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Kraftwerke für die Flugzeughülle

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Das Energie-Harvester-Modul
Schmid, Salomon, TU Wien

Ein Flugzeug regelmäßig rundherum zu warten ist aufwändig. Viel einfacher ist es, wenn das Flugzeug von sich aus meldet, wo Wartung nötig ist. Eine denkbar gute Lösung ist ein Sensor-System, das sich dabei auch noch selbst mit Strom versorgt und somit von Kabeln unabhängig ist – und genau das wurde nun von der EADS Deutschland GmbH in Kooperation mit dem Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien entwickelt.

Für jeden einzelnen Sensor erzeugt ein thermoelektrischer Generator mit einem kleinen wärmespeichernden Wasserbehälter Strom – und zwar einfach aus dem Temperaturunterschied zwischen der bodennahen Luft und der eisigen Kälte in großer Flughöhe. Die neue Sensortechnik könnte nicht nur die Wartung vereinfachen, sondern auch den Flugkomfort für die Passagiere steigern.

Energieversorgung mit dem „Energie-Harvester-Modul“

Schon kleinere Kollisionen können leicht Schäden in der Flugzeugwand hervorrufen. Bei herkömmlichen Aluminiumflugzeugen entsteht eine Delle, und der Schaden ist sofort sichtbar. Bei modernen Kohlefasermaterialien ist das schwieriger. Feine, unsichtbare Risse können sich bilden, deren Erkennung in der Wartung aufwendig und kostenintensiv ist. Mit geeigneten Sensoren direkt an der Flugzeugwand ließe sich das aber gut überwachen. „Ein Problem bei den Sensoren ist die Energieversorgung: Hunderte Sensoren an der Flugzeugwand zu verkabeln ist kompliziert und teuer“, erklärt Professor Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Aus diesem Grund entwickelte er gemeinsam mit Dominik Samson und Professor Thomas Becker von der EADS Deutschland GmbH die Idee des „thermoelektrischen Energieharvesters“ als zentrales Herzstück und Energiequelle, um weder auf Kabel noch auf Batterien angewiesen zu sein.

Temperaturunterschiede liefern elektrischen Strom

Wenn ein Flugzeug in eine Höhe von tausenden Metern aufsteigt, kühlt die Außenwand ab. „Aus dem Temperaturunterschied zwischen innen und außen können wir mit einem thermoelektrischen Generator direkt die elektrische Energie gewinnen, die ein Sensorelement benötigt“, erklärt Dominik Samson. Im Energie-Harvester-Modul befindet sich ein Wasserreservoir, das die Bodenwärme eine Weile speichert. Wasser ist dafür besonders gut geeignet, weil es eine hohe Energiemenge in Form von Wärme aufnehmen kann. Der Innenbereich des Moduls mit dem Wasserreservoir steht über den thermoelektrischen Generator in Kontakt mit der kalten Außenhaut. Das somit am Generator erzeugte Temperaturgefälle wird dort direkt zur Erzeugung einer elektrischen Spannung genutzt. Bei der Landung ist es genau umgekehrt: Das Flugzeug wärmt sich an der bodennahen Luft wieder auf, innen ist das Modul noch kalt – und wieder kann Strom erzeugt werden.

Wenn gerade keine Thermospannung entsteht, etwa unmittelbar beim Start und bei der Landung, regelt eine ausgeklügelte Elektronik die Speicherung und Abgabe der elektrischen Energie. Sowohl Elektronik als auch Komponenten für die Stromerzeugung und Energiespeicher haben nur einen geringen Platzbedarf: Sie passen bequem auf eine Handfläche und können somit problemlos in die Flugzeughülle eingebaut werden. Die genaue Größe lässt sich je nach Anwendung und Energiebedarf anpassen.

Ohne Kabel, ohne Batterie

Die gemessenen Daten kann der Sensor per Funk weitergeben – das macht ihn vollständig unabhängig von Verkabelung. Durch den Verzicht auf Kabel spart man nicht nur Wartungszeit, man minimiert auch Fehlerquellen und reduziert das Gewicht des Flugzeuges. Bei einem Flug kann der Energie-Harvester eine elektrische Energie von acht bis zehn Milliwattstunden bereitstellen, was für einen drahtlosen Sensorknoten völlig ausreicht. „Ein Flugzeug hat eine Lebensdauer von etwa dreißig Jahren. Würde man die Sensoren mit Batterien betreiben, bräuchte man für jeden von ihnen in dieser Zeit insgesamt etwa hundert Batterien“, rechnet Dominik Samson vor. Das würde bei einer großen Anzahl von Sensoren nicht nur Wartungsaufwand, sondern auch eine unnötig große Menge an Müll verursachen.

Die Idee, durch Temperaturunterschiede am Flugzeug Strom zu erzeugen, ließe sich auch noch auf andere Bereiche ausweiten: Sensoren könnten überwachen, ob die Passagiere angeschnallt oder die Tische hochgeklappt sind, oder per Funk könnte durch Knopfdruck der Flugbegleiter gerufen werden – und das alles ohne teure und komplizierte Verkabelung, betrieben nur aus der Körperwärme der Passagiere selbst. „Der erste, wichtige Schritt zur Bereitstellung von ausreichend Energie ist getan - wir sind zuversichtlich, dass die kabellose Sensortechnologie bald in vielen Flugzeugen mitfliegen wird“, meint Ulrich Schmid.

Dr. Florian Aigner | Quelle: Technische Universität Wien
Weitere Informationen: www.tuwien.ac.at

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