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Etwa 2 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid stoßen die ca. 926.000 Passagierflugzeuge im deutschen Luftraum aus. Der Schlüssel zur Senkung der Emissionswerte liegt in der Energieeffizienz: Je weniger Kraftstoff benötigt wird, desto geringer der CO2-Ausstoß. Um den Kraftstoffbedarf zu senken, setzen immer mehr Flugzeugbauer auf Leichtbaumaterialien für ein geringeres Flugzeuggewicht. Die eingesetzten Kohlefaser-Verbundwerkstoffe stellen jedoch auch besondere Anforderungen an Verarbeitung, Qualitätskontrolle und Inspektion. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Spitzenclusters „Cool Silicon“ haben die Projektpartner von „Cool Maintenance“ Sensoren entwickelt, die Leichtbaustrukturen in Verkehrsflugzeugen zuverlässig überwachen sollen.

Energieeffiziente Materialüberwachung in Leichtbaustrukturen
„Die Cool Silicon-Technologie wird in die Leichtbauteile einlaminiert und überwacht aus dem Material heraus die Strukturen. Durch die kontinuierliche Beobachtung können Materialermüdung oder drohende bzw. fortschreitende Materialschädigungen rasch erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden“, erklärt Dr. Dieter Hentschel, Geschäftsfeldleiter für Elektronik, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie des Fraunhofer Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Gemeinsam mit dem Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik an der Technischen Universität Dresden (IAVT),  IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH Dresden, Airbus Deutschland, Airbus Group Innovations, der Cicor Microelectronics – Rhe Microsystems GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS haben die Forscher die Technologien für die Überwachung von Verkehrsflugzeugen weiterentwickelt. „Im Projekt ‚Cool Maintenance’ haben wir untersucht, wie die im Vorgängerprojekt ‚Cool SensorNet’ hergestellten Prototypen am besten für die Optimierung des Wartungsprozesses  an Verkehrsflugzeugen verwendet werden können“, so Dr. Hentschel weiter.

Autarke Energieversorgung über Energy Harvesting
Eine der wichtigsten Aufgaben: die Energieversorgung der Sensorknoten. „Die integrierten Bauteile sind elektrisch – und sie benötigen Energie, um ihre Aufgaben erfüllen zu können“, so Dr. Hentschel. Dieser Herausforderung stellte sich das Fraunhofer IKTS. In enger Zusammenarbeit mit dem IAVT, Fraunhofer ENAS und den Mikroelektronikexperten von Cicor Microelectronics haben sie ein Energiewandlungssystem entwickelt, das den Sensorknoten versorgt. „Wir nutzen eine Möglichkeit des Energy Harvesting - die Sensoren beziehen die für ihre Arbeit benötigte Energie aus den natürlichen Schwingungen der Bauteile, die sie überwachen“, erklärt der Projektleiter weiter. Damit sind die Bauteile unabhängig von externen Energiequellen.

Intelligente Mikroelektronik für zuverlässige Schadensdetektion
Die elektronischen Schaltungen für die Sensorik wurden vom Fraunhofer IKTS-MD in Dresden entworfen und von Cicor Microelectronics mit technologisch ausgereiftem Aufbau und entsprechender Verbindungstechnik als Prototyp umgesetzt. „Die eingesetzten Komponenten sind während eines Fluges extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Die Cool Silicon-Projektpartner mussten sicherstellen, dass die Hardware beispielsweise Temperaturen zwischen -65 und 85 Grad Celsius schadlos übersteht“, erklärt Dr. Hentschel. Diese und weitere Anforderungen wurden von den Luftfahrtexperten von Airbus und  Airbus Group Innovations definiert und von Cicor Microelectronics umfassend getestet. „Außerdem kam es vor allem darauf an, zu prüfen, ob die angewendeten Algorithmen in den Sensoren Materialfehler auch wirklich erkennen – und ab welchem Umfang dies der Fall ist.“ Die Ingenieure der IMA Dresden haben an einem eigens entwickelten Prüfstand die Belastungen eines Flugzeugrumpfes simuliert. An diesem wurde die Fehlerdetektion mit den Cool Silicon-Sensoren durch die Wissenschaftler vom Fraunhofer IKTS erfolgreich nachgewiesen.

„Unsere Bauteile sind auf die durchschnittliche Einsatzdauer von Flugzeugen, also etwa 20 Jahre, ausgelegt. Mit unserer Technologie können Ingenieure die Potentiale der Leichtbaumaterialien für die Luftfahrt ausschöpfen – ohne Sorge um die Strukturzuverlässigkeit. Damit leisten wir mit unserem Cool Silicon-Projekt einen wichtigen Beitrag zu leichteren Flugzeugen, die langfristig signifikant weniger Energie, also Kerosin, benötigen“, so Dr. Hentschel abschließend.