Ausgangspunkt / Motivation

Um das Ziel der Netto-Null-Emissionen bis 2050 zu erreichen, ist der Einsatz von flüssigem Wasserstoff (LH2) in der Luftfahrt essenziell. LH2 bietet eine deutlich höhere volumetrische Massendichte als gasförmiger Wasserstoff, was längere Flugzeiten ermöglicht.

Bisherige Systeme sind jedoch oft ineffizient bei der Vergasung des tiefkalten Treibstoffs. Zudem bergen kryogene Temperaturen erhebliche Sicherheitsrisiken, wie etwa die Vereisung von Komponenten durch kondensierenden Wasserdampf aus der Umgebungsluft.

Es besteht daher ein dringender Bedarf an sicheren, effizienten Niederdruck-Treibstoffsystemen und validierten Testumgebungen, um diese technologischen Hürden für die nachhaltige Luftfahrt zu überwinden.

Ziele

• Entwicklung und Integration von Niederdruck-LH2-Treibstofftechnologien zur Steigerung der Systemeffizienz um bis zu 10 %
• Aufbau eines kostengünstigen, anpassungsfähigen LN2-Forschungsprüfstands („Iron Bird") zur Erprobung von Systemarchitekturen unter variablen Bedingungen
• Vermeidung von Sicherheitsrisiken durch Eisblockaden und Optimierung der Drosselklappenreaktion mittels spezieller Booster-Pumpen
• Vernetzung mit Industriepartnern zur Etablierung eines österreichischen LH2-Produktions- und Testzentrums

Inhalt

IRON LIQORNE nutzt flüssigen Wasserstoff sowohl als hochenergetischen Treibstoff als auch als Kühlmittel. Das System hält den Wasserstoff innerhalb der Flugzeugsysteme bis kurz vor der Einspritzung flüssig, was das Systemvolumen reduziert. Ein innovativer Forschungsansatz ist eine 3D-gedruckte Brennkammer mit integrierten Kanälen, die eine effiziente LH2-Verdampfung ermöglichen und gleichzeitig den Motor kühlen.

Zur Erhöhung der Sicherheit werden Booster-Pumpen und Verteilerventile für eine schnelle Schubregelung untersucht. Das Projekt adressiert zudem das Problem der atmosphärischen Vereisung an kryogenen Leitungen, um Eisblockaden in sicherheitskritischen Boil-off-Leitungen zu verhindern und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Methodik/Vorgehensweise

Die Methodik kombiniert physikalische Experimente mit komplexen numerischen Simulationen. Es wird ein LN2-Prüfstand als Demonstrator genutzt, wobei spezifische Kennzahlen entwickelt werden, um Testergebnisse auf LH2-Systeme übertragbar zu machen.

Parallel dazu kommen Mehrphasen-CFD-Simulationen zum Einsatz, um Kondensationsraten und Phasenwechsel innerhalb der Tankkomponenten zu validieren. Das Konsortium nutzt zudem parametrisierte Matlab-Simscape-Modelle mit Realgasdaten, um das Systemverhalten für verschiedene Flugzeugprofile und Missionen virtuell abzubilden.

Ein wesentlicher Teil der Vorgehensweise ist die enge Kooperation mit Behörden und der Industrie, um die Forschungsergebnisse direkt in die Ausbildung von Studenten und die industrielle Praxis zu überführen.

Erwartete Ergebnisse

• Validierung eines hocheffizienten LH2-Verdampfungsprozesses mittels 3D-gedruckter Komponenten
• Funktionsfähiger LN2-Forschungsprüfstand zur flexiblen Untersuchung kryogener Systemarchitekturen
• Fortgeschrittene Simulationsmodelle zur präzisen Vorhersage von Vereisungseffekten und Kondensationsraten

Projektkoordination

FH JOANNEUM

Projektpartner:innen

• Combustion Bay One
• Österreichisches Institut für Vereisungswissenschaften in der Luftfahrt (AIIS)

FH JOANNEUM Graz
Alte Poststraße 149
A-8020 Graz
Tel.: +43 (316) 5453 – 0