Seneste luftfartsinnovationer baner vejen for næste generations flyvning

Den hastigt udviklende luftfartsindustri udforsker konstant måder at forbedre effektivitet, ydeevne og sikkerhed på, samtidig med at den reducerer CO2-udledninger og opretholder bæredygtighed. 

I de senere år har flere teknologiske fremskridt udvidet luftrejsernes muligheder både inden for Jordens atmosfære og udenfor den. Dette inkluderer avanceret satellitteknologi til kommunikation, additiv fremstilling af lette komponenter, elektrisk fremdrift for reducerede emissioner og omkostninger, supersonisk flyvning for hurtigere rejser, og kunstig intelligens og maskinlæring for forbedret driftsmæssig effektivitet.

Luftfart fokuserer på avancerede materialer med meget specifikke egenskaber. Systemer involverer typisk forskellige typer materialer, fra keramisk termisk til kulfiber og titanium, som bruges til utallige formål for at optimere ydeevnen.

Forskningen på dette område har til formål at udvikle multifunktionelle materialer, hvilket betyder materialer, der ikke kun har strukturelle funktioner, men også kan tilbyde andre egenskaber som aktiv køling. For at gøre avancerede luftfarts‑koncepter til virkelighed, skal materialerne være mere holdbare, lette og omkostningseffektive end nogensinde før. 

Efterhånden som luftfartsindustrien fortsætter med at udvikle sig, lad os undersøge de seneste banebrydende innovationer, der vil tage den endnu længere.

Låser op for ‘Materialernes Genom’ for at Fremme Design

I sidste måned opdagede forskere fra University of Sydney’s School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering opdagede en mikroskopimetode for at afdække atomære relationer i krystallinske materialer såsom avanceret stål og specialfremstillet silicium.

Dette betyder, at forskerne kan opdage selv de mindste ændringer i de atomære strukturer i disse materialer, hvilket forbedrer vores forståelse af de grundlæggende oprindelser af deres egenskaber og adfærd. Denne viden vil muliggøre udviklingen af avancerede halvledere til elektronik og lettere, stærkere legeringer til luftfartssektoren.

Til dette brugte forskerne atomprobe‑tomografi (APT), en teknik der visualiserer atomer i tre dimensioner (3D), for at afdække kompleksiteten af kortdistanseorden (SRO). SRO er et kvantitativt mål for den relative tendens for et materiales bestanddele til at afvige fra en tilfældig fordeling. Forståelse af de lokale atomære miljøer er afgørende for at skabe innovative materialer.

Ved at kvantificere den ikke‑tilfældige karakter af naboskabsrelationer på atomskala inden for krystallen i detaljer, åbner SRO op for ‘omfattende muligheder for materialer, der er skræddersyet atom for atom med specifikke nabostrukturer for at opnå ønskede egenskaber som styrke,’ sagde studiets leder, professor Simon Ringer, som er Pro‑Vice‑Chancellor (Research Infrastructure) ved University of Sydney.

Nogle gange omtalt som ‘materialernes genom’, har SRO været en udfordring at måle og kvantificere. Dette skyldes, at atomarrangementer forekommer i så lille skala, at de ikke kan ses med konventionelle mikroskopiteknikker.

Derfor udviklede forskerteamet en ny metode ved brug af APT, der overvinder disse udfordringer, og gør det til ‘et betydeligt gennembrud inden for materialvidenskab,’ sagde Ringer, materialingeniør ved AMME. 

Studiets fokus har været på høj‑entropi‑legeringer (HEA’er), et intensivt forsket område på grund af deres potentiale til brug i situationer, der kræver høj‑temperatur‑styrke, herunder jetmotorer og kraftværker.

Ved brug af avancerede datavidenskabsteknikker og data fra APT observerede og målte forskerne SRO. De kunne derefter sammenligne, hvordan SRO ændrer sig i en høj‑entropi‑legering af kobolt, chrom og nikkel under forskellige varmebehandlinger.

Ifølge Dr. Andrew Breen, senior postdoc‑forsker:

“(Studiet har produceret en) følsomhedsanalyse, der afgrænser det præcise interval af omstændigheder, hvor sådanne målinger er gyldige, og hvor de ikke er gyldige.”

Ved at måle og forstå SRO kan dette studie også hjælpe med at transformere tilgange til materialdesign og vise, hvordan ‘små ændringer i den atomære arkitektur kan føre til enorme fremskridt i materialernes ydeevne,’ sagde Dr. Mengwei He, postdoc‑forsker ved School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Desuden, ved at levere en skabelon på mikroskopisk niveau, forbedrer studiet forskerens evne til at simulere, modellere og forudsige materialers adfærd computermæssigt. Det kan også fungere som en skabelon for fremtidige studier, hvor SRO styrer kritiske materialegenskaber. 

