Innovative Wärmemanagementsysteme für die Luftfahrt der Zukunft

Mit modernen Kühlstrategien, Künstlicher Intelligenz und 3D-gedruckten Komponenten entwickeln sie Lösungen für die Luftfahrt von morgen: Akilan Mathiazhagan, Karunakar Reddy Konda und George Vegini sind Doktoranden am Lehrstuhl Flug-Triebwerksdesign der BTU und durch ihre Arbeit eng verbunden mit dem Center for Hybrid Electric Systems Cottbus (chesco). In ihrer Forschung beschäftigen sie sich mit innovativen Wärmemanagementsystemen (TMS, Thermal Management Systems) für die nächste Generation von hybridelektrischen Antrieben.

Hybridelektrische Antriebe kombinieren klassische Antriebstechnologien, wie Turbinen, mit elektrischen Komponenten. Ziel ist es, Flugzeuge leiser, sparsamer und klimafreundlicher zu machen. Dabei entsteht jedoch eine zentrale technische Herausforderung: Sowohl die elektrischen Komponenten als auch die mechanischen Teile erzeugen während des Betriebs viel Wärme. Damit die Systeme zuverlässig arbeiten, müssen sie effizient gekühlt werden – hier setzt das Wärmemanagement an.

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten steht daher, wie moderne Kühlsysteme Flugzeuge sicherer, leistungsfähiger und gleichzeitig umweltfreundlicher machen können.

Forschungsschwerpunkte

• Innovative Wärmetauscher: Wärmetauscher sind Bauteile, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen. Ein klassisches Beispiel ist der Kühler im Automobilbereich. Dort nimmt Wasser die Motorwärme auf, strömt durch feine Lamellen im Kühler und gibt diese Wärme an die vorbeiströmende Luft ab. Genau dieses Prinzip – in sehr viel komplexerer Form – wird auch bei Flugzeugantrieben genutzt, um Bauteile zuverlässig und effizient zu kühlen. Akilan Mathiazhagan arbeitet an der Optimierung und dem Design neuartiger Wärmetauscher: besonders leichten und leistungsfähigen Varianten, die durch 3D-gedruckte Strukturen wie Fachwerk- oder TPMS-Formen (Triply Periodic Minimal Surfaces, also dreifach periodischer Minimalflächen) deutlich verbessert werden. Dazu analysiert er systematisch den Aufbau, den Flüssigkeitsdurchfluss und die Schwingungsfestigkeit solcher Bauteile.

• Testinfrastruktur und Systemtests: Karunakar Reddy Konda entwickelt einen kompletten Testaufbau für Wärmemanagementsysteme, um die Leistungsfähigkeit in realitätsnahen Szenarien prüfen und bewerten zu können. George Vegini trägt durch Konstruktion und Erprobung robuster Testumgebungen dazu bei, dass die gewonnenen Erkenntnisse später auf größere Systeme übertragbar sind.

Forschung mit modernsten Methoden

• Innovative Fertigungsmethoden für effiziente Forschungsergebnisse: Um diese Konzepte umzusetzen und zu erproben, stehen den Doktoranden am chesco additive Fertigungsverfahren zur Verfügung. Um verschiedene Strukturen für das Wärmemanagementsystem aufzubauen und zu testen, werden zum Beispiel 3D-gedruckte Designstudien aus Kunstharz und PLA-Filament verwendet. PLA (Polylactid oder Polymilchsäure) ist ein Biokunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke hergestellt wird und biologisch abbaubar ist.
   
• Zweiphasige Kühlstrategien: Dabei wird Flüssigkeit gezielt zum Sieden gebracht, um besonders viel Wärme aufnehmen zu können. Solche Methoden können kompaktere und effizientere Kühlkreisläufe ermöglichen.
   
• KI-gestützte Modelle für intelligente Systemsteuerung: Mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) sollen die Systeme lernen, sich automatisch an unterschiedliche Belastungen im Flugbetrieb anzupassen.
   

Bedeutung für die Zukunft der Luftfahrt

Gemeinsam ebnen die jungen Wissenschaftler mit ihrer Arbeit den Weg zu leichteren, effizienteren und intelligent gesteuerten Kühlsystemen, die für erfolgreiches hybridelektrisches Fliegen von entscheidender Bedeutung sind. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren Luftfahrt.

Akilan Mathiazhagan, Karunakar Reddy Konda und George Vegini sind akademische Mitarbeiter am Lehrstuhl Flug-Triebwerksdesign der BTU Cottbus-Senftenberg und forschen im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Verbundprojekts ETHAN (sichere und zuverlässige elektrische und thermische Netzwerke für hybrid-elektrische Antriebssysteme) im Bereich der thermischen Netzwerkmodellierung und -optimierung.