Sicheres und effizientes Betanken bei minus 253°C: Komplexe Simulationen für die Wasserstoffnutzung in der Luftfahrt

Gemeinsam mit den Spezialisten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet TECHNIA an der emissionsarmen Zukunft der Luftfahrt.

Auch wenn die konkrete Anwendung im großen Stil noch Zukunftsmusik ist – Wasserstoff gilt als vielversprechender Energieträger für die künftige klimafreundliche Luftfahrt. Während nachhaltig erzeugtes Kerosin aus Biomasse in begrenzten Mengen verfügbar ist, steckt die großtechnische Produktion von Kerosin aus erneuerbarem Strom noch in den in frühen Projektphasen. Herausfordernd und kostenintensiv ist hier die direkte Entnahme von CO2 aus der Luft. Flüssiger Wasserstoff bietet dagegen entscheidende Vorteile: Er besitzt einen sehr hohen Energiegehalt bezogen auf seine Masse und ist deutlich leichter als herkömmliche Flugkraftstoffe. Allerdings benötigt er wesentlich mehr Volumen und stellt Ingenieurinnen und Ingenieure vor enorme technische Herausforderungen.

Es beginnt beim Betanken. Denn damit Wasserstoff flüssig bleibt, muss er auf rund minus 253 Grad Celsius gekühlt werden. Bei dieser Temperatur geht das Gas in den flüssigen Zustand über und wird als „Liquid Hydrogen“ bezeichnet. Kommt diese extreme Kälte mit den Tankstrukturen in Berührung, ziehen sich die Materialien zusammen. Dabei entstehen Spannungen, die die Tragfähigkeit der Struktur beeinflussen können. Gerade in der Luftfahrt, wo Sicherheit oberste Priorität hat und sämtliche Bauteile bis ins Detail berechnet und getestet werden müssen, ist ein tiefes Verständnis dieser Vorgänge unverzichtbar.

Es geht um optimale Befüllstrategien

Hier setzt ein gemeinsames Forschungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der TOPAS GmbH und des Simulationsspezialisten TECHNIA an, das Ende des vergangenen Jahres gestartet wurde. Ziel ist es, in den kommenden Monaten sichere und zugleich effiziente Befüllstrategien für spezielle Wasserstofftanks zu entwickeln. Mithilfe hochkomplexer Simulationen untersuchen die Projektpartner, wie sich unterschiedliche Befüllvorgänge auf die Tankstruktur auswirken.

„Die zentrale Frage lautet: Wie können wir einen Tank möglichst schnell befüllen und gleichzeitig die höchstmögliche Sicherheit gewährleisten?“, erklärt Christopher Rickert vom DLR. „Während des Befüllvorgangs entstehen starke Temperaturunterschiede innerhalb der Struktur. Diese führen zu Materialspannungen, die wir genau verstehen und beherrschen müssen.“

Bild: Simulierter Wärmefluss im CFK-Innentank

Im Fokus der Untersuchungen des „VPH-Tank-Projekts“ stehen sogenannte Composite-Tanks. Anders als klassische Metallbehälter bestehen sie aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Für die Luftfahrt ist das ein entscheidender Vorteil, denn Stahltanks mit vakuumisolierter Doppelwand– die am Boden für die Wasserstoff-Lagerung verwendet werden –, sind aufgrund ihres Gewichts kaum praktikabel. Die Verbundwerkstoffe bringen jedoch zusätzliche Komplexität mit sich. Durch die unterschiedlich gerichteten Faserlagen ergeben sich lagenweise verschiedene Materialbelastungen, die durch die Kombination aus niedriger Temperatur und Temperaturunterschieden hervorgerufen werden.