Et Nyt Materiale, der Gør Hypersonisk Flyvning Mulig

Der er stor interesse for at opnå vedvarende flyvning ved hypersoniske hastigheder, men tekniske udfordringer forbliver. Disse omfatter håndtering af ekstrem varme, udvikling af materialer, der kan modstå belastning, ekstreme temperaturer og oxidation uden at gå på kompromis med ydeevnen, samt skabelse af fremdriftssystemer, der kan fungere effektivt ved høje hastigheder og højder. 

Mens forskere forsøger at finde løsninger på disse problemer, rapporterede forskere fra Guangzhou University School of Materials Science and Engineering et gennembrud i hypersoniske varmeskjold tidligere i år.

I det, der kan være en game‑changer for hypersonisk flyvning, udviklede forskerne et nyt materiale, porøs keramik, der giver ‘ekseptionel termisk stabilitet’ og ‘ultra‑høj trykstyrke.’ 

Dette er blevet opnået ved brug af et multi‑skala strukturelt design, som forskerne siger er gjort for allerførste gang. Desuden åbner den hurtige fremstilling af denne høj‑entropi‑keramik døren til bredere udforskning inden for luftfart, kemisk ingeniørkunst og energiproduktion og -overførsel.

Forskerne sagde, at keramikerne blev fremstillet gennem ‘en ultrahurtig højtemperatur‑synteseteknik, der kan give enestående mekanisk belastningskapacitet og høj termisk isolationsydelse.’

For at tackle udfordringen med stærke, lette materialer med lav termisk ledningsevne, brugte forskerne keramiske materialer, der er ikke‑brændbare og korrosionsbestandige, har høje smeltepunkter og udviser lav termisk ledningsevne. Naturligvis er konventionelle keramiske materialer stadig utilstrækkelige til at håndtere ekstremt høje temperaturer og tryk.

Selvom lette, porøse materialer har lav termisk overførselsevne, kommer de også med en større skrøbelighed.

Derfor begyndte forskerne at arbejde på samtidig at forbedre ‘den mekaniske styrke og den termiske isolationskapacitet af porøse keramiker.’ Dette førte dem til høj‑entropi‑konceptet, som fokuserer på flere elementer i lige store mængder for at skabe stærkere, mere stabile og mere varmemodstandsdygtige komponenter.

Forskerne fandt det nyoprettede keramiske materiale — kaldet 9‑kation porøs høj‑entropi diborid (9PHEB) — succesfuldt i at opnå en god balance mellem varmemodstand og styrke uden de sædvanlige begrænsninger. Dette nye materiale opfyldte også de nødvendige vægt‑ og isolationsstandarder for luftfartsflyvning.

Ifølge forskerne:

“Høj‑kvalitets grænseflader, karakteriseret ved stærke bindinger uden fejl eller amorfe faser, kan fremme hurtig kraftoverførsel langs byggeblokken og til mange andre gennem forbindelser ved belastning, hvilket fører til en betydelig forbedring af den mekaniske styrke.”

Studiet bemærkede også, at det nye materiale 9PHEB er enestående både med hensyn til styrke og termisk stabilitet. 

Selvhelbredende Materialer til Luftfartsstrukturer

Selvhelbredende polymerer og nanokompositter er innovative materialer, der har betydeligt fremmet luftfartsindustrien. De har også været genstand for omfattende forskning for deres anvendelser inden for elektronik, batterier, biomedicin og andre tekniske områder. 

Selvom selvhelbredende materialer har eksisteret i mange århundreder, har der været en betydelig stigning i innovation på dette område i de seneste årtier, hvilket har ført til udviklingen af syntetiske selvhelbredende materialer.

Disse materialer kan findes i forskellige former, afhængigt af deres unikke kemi, herunder termoplastiske polymerer, thermohærdende polymerer, elastomerer, formhukommelses‑polymerer, polymerkompositter og nanokompositter. 

Afhængigt af deres evne refereres disse materialer ofte til som intrinsiske selvhelbredende materialer, som er afhængige af kemiske bindinger eller molekylær mobilitet inden i materialet selv, eller ekstrinsiske selvhelbredende materialer, hvor eksterne helbredelsesmidler aktiveres ved skade.

Polymerer betragtes som særligt vigtige i strukturanvendelse på grund af deres fantastiske evne til at reparere strukturskader. Dette opnås gennem polymerkædemobilisering og krydsbinding.

I luftfartsindustrien er selvhelbredende nanokompositter særligt nyttige til konstruerede strukturer, limstoffer, motorer, flykroppe og belægninger. Selvhelbredende nanokompositter fremstilles ved at indarbejde nanopartikler i polymerer. På grund af deres evne til at helbrede skader reversibelt, forstærkes thermohærdende og termoplastiske polymerer med nano‑kulnanopartikler.

