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Resilienz in der Luftfahrtindustrie – Handlungsdruck und Spielräume, © Adobe Stock/_derevianko
Triebwerk bei der Wartung. © Adobe Stock / _derevianko
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Die Corona-Pandemie hat die Luftfahrtindustrie in besonderem Maß getroffen, da einerseits notwendige Ressourcen für die Produktion fehlten und anderseits die Nachfrage signifikant zurückging. Aber auch langfristig steht der Branche ein Umbruch bevor: Die von der Europäischen Union in "Flightpath 2050" formulierten Nachhaltigkeits- und Effizienzziele der CO2-Reduktion um 75 Prozent, der NOx-Verringerung um 90 Prozent und der Verminderung von Geräuschemissionen um 65 Prozent erfordern neue, disruptive Antriebskonzepte und Flugzeugdesigns. Die Bedeutung des Antriebs, der heute bereits einen Wertanteil von bis zu 25 Prozent am gesamten Flugzeug hat, wird weiter zunehmen. Die kurzfristigen Nachfrageschwankungen und die langfristig notwendigen Änderungen im Kontext der Nachhaltigkeit führen dazu, dass die Resilienz für die Luftfahrt ein wichtiges Thema ist.

Der Klimawandel und die Energiewende prägen die zukünftige Produktion für die Luftfahrt in besonderem Maße: Erlebte die Branche seit Beginn der zivilen Luftfahrt jahrzehntelang ein stetiges Wachstum mit deutlich steigenden, weltweit zurückgelegten Passagierkilometern, musste sie seit Beginn der Corona-Pandemie durch globale Einreisebeschränkungen einen starken Einbruch verzeichnen.

So sind die weltweiten Flugpassagierkilometer im Jahr 2020 im Vergleich zum Vorjahr um 64,5 Prozent reduziert. Dies geht einher mit einem Umsatzrückgang der Luftfahrtbranche in Höhe von 137 Milliarden Euro.

Umwelt- und Klimaschutz, schon vor der Corona-Pandemie wichtige Ziele, rückten nun nochmals deutlich stärker in den strategischen Fokus der Luftfahrtunternehmen und ihrer Zulieferer. Für ein wettbewerbsfähiges und resilientes Unternehmen ist es deshalb unerlässlich, auch nach der Krise auf die Ziele aus "Flightpath 2050" hinzuarbeiten.

Veranlasst durch die politischen Diskussionen um Alternativen zu Kurzstreckenflügen und die Vorgaben, sowohl während des Flugs als auch während der gesamten Produktion der Flugzeugkomponenten weniger Emissionen auszustoßen, sind hier radikal neue Ansätze gefragt.

Dies gilt besonders für zukünftige Antriebskonzepte, die einen Beitrag gegen den Klimawandel leisten sollen. So kündigten die beiden großen Hersteller Airbus und Boeing bereits an, die Fertigung vierstrahliger Flugzeuge wie dem Airbus A380 und der Boeing 747 bis Ende 2022 einzustellen.

Die Luftfahrt arbeitet, obwohl sie lediglich für circa 2,5 Prozent der globalen, menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich ist, mit hoher Priorität an nachhaltigen Antriebskonzepten: angefangen bei klassischen Bypass-Triebwerken, dem Getriebefankonzept und Ultra-high-Bypass-Triebwerken wie dem Rolls-Royce-XWB-Triebwerk. Aber auch an Open-Rotor-Konzepten, über die Kombination evolutionärer und revolutionärer Konzepte wie dem Water-Enhanced-Turbofan (Wet-Engine) der MTU Aero Engines AG, bis hin zu revolutionären Triebwerkskonzepten durch die direkte Verbrennung von Wasserstoff oder der fliegenden Brennstoffzelle wird geforscht.

Diese Maßnahmen kennzeichnen einen deutlichen Umbruch in der Branche, durch den emissionsfreies Fliegen in der Zukunft möglich werden kann. Im Vergleich zu aktuellen Triebwerken sind dafür gänzlich neue Antriebseinheiten und -komponenten zu entwickeln, zu produzieren und für den Einsatz in der Luftfahrt zu zertifizieren.

Neue Antriebe: Schon die Produktion muss nachhaltiger werden

Um die Anforderungen für diese neuen Technologien zu erfüllen, müssen OEMs und Zulieferer gemeinsam neue Lösungswege erarbeiten und ihre Produktion neu aufstellen. Doch dafür sind auch neue Kompetenzen gefragt: OEMs, Zulieferer und Forschungseinrichtungen sind gleichermaßen gefordert, gemeinschaftlich und integrativ Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchzuführen.

Für viele Unternehmen der Branche bieten sich durch die neuen Nachhaltigkeitsziele auch Chancen, ihr Produktportfolio zu erweitern und neue Märkte zu erschließen. Die Anpassungsfähigkeit durch Entwicklung neuer Produkte gilt in gleicher Weise für andere Unternehmensbereiche, vor allem jedoch für die Produktion. Nicht nur im Kontext der Flightpath-2050-Ziele, sondern auch durch die Forderungen von Kunden und Politik bedingt, rückt eine nachhaltige Fertigung stärker in den Fokus der Unternehmen.

Für die Unternehmen gilt es nun, strategische Fragen zu formulieren und zu beantworten: Was wird zukünftig gefertigt? Wo wird zukünftig gefertigt? Wie wird zukünftig gefertigt? Die Antworten auf diese Fragen sind keineswegs trivial und fordern vor allem in der Übergangszeit von den Unternehmen Robustheit und Agilität, um auf Bedarfsschwankungen angemessen reagieren zu können.

