Luft- und Raumfahrt im Wandel: Wie Lasertechnologie die Branche prägt
Die Luft- und Raumfahrtbranche befindet sich in einem tiefgreifenden
Wandel. Unternehmen stehen vor der Herausforderung, Entwicklungszyklen
drastisch zu verkürzen, nachhaltigere Technologien zu entwickeln und
gleichzeitig Kosten zu senken.
Zudem erfordern Fortschritte in der
Satellitentechnologie neue Fertigungsansätze, um kleinere, leichtere und
leistungsfähigere Systeme zu entwickeln. Während staatliche
Raumfahrtprogramme nach wie vor eine tragende Rolle spielen, treiben
private Akteure wie SpaceX, Blue Origin und Rocket Lab die
Kommerzialisierung der Raumfahrt voran und setzen neue Maßstäbe für
Effizienz und Wirtschaftlichkeit – der Wettbewerb war noch nie so groß.
Parallel dazu erfordert der Klimawandel innovative Lösungen in der
Luftfahrt. Die Einführung alternativer Antriebe, der Einsatz nachhaltiger
Werkstoffe und der Wunsch nach emissionsfreien Flugzeugen erhöhen den
Druck auf die Branche. Es ist absehbar, dass nationale und internationale
Regularien den Schadstoffausstoß künftig stärker bepreisen und strengere
Vorgaben für nachhaltiges Fliegen durchsetzen werden.
Hier kommt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ins Spiel, denn
hochmoderne Lasertechnologie kann viele dieser Herausforderungen
adressieren: Laserbasierte Fertigungs- und Messtechnologien ermöglichen
die schnelle, flexible und ressourcenschonende Herstellung komplexer
Bauteile sowie von leichteren und leistungsfähigeren Komponenten. Mit
Verfahren wie dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Laser Material
Deposition (LMD) können hochleistungsfähige Bauteile für Flugzeuge,
Trägersysteme und Satelliten effizient produziert oder repariert werden.
Additive Fertigung für die Luft- und Raumfahrt
Das am Fraunhofer ILT entwickelte LPBF-Basispatent für den metallischen
3D-Druck bildet die Grundlage für den heutigen Prototypenbau und die
Produktion funktionsoptimierter Bauteile in Luft- und Raumfahrt. Damit
lassen sich Entwicklungszyklen drastisch verkürzen: Der Weg vom CAD-Modell
zum Prototyp benötigt nur noch wenige Tage, was früher mehrere Monate
dauerte – bei gleichzeitiger Kostenreduzierung. Die Konstrukteure haben
mehr Designfreiheit und können unterschiedliche Varianten parallel testen.
»Überall dort, wo maßgeschneiderte, hochkomplexe Bauteile benötigt werden,
kann die Additive Fertigung ihre Vorteile in puncto Flexibilität voll
ausschöpfen«, erklärt Dr. Tim Lantzsch, Abteilungsleiter Laser Powder Bed
Fusion am Fraunhofer ILT. »In der Luft- und Raumfahrt bietet die Additive
Fertigung enorme Möglichkeiten, Bauteile zu optimieren und gleichzeitig
Gewicht und Materialeinsatz zu reduzieren.«
Ein gutes Beispiel für die Anwendung der Additiven Fertigung (AM) am
Fraunhofer ILT ist die Entwicklung von LPBF für Kupfermaterialien. Kupfer
ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ideal für Bauteile, die
extremen thermischen Belastungen standhalten müssen, wie beispielsweise
Brennkammern in Raketentriebwerken.
Das LPBF-Team am Fraunhofer ILT hat die Prozessgrenzen für
Kupferlegierungen erweitert, indem es gezielt grüne Laserstrahlung zur
Verarbeitung von GRCop42 (CuCrNb) einsetzt. Dies ermöglicht die
Herstellung von hochdichten, dünnwandigen Strukturen mit optimiertem
Wärmemanagement – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen in der
Raumfahrt, die von langlebigeren Bauteilen mit höherer Effizienz und
reduzierten Fertigungskosten profitieren.
LMD ist ein weiteres etabliertes AM-Verfahren, um Bauteile mit hoher
Präzision und optimalen Materialeigenschaften zu fertigen. Im Projekt
ENLIGHTEN (European iNitiative for Low cost, Innovative & Green High
Thrust ENgine) ermöglicht es die hochproduktive Herstellung von
Komponenten mit optimierter Topologie, reduziertem Gewicht und höchster
Belastbarkeit. »Das Besondere ist, dass wir durch die vielfältigen
Möglichkeiten der LMD-Technologie die Geschwindigkeit und
Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung neuartiger Generationen von
Raketendüsen drastisch verbessern. Das untersuchte Design verfügt
abgesehen von seinem großen Bauraum über außergewöhnlich filigrane und
dünnwandige Kühlkanäle, die mit konventionellen Fertigungsrouten nur unter
großem Aufwand realisiert werden können«, erläutert Dr. Thomas
Schopphoven, Abteilungsleiter Laserauftragschweißen am Fraunhofer ILT.