Nanofyldstoffer forstærker yderligere den selvhelbredende effekt af nanokompositter. Type og indhold af nanofyldstof er væsentlige faktorer for at igangsætte den selvhelbredende effekt.

Traditionelt blev keramiske og metalliske materialer brugt til at udvikle motorerne. Dog er polymermaterialer og kompositter i de senere år i stigende grad blevet anvendt i højtemperatur‑modstandsdygtige jetmotorer. Denne ændring har en god grund, da kompositmaterialer bedre modstår strukturskader fra påvirkning eller fejl.

Med keramiske fibre, der kan modstå meget høje temperaturer, er selvhelbredende nanokompositter blevet brugt til at producere faste og mobile jetmotor‑komponenter. Disse nanomaterialer er også blevet fundet at være modstandsdygtige over for tryk, skader og korrosion, hvilket bidrager til forbedret motor‑effektivitet.

Den igangværende forskning i selvhelbredende polymerer viser potentiale for materialer, der kan modstå højt tryk, temperatur og påvirkningssituationer for væsentligt at forbedre holdbarheden af rumstrukturer. Vi kan endda se udviklingen af nanokul‑nanokompositter i fremtiden, der kan registrere skader i luftfartsstrukturer, men det vil kræve nye helbredelsesmidler med overlegen selvhelbredende effektivitet.

Interessant nok, i verden af selvhelbredende materialer, har Dr. Kunal Masania, lektor i luftfartsstrukturer og materialer ved Delft University of Technology i Holland, udviklede “levende materialer” til brug i luftfartssektoren. Disse levende materialer indeholder mikroorganismer som bakterier og svampe, hvilket giver dem evnen til at selvhelbrede. 

Teamet valgte svampe på grund af deres evne til at tåle barske forhold og deres relative lette dyrkning. Svampceller kan også forbinde sig, hvilket betyder, at ved at distribuere kun få celler gennem materialet, kan de genforbinde og danne et sensornetværk. Disse levende materialer fremstilles faktisk gennem en speciel 3D‑printmetode og en ny 3D‑print‑blæk.  

Denne udvikling blev lavet som en del af et fem‑årigt projekt, AM-IMATE, som blev tildelt en bevilling fra Den Europæiske Union. Ifølge Masania:

“(Målet med projektet er) at skabe konstruerede strukturer, der kan opføre sig som levende organismer, i stand til at registrere og tilpasse sig mekaniske belastninger.”  

Ved at bruge biologiske selvhelbredende materialer kan ikke kun holdbarheden og ydeevnen af kritiske strukturer anvendt i luftfart forbedres, men det kan også være bæredygtigt. AM-IMATE‑teamet undersøger faktisk brugen af kompositter som kerne‑materiale til flyinteriører.

“Vores materialer er meget lette og mere bæredygtige end de materialer, der anvendes i dag,” sagde Masania og tilføjede, at udskiftning af plast og metal betyder, at vi ikke længere behøver at stole på fossile brændstoffer. Desuden “kan flykomponenterne demonteres og returneres til naturen,” sagde han.

Men det er ikke alt. Teamet ser endda deres levende materialer danne grundlaget for nye habitater “på andre planeter” ved at bruge lokale materialer og binde dem sammen med svampe.

Virksomheder, der Leder inden for Luftfartsteknologi

Hvis vi ser på de virksomheder, der opererer i luftfartsindustrien, er flere nøglespillere i gang med at fremme teknologien, herunder General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) og Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), en af verdens største forsvarsentreprenører, er også en populær aktør i dette område. Kendt for sine jagerfly, missilsystemer og rumforsknings‑teknologier, har Lockheed Martin udviklet en AI‑baseret telekommunikationssoftware kaldet Callisto i samarbejde med Amazon (AMZN ) og Cisco for at forbedre effektiviteten og situationsbevidstheden ombord på rumfartøjer. Senest har de erhvervet satellit‑baserede løsningsudbyderen Terran Orbital i en handel på 450 millioner dollars.

Boeing er en anden stor aktør i kommerciel og militær luftfart. Virksomheden er i øjeblikket under intens granskning for kvalitetssikringsproblemer, løbende problemer med deres 737 Max‑fly, håndtering af sikkerhedsbekymringer og konkurrence fra Airbus.

Airbus er primært involveret i design og fremstilling af kommercielle fly. For at reducere sine produkters CO2‑udledning, er virksomheden i gang med at udvikle bio‑baserede materialer til flyproduktion. Til dette undersøger virksomheden alternativer til kul fibre fremstillet af fossile brændstoffer, som anvendes i konstruktion af komponenter som vinger eller flykroppens skaller.

