Das Forschungsprojekt entstand in enger Zusammenarbeit mit dem Triebwerkspezialisten Rolls-Royce. Für seine wissenschaftliche Leistung erhält Dr. Dan Roth-Fagaraseanu den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.
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In den Brennkammern moderner Flugzeugtriebwerke entstehen bei der Verbrennung Temperaturen von über 2000 Kelvin. Das liegt mehrere hundert Grad über den Schmelztemperaturen der verwendeten Materialien, weshalb die Komponenten intern und extern gekühlt und mit speziellen Wärmedämmschichten versehen werden müssen. Nach der Landung kühlen die Triebwerke schnell wieder ab. Der ständige Wechsel von Erhitzen und Abkühlen stellt eine enorme Belastung für die Bauteile in den Triebwerken dar. Diese müssen deshalb regelmäßig überprüft und gewartet werden. In jahrelanger Forschungsarbeit haben Prof. Frank Brückner und Mirko Riede vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Mikrostrukturen entwickelt, mit denen sich die Lebensdauer der Wärmedämmschichten verlängern lässt und die dazu beitragen, dass Kerosinverbrauch sowie Schadstoffausstoß beträchtlich sinken. Das Forschungsprojekt wurde in enger Zusammenarbeit mit dem renommierten Triebwerkhersteller Rolls-Royce durchgeführt.
Im Kern basiert die entwickelte Technologie auf filigranen, additiv gefertigten Mikrostrukturen. Diese werden zum Aufbau innovativer Wärmedämmschichten an den Turbinenbauteilen genutzt und sorgen dafür, dass in den sogenannten TBCs (Thermal Barrier Coatings) eine metallische, oxidationsbeständige Haftvermittlerschicht sowie eine keramische Dämmschicht miteinander verklammert werden. Die Fraunhofer-Forscher haben dabei ein weiteres Problem gelöst, das beim schnellen Ausdehnen und Zusammenziehen der Bauteile auftritt, wodurch mechanische Spannungen in der Dämmschicht entstehen. Ursache hierfür sind die unterschiedlichen Ausdehnungsgrade der Materialien. Das könnte zu horizontalen Rissen in der keramischen Schicht führen, die in der Folge abplatzen können. Die Mikrostruktur initiiere gezielt vertikale Segmentierungsrisse in der Keramikschicht. Diese vermindern Zugspannungen im Material und verhindern so das Entstehen horizontaler Risse.
Kerosinverbrauch sinkt um 10 Prozent
Durch die neue Technologie könne die Effizienz der Strahltriebwerke weiter verbessert und die Verbrennungstemperatur erhöht werden. Die daraus resultierende effizientere Verbrennung senke den Treibstoffverbrauch um zehn Prozent und reduziere die Treibhausgasemissionen. In Verbindung mit weiteren Maßnahmen ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen pro Jahr und Flugzeug in Höhe von rund 2,9 Millionen Dollar. Den Fraunhofer-Forschern und den Ingenieuren von Rolls-Royce ist es gelungen, die Forschungsarbeit in eine serienreife Fertigung zu überführen, die den strengen Sicherheitsstandards der Luftfahrtbranche genügt. Nach ersten erfolgreichen Testflügen der Triebwerke mit Fraunhofer-Technologie im November 2015 erfolgte die offizielle Luftfahrtzulassung der European Aviation Safety Agency (EASA). Seit Februar 2018 sind die Triebwerke in Langstreckenflugzeugen für den Airbus A350-1000 im Einsatz.