Aus Perspektive der Luftfahrt lassen sich in den Bereichen Technologie, Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Personal vier große Handlungsdimensionen erschließen:

Technologie

  • Evolutionäre Weiterentwicklung existierender Antriebe
  • Entwicklung disruptiver Antriebskonzepte
  • Einsatz neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Für die Triebwerke der Zukunft bedeutet dies nicht nur Sustainable Aviation Fuels (SAFs) und eine evolutionäre Weiterentwicklung der bisherigen Triebwerke, sondern auch, dass gänzlich neue Konzepte für wasserstoffbasierte Antriebe entwickelt werden müssen.

Abhängig von der gewünschten Reichweite und Passagierkapazität kommen entweder eine direkte Verbrennung oder der Einsatz von Brennstoffzellen als Energiewandler in Frage. Weitere technologische Trends sind die Verwendung von Komponenten aus warmfesteren und leichteren Werkstoffen. Beispiele dafür sind Ceramic Matrix Composites (CMC) sowie faserverstärkte Kunststoffe (z.B. CFK) mit einem geringeren spezifischen Gewicht. Ziel des Werkstoffeinsatzes ist es, bei Komponenten gezielt Material zur Gewichtsreduktion einzusparen und so die Effizienz der Triebwerke zu steigern.

Diese Trends in der Produktionstechnik von Luftfahrtkomponenten stellen Unternehmen vor die Herausforderung, aus neuen Werkstoffen neue Komponentendesigns herzustellen, die äußerst geringen Fertigungstoleranzen unterliegen. Alternative Technologien zur Fertigung von Luftfahrtkomponenten werden bereits heute eingesetzt und sind zukünftig erforderlich, um die hohen Anforderungen zu erfüllen. Das führt dazu, dass die Komplexität im Kontext der Fertigung hinsichtlich der Prozesskettengestaltung enorm zunehmen wird.

Darstellung des Digital Twin einer Komponente., © Fraunhofer IPT/Paperplane Productions
Darstellung des Digital Twin einer Komponente. © Fraunhofer IPT/Paperplane Productions
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Digitalisierung

  • Domänenübergreifender digitaler Zwilling
  • Framework für digitalisierte Wertschöpfungsketten

Digitale Zwillinge von Bauteilen, Maschinen und der gesamten, darüberhinausgehenden Fertigungsumgebung können dabei helfen, die wachsenden technologischen, ökonomischen und ökologischen Anforderungen zu bewältigen. Damit das gelingt, ist es zunächst erforderlich, eine anforderungsgerechte IT-Infrastruktur im Unternehmen zu etablieren. Diese schafft nicht nur die Grundlage für eine umfangreiche Datenaufnahme über mehrere Fertigungsverfahren und Unternehmensbereiche hinweg, sondern gewährleistet auch eine ganzheitliche Datenspeicherung und -nutzung.

Nachhaltigkeit

  • Nachhaltigkeit als Treiber neuer Innovationen
  • Objektive, transparente, valide Nachhaltigkeitsbewertung

Nicht nur die Ziele von "Flightpath 2050" und des Pariser Klima-Abkommens, sondern auch Forderungen von Kunden, Politik und Gesellschaft führen dazu, dass der Nachhaltigkeit von Produkten stärkeres Gewicht beigemessen wird. Die Bewertung der Nachhaltigkeit rückt deshalb neben technologischen Fragen nach disruptiven Antriebskonzepten und Komponenten in den Mittelpunkt der Überlegungen. Life-Cycle-Assessments gewinnen an Bedeutung für die zukünftige Produkt- und Prozessauslegung. Im "magischen Dreieck" zwischen Produktivität, Qualität und Kosten müssen Unternehmen zukünftig die Nachhaltigkeit als zusätzliches Bewertungskriterium berücksichtigen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Zukünftige Prozesskettengestaltungen werden komplexer., © Fraunhofer IPT
Zukünftige Prozesskettengestaltungen werden komplexer. © Fraunhofer IPT
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Personal

  • Schaffen von Bewusstsein für Nachhaltigkeit
  • Befähigung des Personals für resiliente Unternehmensprozesse

Nicht zuletzt sind auch die Menschen unerlässlich für die Resilienz eines Unternehmens: Die Unternehmenskultur muss das Bewusstsein schaffen, die ambitionierten Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen. Ein zentrales Wissensmanagement unterstützt den richtigen Umgang mit kurzfristigen Störungen und ist damit ein zentrales Werkzeug für die maximale Flexibilität des Produktportfolios. Die Umsetzung jedoch gelingt schließlich nur mit bestens ausgebildeten und qualifizierten Mitarbeitenden.

Mehr Informationen

Eine detaillierte Diskussion der Thematik "Resilienz in der Luftfahrt" finden interessierte Unternehmen im gleichnamigen Whitepaper (in deutscher Sprache). Das Dokument steht auf Deutsch hier kostenlos zum Download bereit.

In diesem Whitepaper wird unter anderem anhand eines praxisnahen Beispiels aus der Fertigung sicherheitskritischer und hochkomplexer Luftfahrtkomponenten illustriert, welche Potenziale eine daten- und modellbasierte Geometriebeschreibung von Luftfahrtkomponenten bergen kann.

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