Ein weiterer Fokus liegt auf der Herstellung von Strukturbauteilen für
Flugzeuge mit hoher Festigkeit und gleichzeitig reduziertem Gewicht. LPBF
ermöglicht die Fertigung von Leichtbaukomponenten, die die Effizienz
moderner Flugzeuge steigern. Darüber hinaus trägt AM zur effizienten
Reparatur und Instandhaltung von Luft- und Raumfahrtkomponenten bei. Mit
LMD können beschädigte Bauteile gezielt erneuert werden – ein wichtiger
Schritt in Richtung schlanke Lieferketten, Nachhaltigkeit und
Kostenreduktion.
Leichtbau und Hybridmaterialien: Neue Fügetechnologien für stabile,
leichte Bauteile
Geringerer Treibstoffverbrauch, weniger Emissionen und erhöhte Nutzlasten
– die Entwicklung leichter und stabiler Strukturen ist ein zentraler
Aspekt für effizientere Flugzeuge und Raumfahrtsysteme. Hybridmaterialien,
die Kunststoffe und Metalle kombinieren, bieten eine vielversprechende
Lösung. Damit diese Werkstoffe zuverlässig verbunden werden können, hat
das Fraunhofer ILT Fügetechnologien entwickelt, die eine mechanisch
belastbare und langzeitstabile Verbindung ermöglichen, beispielsweise die
Laserstrukturierung für Kunststoff-Metall-Hybridbautei
Verfahren wird die Metalloberfläche zunächst mit einem Laser strukturiert,
um Mikroporen zu erzeugen. Diese werden anschließend mit Kunststoff
gefüllt, wodurch eine besonders starke und widerstandsfähige Verbindung
entsteht.
»Durch die präzise Laserstrukturierung können wir die Haftung zwischen
Metall und Kunststoff erheblich verbessern und damit Hybridbauteile
entwickeln, die sowohl leichter als auch mechanisch robuster sind«,
erklärt Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am
Fraunhofer ILT. So lassen sich Metall-Kunststoff-Verbindungen herstellen,
die die nötige strukturelle Festigkeit besitzen für die Anwendung in
Tragflächen, Rumpfstrukturen und Triebwerkskomponenten.
Auch Laserdurchstrahlschweißen für Faserverbundwerkstoffe ist eine
wichtige Innovation für den modernen Leichtbau. Hierbei absorbiert die
Fügezone den Laserstrahl, wodurch sich hitzebeständige Kunststoffbauteile
sicher mit Faserverbundwerkstoffen verbinden lassen. Die Methode
verbessert die mechanische Belastbarkeit und Lebensdauer dieser
Materialien und senkt gleichzeitig ihre Herstellungskosten. »Die Vorteile,
Hybridmaterialien mit Lasertechnologie zu bearbeiten, sind:
Gewichtsersparnis, höhere Festigkeit und Langlebigkeit der Verbindungen,
Kosteneinsparungen durch wartungsarme Fügeverfahren und laserbasierte
Reparaturtechniken«, fasst Olowinsky zusammen.
Zusätzlich erforscht das Laserinstitut LMD mit Aluminiumlegierungen. »Da
Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist das Schweißen
traditionell eine Herausforderung«, weiß Thomas Schopphoven. »Das
angepasste LMD-Verfahren ermöglicht hochfeste, präzise Schweißnähte, die
das Material nicht unnötig belasten. Diese Technik eignet sich
insbesondere bei gewichtssparenden Strukturelementen für Flugzeuge und
Raumfahrzeuge.« Mit diesen Entwicklungen trägt das Fraunhofer ILT dazu
bei, die Luft- und Raumfahrtindustrie effizienter, nachhaltiger und
wirtschaftlicher zu gestalten.
Lasertechnologie für die Satelliten- und Atmosphärenforschung
Die präzise Erfassung atmosphärischer Daten und die Weiterentwicklung
satellitengestützter Technologien sind essenziell für moderne
Kommunikationssysteme, Klimaforschung und die Erdbeobachtung. Lasersysteme
bieten gegenüber konventionellen Verfahren erhebliche Vorteile: Sie
ermöglichen hochauflösende, selektive Messungen spezifischer Moleküle, die
präzise Bestimmung von Luftströmungen sowie eine abhörsichere
Datenübertragung in der Quantenkommunikation. In mehreren Projekten
entwickelt das Fraunhofer ILT maßgeschneiderte Lasersysteme für den
Einsatz in Satelliten und bodengestützten Anlagen, um diesen
Herausforderungen gerecht zu werden.
