Treibstoff zerstäubt sehr komplex. Um mehr darüber zu erfahren nutzen Forscher Methoden der Astrophysiker. Diese können Explosionen ganzer Galaxien berechnen. Ziel der Untersuchung ist der Erkenntnisgewinn über Verbrennungen in Flugzeugtriebwerken und wie sich die Effizienz steigern lässt. Vor allem geht es bei dem aktuellen Projekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) um die Reduktion des Treibstoffverbrauchs von Verkehrsflugzeugen.
Moderne Maschinen kommen schon heute mit weniger als drei Litern Treibstoff pro 100 Kilometer und Passagier aus. Diesen Wert noch weiter zu verbessern, daran arbeiten Wissenschaftler am KIT im University Technology Centre von Rolls-Royce. Zudem wollen die Ingenieure den Verbrennungsprozess so optimieren, dass deutlich weniger Abgase entstehen. Dafür nutzen sie Superrechner und Simulationsmethoden, die unter anderem auch bei Tsunami-Berechnungen oder für Wasser-Effekte in Computerspielen eingesetzt werden.
Um beim Fliegen weniger Schadstoffe wie Ruß oder Stickoxide zu produzieren, reiche es nicht, den Verbrauch zu reduzieren, sagt Rainer Koch, Abteilungsleiter Brennkammerentwicklung am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) des KIT. Vielmehr sei es dafür notwendig, die Verbrennung selbst zu verbessern. Für das Ziel, Umweltfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Flugtriebwerken immer weiter zu steigern, kooperieren die Forscher innerhalb eines sogenannten University Technology Centres (UTC) seit mittlerweile zehn Jahren mit dem Triebwerkhersteller.
Beim Flugzeug ist alles noch viel komplizierter als im Verbrennungsmotor eines Autos. Entsprechend teuer und komplex sind experimentelle Untersuchungen von Kraftstoffeinspritzung, Schadstoffbildung und Vermeidung. Koch und sein Team haben nun einen virtuellen Düsenprüfstand entwickelt, mit dem sich mittels numerischer Verfahren die Schadstoffbildung in der Brennkammer vorhersagen lässt. Smoothed Particle Hydrodynamics heißt die Methode, mit der die Ingenieure Größe, Form, Flugbahn und Dynamik von Abermillionen winzigster Kerosintröpfchen berechnen – und visualisieren. Ursprünglich diente diese Methode Astrophysikern dazu, Explosionen ganzer Galaxien zu berechnen. Später kamen die Simulation von Tsunamis und visuelle Effekte in Filmen und Videospielen hinzu. "Wir haben dann gesagt, das machen wir jetzt für die Kraftstoffzerstäubung", berichtet Koch.
Und dabei überschlagen sich die Superlative: Zunächst füttere man den Supercomputer mit den technischen Daten der Einspritzdüse, erklärt Thilo Dauch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ITS. Diese wird dafür zunächst am Computer in kleinste Bereiche aufgeteilt, Volumenelemente genannt. 1,2 Milliarden dieser Volumenelemente nehme man dabei in den Blick. Zum Vergleich: In Industrie und Forschung sind sonst eine Million bis 100 Millionen üblich. Ebenso beeindruckend ist auch die Datenmenge: 60 Terabyte Daten generiert das Programm aus einem Testlauf. Nach etwa einem Monat liegt das Ergebnis vor. "Mit einem herkömmlichen PC bräuchten sie dafür 72 Jahre", so Dauch. Der Aufwand soll sich lohnen: "Ein Triebwerk kostet zwischen 5 und 20 Millionen Euro. Ein Tag auf dem Triebwerksprüfstand kostet mehrere 10 000 Euro. Die Einspritzdüse sei aufgrund der Erkenntnisse bereits verbessert worden, frohlocken die Forscher.
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Quelle: GLP mid