Detaillierte Auswertung riesiger Datenmengen

„Die Materialien verhalten sich in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich“, erläutert Rickerts Kollege Sebastian Freund. „Wenn der Tank durch den flüssigen Wasserstoff abgekühlt wird, können in einzelnen Schichten verschieden starke innere Spannungen herrschen und so zu verformen führen. Um die Auswirkungen auf die Gesamtstruktur vorherzusagen, sind sehr detaillierte Berechnungen und die Auswertung riesiger Datenmengen notwendig.“

Die dafür erforderlichen Simulationen gehören zu den anspruchsvollsten Aufgaben. Zahlreiche physikalische Prozesse greifen ineinander: Strömungsvorgänge während der Betankung, Wärmeübertragung, Materialverhalten und strukturelle Belastungen müssen gleichzeitig berücksichtigt werden. Auch die Frage, was sich bei unterschiedlichem Füllstand im Tank tut, muss beantworten werden. Und weil Flugzeuge in nahezu allen Regionen der Erde starten und landen, müssen auch die jeweiligen klimatischen Bedingungen berücksichtigt werden – von starker Hitze in Kairo bis extremer Kälte in Anchorage, um nur zwei Beispiele zu nennen. Zwar existieren für viele dieser Bereiche bereits etablierte Modelle, bislang wurden sie jedoch nicht in dieser Form miteinander verknüpft.

Ziel: Schließen einer Simulationslücke

„Wir haben eine Simulationslücke erkannt, die wir mit diesem Projekt schließen wollen“, sagt Rickert. „Bisher wurden die einzelnen Aspekte oft getrennt betrachtet. Für die Entwicklung sicherer Wasserstoffsysteme müssen diese Modelle jedoch miteinander kommunizieren und ihre Ergebnisse austauschen.“ Die Aufgabe von TECHNIA besteht darin, genau diese Verbindung herzustellen. Das Unternehmen entwickelt die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Simulationswerkzeugen und integriert sie in eine durchgängige Simulationskette innerhalb der 3DEXPERIENCE Plattform von Dassault Systèmes.

Bild: Optimierungs- und Simulationsschleife in 3DEXPERIENCE Process Composer

„Wir verbinden drei unterschiedliche Modelle miteinander und führen sie in einer Optimierungsschleife zusammen“, erklärt Thomas Beising von TECHNIA. „Dadurch können wir verschiedene Befüllstrategien automatisch bewerten und die Parameter gezielt optimieren.“ Dabei untersuchen die Forschenden unter anderem die Geschwindigkeit des Befüllvorgangs, den Massenstrom des Wasserstoffs sowie zeitliche Abläufe während der Betankung. Ziel ist es, jene Kombination zu finden, die den Tank möglichst schonend belastet, ohne die Betankungsdauer unnötig zu verlängern. Es geht also um die optimale Kombination von Effizienz und Sicherheit.

Die Ergebnisse sollen künftig dazu beitragen, die Lebensdauer der Tanks zu erhöhen und gleichzeitig Sicherheitsreserven weiter auszubauen. Darüber hinaus könnten die entwickelten Methoden auch bei der Zulassung künftiger Wasserstoffflugzeuge eine wichtige Rolle spielen. Denn jede konstruktive Entscheidung muss gegenüber Behörden und Herstellern nachvollziehbar belegt werden.

Verwendung auch in der Raumfahrt denkbar

Für die Beteiligten ist das Vorhaben ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Wasserstoff-Luftfahrt. „Es gab bislang keine Referenz für eine derartige durchgängige Simulation des Befüllvorgangs“, betont Beising. „Genau deshalb ist dieses Projekt so spannend. Wir schaffen die Grundlage dafür, kritische Prozesse bereits virtuell zu analysieren und zu optimieren, bevor später reale Tests stattfinden.“

Grundsätzlich gilt: Mit jedem Fortschritt bei der sicheren Handhabung von flüssigem Wasserstoff rückt die Vision emissionsärmerer Flugzeuge ein Stück näher. Und damit nicht genug: „Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Raumfahrt“, erklärt Sebastian Freund. Für die Oberstufe von Europas Trägerrakete Ariane werde ebenfalls an CFK-Tanks für Wasserstoff gearbeitet.