Das Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) der Ostschweizer Fachhochschule arbeitet an der Entwicklung struktureller Wasserstofftanks für künftige, mit Brennstoffzellen betriebene Drohnen und Flugzeuge. Das Projekt ist Teil des „Green-Raven“-Progamms der Königlichen Technische Hochschule (KTH) in Stockholm, in dem eine Plattform zur Weiterentwicklung und Validierung neuartiger Antriebskonzepte für die Luftfahrt entwickelt wird.
In der Zeitschrift KunststoffXtra berichten Prof. Dr. Gion A. Barandun und Urs Zimmermann vom Fachbereich Faserverbundtechnik/Leichtbau des IWK, dass sich zylindrische Wasserstofftanks, die zugleich als Strukturbauteile eingesetzt werden, als beste Lösung herausgestellt haben.
Für das Speichern des notwendigen Wasserstoffs gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: Man kühlt das Gas auf -253° C, um es zu verflüssigen oder man setzt es unter hohen Druck, um dessen Dichte zu erhöhen und es so transportfähig zu machen. Für große Systeme, die den Wasserstoff schnell verbrauchen, wie beispielsweise Raketenantriebe, wird der Wasserstoff gekühlt. Bei kleinen Systemen wie Drohnen, die den Treibstoff über längere Zeit lagern müssen, setzt man eher auf Drucktanks, da hier die Isolation wegfällt und die Lagerung nicht zeitkritisch ist.
Ein Drucktank, der rund 160 bar standhalten kann (Auslegungsdruck mit Sicherheitsfaktor: 420 bar), bringt aber selbst ein gewisses Gewicht mit, das bei der Berechnung der Struktur berücksichtigt werden muss. Um dieses Mehrgewicht zu reduzieren, ist ein Lösungsansatz, die ohnehin robuste Tankstruktur als Strukturbauteil zu nutzen. So wurde durch die KTH ein Integraltank angestrebt – die notwendige Konzeptentwicklung wurde zusammen mit dem IWK durchgeführt. Dabei wurden ergebnissoffen verschiedene Tankstrukturen- und Formen untersucht, wobei erwartungsgemäß die zylindrischen Tankformen die besten Ergebnisse lieferten. Zum Optimieren unter Berücksichtigung des Versagensverhaltens wurden verschiedene Lagenaufbauten und Faserausrichtungen erprobt und simuliert.
Die beste Lösung bestand aus sechs langen, zylindrischen Flügeltanks, die neben der Lagerung des Treibstoffs auch Lasten, ähnlich eines Holms aufnehmen. Dabei kann der eigentliche Holm weggelassen werden, was Gewicht spart. Außerdem ist die zentrale Rumpfpartie (wo bei konventionellen Bauweisen der Drucktank platziert würde) frei für andere Systeme. Für den Transport sind die Flügel abnehmbar, was Zugang zu den Tanks und deren Austausch, Wartung und Kontrolle ermöglicht. Durch das größere Volumen (+ 90 Prozent im Vergleich zur ursprünglichen Lösung), das so zur Verfügung steht, erreicht der Druck nicht mehr 300 bar, sondern konnte auf 160 bar reduziert werden.
Bei nachfolgenden Experimenten wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment festgestellt. Als nächste Schritte sind skalierte Modelle geplant. Während die Ein-Meter-Version bereits fliegt, finden weitere Untersuchungen im Windkanal statt. Parallel dazu ist eine Zwei-Meter-Version in Vorbereitung, um Ende 2021 die große Drohne zu realisieren.
Bild oben: Die Ein-Meter-Version der Brennstoffzellen-Drohne Green Raven fliegt bereits. (Quelle: Königlich Technische Hochschule, Stockholm)
Quelle und weitere Infos: KunststoffXtra
Comments are closed, but trackbacks and pingbacks are open.