Lad os nu se nærmere på et par fremtrædende navne:

#1. Raytheon Technologies

Fokuseret på avionik, forsvarselektronik og missilsystemer, i 2020 gennemførte Raytheon sin fusion med United Technologies for at danne verdens mest avancerede leverandør af luftfarts‑ og forsvarssystemer.

• Udvalgt af DARPA til kvante‑optiske sensorer brugt i billedbehandlings‑applikationer.
• Præsenterer MAYA som fremtiden for premium luftrejser.
• Investering på 200 millioner dollars i Spokane for at fremme produktionsvækst.
• Afsluttende Crew Capability Assessment‑test af deres næste‑generation rumdragt til den Internationale Rumstation.
• Tildelt en kontrakt på 344 millioner dollars for at modernisere elektronik‑enheden til missiludviklingsprogram.

På tidspunktet for skrivning handles Raytheon (RTX:NYSE) aktier til $118,35, op 40,66% år‑til‑dato. Virksomhedens markedsværdi er $157,43 mia., og dens udbytteafkast er 2.13%.

For Q2 2024 rapporterede virksomheden $19,7bln i salg, en stigning på 8% fra året før, mens dens drifts‑cash‑flow var $2,7bln. Raytheon noterede en ordrebeholdning på $206bln, herunder $129bln kommerciel og $77bln forsvar. Justeret EPS var $1,41, op 9% i forhold til året før.

“RTX leverede stærk operationel præstation i andet kvartal, med 10 procent organisk salgsvækst, justeret marginudvidelse på tværs af alle tre segmenter, og $2,2 milliarder i fri cash‑flow.”

– RTX‑præsident og administrerende direktør Chris Calio

Han bemærkede også, at med ordrebeholdningen og ‘usædvanlig efterspørgsel på tværs af vores portefølje’ fokuserer de på at investere i innovative teknologier og kapaciteter.

#2. Northrop Grumman

Specialiseret inden for forsvar og luftfart, er Northrop Grumman (NOC ) kendt for sit arbejde med ubemandede systemer, cybersikkerhed og avancerede rumsystemer, herunder James Webb Space Telescope. Virksomheden udvikler også B‑12 bombeflyet og Sentinel‑programmet. Derudover samarbejder Northrop Grumman med Elon Musks SpaceX om et amerikansk spion‑satellitsystem, indgår partnerskab med EpiSci om avancerede autonomi‑kapaciteter og støtter Norges langsigtede forsvarsplan gennem sit arbejde med Andøya Space.

På tidspunktet for skrivning handles Northman-aktier til $504,87, op 7,85% år‑til‑dato, hvilket giver virksomhedens markedsværdi på $73,83 mia. Den betaler et udbytteafkast på 1,63%. For Q2 2024 rapporterede virksomheden en stigning på 6,7% i omsætning til $10,22 mia. Kvartalet så over $1,11 mia. i fri cash‑flow, mens udgifter omfattede omkring $3 mia. i F&U og $1,8 mia. i kapitaludgifter. Northrop’s EPS overgik estimaterne med 7,6% og nåede $6,36.

Virksomheden har projiceret solid vækst på tværs af sine divisioner, især inden for aeronautik, våbensystemer og avanceret elektronik. En let nedgang forventes i deres rumsegment næste år på grund af et annulleret program, men vækst forventes at genoptage derefter. Mens de anerkender forsyningskæde‑begrænsninger, specifikt i indkøb af ammoniumperklorat til faste raketmotorer, nævnte administrerende direktør Kathy Warden, at de arbejder med luftvåbnet for at reducere omkostningerne.

Klik her for en liste over de top 10 luftfarts‑ og forsvarsaktier.

Konklusion

Luftfartsmarkedet ligger i øjeblikket på omkring $300 milliarder. Selvom det kortvarigt faldt under COVID‑19‑pandemien, forventes det at overstige $460 milliarder inden 2028. Imens forventes indtægterne fra markedet for fremstilling af luftfartsdele at overstige $1.230 milliarder ved slutningen af dette årti.

Givet den vækst, som industrien oplever, sker teknologisk innovation i et hurtigt tempo. Fra mere effektive fly gennem elektriske fremdriftssystemer, skabelsen af avancerede kompositmaterialer og fremskridt inden for AI‑ og sensorteknologi for at opnå fuldt autonome fly, til forskning og adoption af bæredygtige flybrændstoffer (SAF), som er afledt af vedvarende kilder, sker der meget, og sammen kan disse innovationer medføre betydelige ændringer, der former luftfartens fremtid.

Klik her for en liste over de fem bedste luftfarts‑ETF’er at investere i.