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Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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Für den neuen Airbus A380 werden weltweit auf größeren Flughäfen umfangreiche bauliche Veränderungen
vorgenommen.
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DER JUNGFERNFLUG des A380 im April 2005 war ein Triumph jahrelanger Konstrukteursarbeit, deren Erfolg
stark von Nickellegierungen abhängig war.
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DAS VON Engine Alliance entwickelte Triebwerkmodell GP72000 verursacht weniger Schadstoffemissionen und
weit weniger Lärm als andere Triebwerke. Mit diesen Verbesserungen sollen die strengeren Lärmbeschränkungen
auf europäischen Flughäfen erfüllt werden.
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Nickellegierungen ermöglichen ein geringeres Triebwerkgewicht, selbst dann, wenn diese Triebwerke eine
höhere Schubkraft bei höheren Betriebstemperaturen entwickeln.
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Mit hochentwickelten Nickellegierungen kann das Laufrad im GP72000-Motor für lange Zeiträume bei
Temperaturen betrieben werden, die 38 °C höher sind als bei Legierungen früherer Generationen.
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Wie die Luftfahrt sauberer, ruhiger und kraftstoffeffizienter wird
Von Carroll McCormick
Nickel Magazine, Mai 2006 -- Dank Nickel können jedes Jahr etwa zwei Mrd. Personen mit
dem Flugzeug reisen und 34 Millionen Tonnen Fracht per Flugzeug transportiert werden.
Normalerweise wird Aluminium wegen seiner niedrigen Dichte mit Flugzeugen assoziiert. Die Luftfahrtindustrie ist allerdings stark abhängig von den einzigartigen Eigenschaften von Nickellegierungen, wie beispielsweise Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Korrosion in manchen Legierungen und eine nahezu bei Null liegende Ausdehnung und Kontraktion bei Temperaturänderungen von Hunderten von Graden in anderen Legierungen. Der Grund dafür liegt darin, dass Flugzeuge größer werden und Flugzeugkonstrukteure sich bemühen, Gewicht, Triebwerkgeräusch und Abgase von Flugzeugen zu verringern.
Ein Beispiel für den wichtigen Beitrag, den Nickel zur modernen Luftfahrt liefert, ist der Airbus A380, das größte bisher gebaute Passagierflugzeug. Es war ein historisches Ereignis am 27. April 2005, als ein gigantischer A380 seinen vierstündigen Jungfernflug von Toulouse (Frankreich) aus unternahm. Das Flugzeug wird von der französischen Aktiengesellschaft Airbus S.A.S. hergestellt, die zu 80 % der European Aeronautic Defense & Space Company (EADS) und zu 20 % BAE Systems gehört.
In seiner standardmäßigen Passagierausführung verfügt der A380 über 555 Sitze, wiegt beim Start 560 Tonnen und kann 15.000 km bei 85 % der Schallgeschwindigkeit (Mach 0,85) fliegen. Trotz dieser Rekordzahlen verbraucht der A380 12 % weniger Kraftstoff pro Sitz als alle anderen Passagierflugzeuge – weniger als 3 Liter pro 100 Passagierkilometer.
Heute stellen in die Höhe schießende Kraftstoffpreise die größte Gefahr für die kommerzielle Luftfahrt und den internationalen Transport im allgemeinen dar. 2005 wurden weltweit 2,08 Billionen Liter Jet-A1-Kraftstoff bei Kosten von € 120 Mrd. verbraucht. Dabei haben sich die Kosten im Vergleich zu 2003 mehr als verdoppelt.
Der Kraftstoffverbrauch lässt sich neben der Verbesserung der Flugzeugaerodynamik auf zwei Weisen verringern: leichtere Flugzeuge und effizientere Triebwerke. Da ein Flugzeug für den Transport von 100 kg etwa 3 kg Kraftstoff pro Stunde benötigt, wird durch eine Gewichtsreduzierung am meisten erreicht.
Die Konstrukteure des A380 haben das Gewicht durch den Einsatz von leichten Verbundwerkstoffen, die aus Schichten von harzimprägniertem Kohlenstofffasergewebe (dasselbe Material, das bei leichten Sportgeräten verwendet wird) hergestellt werden, auf ein Minimum reduziert. Verbundwerkstoffe tragen zu etwa 23 % des Flugzeuggewichts des A380 bei. Man findet sie beispielsweise im mittleren Tragflügelkasten (der kastenförmige Teil des Rumpfes zwischen den zwei Flügelwurzeln), im hinteren Druckschott, in den Versteifungsrippen der Flügel und am Rumpfende, an den Tragflügelhinterkanten und in den Fahrwerksklappen. Durch Teile aus Verbundwerkstoff wurden die für das Gesamtgewicht des A380 gesetzten Ziele um 25 % unterschritten.
