzial für echte und nachhaltige Auswirkungen, nicht nur für Umwelt und Industrie, sondern auch bezüglich Standardisierungspolitik“, fasst Marc Joulian, SUSTAINair-Projektmanager bei INVENT, zusammen.

Buy-to-Fly-Ratio im Visier

Kreislaufwirtschaft ist ein Ansatz, das Meiste aus Ressourcen zu machen, indem man sie so lange wie möglich in Nutzung hält, wodurch ihr Gesamtwert über den Lebenszyklus steigt. Die Luftfahrt-Nachfrage nach hochwertigem Material wird typischerweise von großen Abfallmengen während des Fertigungsprozesses begleitet. Dies gilt für sowohl Metalllegierungen als auch Composites.

Die neuartigen Up- und Recyclingmethoden, die innerhalb von SUSTAINair für sowohl Metall- als auch Composite-Luftfahrtmaterialien entwickelt werden, werden angeblich zu einer signifikanten Reduzierung des bei Fertigung und End-of-Life (EOL) anfallenden Abfalls beitragen. Upcycling-Lösungen werden für Carbon- und Glasfaser-Thermoset-Materialien sowie Hochleistungs-Thermoplast-Composites entwickelt.

SUSTAINair-Koordinator Roither fügt hinzu, dass das Projekt Near-Net-Shape-Komponenten (gefertigt so nah wie möglich an endgültiger Größe und Form des Fertigteils) für die Luftfahrtindustrie entwickeln will, um die Buy-to-Fly-Ratio nahe an eins zu bringen, was imperativ ist, wenn mehr Material entlang der Kette verwendet wird als verworfen. Dies wird durch kürzlich erfundene Nano-Eutektik-Aluminiumlegierungen bei AIT-LKR in Kombination mit fortschrittlichen Hochdruck-Druckgusstechnologien erreicht. „Solche Verarbeitung ist in der Automobilindustrie als ‚schnell und effizient‘ bekannt. SUSTAINairs angepasste Technik und Materialien werden die Fertigung von Luftfahrtkomponenten ‚schnell, effizient und sauber‘ machen“, sagt Roither.

Neuartige Luftfahrtstrukturen zur Gewichts- und CO₂-Reduktion

Neuartige Metalllegierungen und Composite-Materialien wie carbonfaserverstärkte Polymere (CFRP) werden eingesetzt, um Masse zu reduzieren und aerodynamische Effizienz zu steigern, was den Treibstoffverbrauch während Flugoperationen verbessert und somit Emissionen reduziert. Geringfügige Änderungen an Materialien oder Flugzeugstruktur können große Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch haben.

Mit diesem Hintergrund sollen SUSTAINair-Konsortialpartner nicht nur neuartige Materialien für einen flexiblen Flügel entwickeln, sondern auch Techniken zur Integration von Sensoren in das Material solcher Flugzeugkomponenten. Zum Beispiel ermöglicht die Überwachung von Echtzeitdaten den Operatoren, den Flugpfad eines Flugzeugs anzupassen, was zu geringerem Treibstoffverbrauch führt, während Sicherheit und Zuverlässigkeit von Aero-Strukturen erhöht und Wartungskosten gesenkt werden.

Eine solche Kombination aus Metall und Composite-Materialien bringt jedoch technologische Herausforderungen bei Fügen und Reparatur sowie für Kreislaufansätze im EOL-Prozess mit sich. „Was an SUSTAINair einzigartig ist, ist, dass der Designprozess so geformt wird, dass er innovative Techniken entlang der Wertschöpfungskette ermöglicht, die dem Material ein längeres Leben mit mehr Wert geben, unter Berücksichtigung von EOL-Demontage und Upcycling“, sagt Chiara Bisagni, Professorin für Luftfahrtstrukturen und AIAA Fellow an der TU Delft, Niederlande.

Demontage-Roboter für bessere Recyclingfähigkeit

Flugzeuge bestehen aus vielen Teilen verschiedener Materialien, die gefügt werden müssen. Derzeit erfolgt das Fügen durch Nieten, die schwer zu entfernen sind. Dies macht Trennung und effizientes Recycling von Flugzeugkomponenten herausfordernd und kostspielig bis hin zur wirtschaftlichen Unrentabilität. Nieten machen Flugzeuge auch schwerer, was den Treibstoffverbrauch negativ beeinflusst. Die besondere Expertise der Projektpartner in Schweißen und anderen Fügetechniken könnte letztlich die Notwendigkeit von Nieten eliminieren. Laut Projektpartnern kann diese Innovation nicht ohne Änderungen der aktuellen Standards durch Luftfahrtbehörden wie EASA übernommen werden.

Durch Einführung von Industry-4.0-Technologie in die Flugzeug-EOL-Verarbeitung soll das SUSTAINair-Projekt auch einen Roboterkopf entwickeln, der Nieten automatisch erkennt und entfernt, was Legierungstrennung und damit höherwertiges recyceltes Flugzeugmaterial ermöglicht. „Um Füge- und Entfernungsaktivitäten zu unterstützen, hat INVENT eine neue Technologie entwickelt, um schadensfreie Trennung klebebondierter Composite-Komponenten zu realisieren. SUSTAINair gibt uns die Gelegenheit, diese weiterzuentwickeln“, fügt Jesper de Wit, SUSTAINair-Projektmanager bei INVENT, hinzu.

Auf Kurs zu Flightpath 2050

Die Projektpartner stehen an vorderster Front der zirkulären Luftfahrt und verfolgen Ziele des EU Green Deal und Flightpath 2050. Die technologischen Innovationen, die durch den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft entstehen, können als Pfad gesehen werden, um die wirtschaftlichen Auswirkungen der COVID-19-Pandemie in Industrien entlang der gesamten Luftfahrtkomponenten-Lieferkette anzugehen.

Die Partner des Projekts sind: AIT-LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (Österreich), Netherlands Aerospace Centre – NLR (Niederlande), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – DLR (Deutschland), JOANNEUM RESEARCH (Österreich), Johannes Kepler Universität Linz (Österreich), Delft University of Technology (Niederlande), AEROCIRCULAR (Belgien), INOCON Technologie GmbH (Österreich), INVENT GmbH (Deutschland), Dutch Thermoplastic Components B.V. (Niederlande), RTDS Association (Österreich).

Dieses SUSTAINair-Projekt wurde durch das Horizon-2020-Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement 101006952 gefördert.