Fliegen gilt als umweltschädlich. Der massive Ausstoß von Abgasen stellt die Luftfahrtbranche vor Schwierigkeiten. Ingenieur*innen arbeiten deswegen an Prototypen von Kleinflugzeugen, die ihre Energie nicht mehr durch das Verbrennen von Kerosin gewinnen, sondern aus Wasserstoff, der mithilfe von Brennstoffzellen in Strom umgewandelt wird.
Die vielversprechende Technologie erzeugt keine schädlichen Abgase, jedoch sind die Kosten noch hoch. Dazu kommen das große Gewicht und die herausfordernde Kühlung.
Innovativer Kühlansatz für Brennstoffzellen im Flugzeugdesign
Wie sich die Wärme der Brennstoffzelle optimal abführen lässt, hat Hannes Bremer in seiner Masterarbeit im Studiengang Maschinenbau – Konstruktionstechnik an der Berliner Hochschule für Technik (BHT) erforscht. Für die herausragende Leistung erhielt er den zweiten Preis der renommierten Tiburtius-Auszeichnung.
„Die Arbeit von Herrn Bremer fasziniert durch die Vielschichtigkeit des Ansatzes“, sagt Prof. Dr. Anja Paschedag, die die Abschlussarbeit am Fachbereich VIII betreute.
Im Flugzeugdesign bringt die Kühlung der Brennstoffzelle Schwierigkeiten mit sich. Bremer erklärt:
„Die Zelle arbeitet bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 80 bis 90 Grad Celsius, wobei sehr viel Abwärme entsteht, die wegen des geringen Temperaturunterschieds nur langsam abgeführt wird. Das Dilemma: Das nötige Kühlsystem verursacht zusätzlichen Luftwiderstand, der die Geschwindigkeit des Flugzeugs drosselt.“
In seiner Masterarbeit, entstanden in Kooperation mit dem Luftfahrtunternehmen Apus Zero Emission GmbH, konzentrierte sich Hannes Bremer auf die Nutzung eines Kühlkanals:
Luft strömt über einen Einlass in den Kanal, dessen Querschnitt sich vergrößert (Diffusor), was die Luft staut und den Luftwiderstand erhöht.
Im sogenannten Wärmetauscher geht die Wärme auf die kalte Luft über, die anschließend durch einen verengten Auslass beschleunigt den Kanal verlässt, was den zuvor verursachten Luftwiderstand teilweise ausgleicht.
Schnelle Ergebnisse, geringer Rechenaufwand
Hannes Bremer entwickelte eine Software, die den Luftstrom im Kanal, die übertragene Wärme und den Luftwiderstand kalkuliert. So ist es möglich, verschiedene Varianten für Einlass, Auslass sowie Diffusor und Wärmetauscher zu simulieren – und damit die optimale Form finden, die möglichst viel Wärme bei möglichst wenig Luftwiderstand abführt.
Die Software liefert schnelle Ergebnisse bei geringem Rechenaufwand. Um sicherzustellen, dass die Berechnungen seines Programms korrekt sind, erstellte Bremer außerdem eine präzise CFD-Computersimulation (Computational Fluid Dynamics), die die Ergebnisse mit nur geringen Abweichungen bestätigte.
Hannes Bremer, Masterarbeit „Parameterstudie eines Kühlkanals für widerstandsarme Luftführung bei Flugzeugen mit Brennstoffzelle“, Studiengang Maschinenbau – Konstruktionstechnik, 2024