Ein Verbundwerkstoffteil wird Schicht für Schicht in eine auf präzise Teileabmessungen gefräste From aus Nickellegierung aufgelegt. Dann wird die Form mitsamt dem Teil mit Harz (wie z. B. Epoxid) imprägniert und in einen Ofen gebracht, wo das Teil durch Erhitzen bei Temperaturen von 375 bis 425 °C ausgehärtet wird.
Diese als Invar® bezeichnete Legierung enthält 36 % Nickel und verfügt über eine bestimmte Eigenschaft, die bei der Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoff sehr wichtig ist: einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ±0. Dies bedeutet, dass das Material sich beim Erwärmen nicht ausdehnt und beim Abkühlen nicht zusammenzieht. Als Folge dieser hohen Stabilität können Verbundwerkstoffteile auf die erforderlichen Toleranzen hergestellt werden, die in Bruchteilen eines Millimeters spezifiziert sind.
Weniger Gewicht bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch und das bedeutet andererseits, dass das Flugzeug eine höhere Fracht und mehr Passagiere transportieren kann. Der Luftraum ist zwar riesig, aber die Kapazitäten sind auf vielen Flughäfen soweit ausgeschöpft, dass die Start- und Landebahnen keine weiteren Flugzeuge mehr aufnehmen können. Flugsteige sind häufig vollständig ausgelastet und manche Flughäfen haben die Zeitfenster für Starts und Landungen so sehr eingeschränkt, dass Fluglinien keine weiteren Flüge hinzufügen können. Eine Lösung für dieses überaus schwierige Problem besteht darin, mehr Passagiere in weniger Flugzeugen zu transportieren.
„Die Start- und Landebahnkapazität bestimmt letztendlich die Flughafenkapazität,“ meint Robert Hornblower, stellvertretender Direktor für Flughafenentwicklung beim Internationalen Luftfahrtverband IATA (International Air Transport Association). „Es wird erwartet, dass der A380 den Passagierdurchsatz in Flughäfen mit strengen Start- und Landebahneinschränkungen erhöht.“
Bis zum Februar 2006 waren 159 Exemplare des A380 (Passagier- und Frachtflugzeuge) bestellt worden. Emirates, eine Luftlinie mit Sitz in Dubai, hat 45 dieser Flugzeuge bestellt, die in erster Linie auf ihren Hauptstammrouten von Dubai nach New York, Europa und Australien eingesetzt werden sollen.
„Weil das A380 ein Flugzeug mit hoher Passagierkapazität ist, werden wir es auf Routen mit Zeitfensterbeschränkungen für Starts und Landungen einsetzen,“ meint ein Vertreter der Emirates-Luftlinie. „Wie es momentan aussieht, bedient Emirates viele Städte, zu denen wir noch mehr tägliche Flüge anbieten könnten; wenn dies nicht möglich ist, bietet ein A380 auf dieser Route eine höhere Passagierkapazität.“
Singapore Airlines wird als erste Fluggesellschaft den A380 einsetzen; der erste Flug ist noch für dieses Jahr geplant. Zu den europäischen Kunden zählen Air France, Lufthansa und Virgin Atlantic Airways mit insgesamt 31 Bestellungen für den A380. Schon mehr als 60 Flughäfen weltweit haben für das Flugzeug bauliche Veränderungen vorgenommen und in ein paar Jahren wird es für internationale Reisende ein gewohnter Anblick sein.
Die Entwicklung geht weiter
Nickellegierungen haben die Leistungsfähigkeit von Flugzeugtriebwerken seit den dreißiger Jahren des letzten
Jahrhunderts verbessert, als neue Legierungen entwickelt wurden, die den extremen Temperaturen und Drücken
neuer Triebwerke standhalten konnten.
Dieser Prozess setzt sich heute mit den Triebwerken fort, die für den A380 entwickelt wurden. Das von Engine Alliance entwickelte Motorenmodell GP72000 zum Beispiel verursacht weniger Schadstoffemissionen und viel weniger Lärm als andere Flugzeuge. Mit diesen Verbesserungen sollen die strengeren Lärmbeschränkungen auf europäischen Flughäfen erfüllt werden.
Nickellegierungen ermöglichen ein geringeres Triebwerkgewicht, selbst dann, wenn diese eine höhere Schubkraft bei höheren Betriebstemperaturen entwickeln. Engine Alliance verwendet hochentwickelte Nickellegierungen wie Rene 104®. „Mit dieser hochentwickelten Legierung kann das Laufrad für lange Zeiträume bei Temperaturen betrieben werden, die 38 °C höher sind als bei Legierungen früherer Generationen,“ meint Ken Bain, Leiter des Teams für Materialanwendungstechnik für den GP7200-Motor bei GE – Aviation. „Durch diese verbesserte Hochtemperaturtauglichkeit bis zu mehr als 704 °C sind erheblich effizientere Motorzyklen und eine wirtschaftlichere Kraftstoffnutzung möglich.“
Carroll McCormick ist ein in Montreal ansässiger freier Mitarbeiter.
FOTOS:
Mary Anne Greczyn |