LIDAR (Light Detection and Ranging)-Technologien haben sich mittlerweile
als Werkzeug zur Untersuchung atmosphärischer Prozesse bewährt. In
Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) hat
das Fraunhofer ILT in den letzten Jahren leistungsstarke LIDAR-Systeme für
Messkampagnen zur Klimaforschung entwickelt. Hierbei kommen
hochenergetische UV-Laser zum Einsatz, die tageslichtfähige Messungen von
Aerosol- und Spurengasverteilungen ermöglichen. Neben bodengestützten
Systemen erforscht das Fraunhofer ILT flugzeug- und satellitengestützte
LIDAR-Technologien, die für zukünftige Erdbeobachtungssatelliten relevant
sind. Dabei liegt der Fokus auf der Entwicklung kompakter,
leistungsfähiger Lasersysteme mit hoher Strahlqualität, minimalem
Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit.
Ein herausragendes Beispiel ist die MERLIN-Mission (Methane Remote Sensing
LIDAR Mission), eine deutsch-französische Kooperation zur globalen
Überwachung von Methanemissionen. Methan ist als Treibhausgas etwa 25-mal
klimaschädlicher als CO₂ und hat einen bedeutenden Einfluss auf den
Klimawandel. »Das Fraunhofer ILT entwickelte für die MERLIN Mission
gemeinsam mit Airbus Defence and Space einen hochstabilen Transmitter für
ein LIDAR System, das Methan in der Erdatmosphäre detektieren kann«,
erklärt Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, Abteilungsleiter Laser und
Optische Systeme am Fraunhofer ILT. »Dieses System ermöglicht es, erstmals
mit hoher räumlicher Auflösung Methanemissionen aus natürlichen und
menschengemachten Quellen zu kartieren.«
Ein herausragendes Beispiel ist die MERLIN-Mission (Methane Remote Sensing
LIDAR Mission), eine deutsch-französische Kooperation zur globalen
Überwachung von Methanemissionen. Methan ist als Treibhausgas etwa 25-mal
klimaschädlicher als CO₂ und hat einen bedeutenden Einfluss auf den
Klimawandel. »Das Fraunhofer ILT entwickelt und baut für die MERLIN
Mission gemeinsam mit der Airbus Defence and Space GmbH in Ottobrunn bei
München einen hochstabilen Transmitter für ein LIDAR-System, das Methan in
der Erdatmosphäre detektieren kann«, erklärt Dipl.-Ing. Hans-Dieter
Hoffmann, Abteilungsleiter Laser und Optische Systeme am Fraunhofer ILT.
»Dieses System ermöglicht es, erstmals mit hoher Präzision die globale
Verteilung der Methankonzentration in der unteren Erdatmosphäre und deren
natürliche und menschengemachte Quellen zu messen.«
Ein weiteres Forschungsgebiet der Gruppe nichtlineare Optiken und
abstimmbare Laser unter der Leitung von Dr. Bernd Jungbluth sind
Komponenten und Baugruppen für die Quantenkommunikation. Dazu gehören
Quellen für verschränkte Photonen, die sich für den Einsatz im Weltall
eignen. Für deren satellitentaugliche Umsetzung hat das Fraunhofer ILT die
opto-mechanische Plattform ILT OPTOMECH entwickelt.
Innovationen für die nächste Generation der Luft- und Raumfahrt
Korrosion und Materialermüdung sind generelle Herausforderungen in der
Luft- und Raumfahrt, da Bauteile extremen Bedingungen wie hohen
Temperaturen, Vibrationen und harschen Umgebungen standhalten müssen. Das
Fraunhofer ILT entwickelt laserbasierte Beschichtungstechnologien, die den
Verschleiß von Bauteilen reduzieren und ihre Lebensdauer verlängern.
Hierzu zählen insbesondere das LMD-Verfahren, wie auch
Dünnschichttechnologien. Besonders im Fokus stehen thermische Barrieren
für Triebwerke sowie hochfeste Schutzschichten für Flugzeug- und
Satellitenkomponenten.
Durch gezielte Laserbehandlung wie LMD-Beschichtung und Wärmebehandlung
können Materialeigenschaften angepasst werden, um eine höhere
Beständigkeit gegenüber Korrosion und mechanischem Verschleiß zu
gewährleisten. Dies trägt nicht nur zur Erhöhung der Sicherheit bei,
sondern senkt auch die Wartungskosten und verlängert die Einsatzdauer
kritischer Systeme.
Ein anderer Ansatz für die Weiterentwicklung von Werkstoffen und sparsamen
Konzepten in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist die weitere
Digitalisierung und ein verstärkter Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI).
Dazu gehören die automatisierte Fehlererkennung in der Fertigung, die
Optimierung laserbasierter Fügetechniken für neue Materialklassen und die
Integration von KI in die Prozessüberwachung.
Mit seinem interdisziplinären Forschungsansatz ist das Fraunhofer ILT als
größtes europäisches Forschungszentrum im Bereich Lasertechnik ein
zentraler Akteur für Innovationen in der Luft- und Raumfahrt. Die
Entwicklungen des Instituts tragen dazu bei, effizientere, nachhaltigere
und leistungsfähigere Systeme für die Zukunft zu realisieren.
