Skalierbares Wasserstoffsystem ermöglicht emissionsfreien Flug

Mobilität ist ein entscheidender Teil unseres täglichen Lebens, und die Luftfahrt ist ein Schlüsselbestandteil dieser Fähigkeit, von einem Ort zum anderen schnell zu reisen.

Indem sie Menschen und Güter innerhalb weniger Stunden über weite Strecken transportiert, verbindet die Luftfahrtindustrie Menschen wie kein anderes Verkehrsmittel. Das macht sie zu einem bedeutenden Beitrag zur globalen Wirtschaft und sie macht 3,5 % des weltweiten Bruttoinlandsprodukts (BIP) aus. 

Die Branche unterstützt weltweit insgesamt 86,5 Millionen Arbeitsplätze, wobei die geschätzte Marktgröße der globalen Fluggesellschaftsindustrie über 760 Milliarden US‑Dollar liegt.

Bemerkenswerterweise wird prognostiziert, dass Fluggesellschaften weltweit im Jahr 2024 etwa 9,5 Milliarden Passagiere befördert haben, was einem Anstieg von 104 % gegenüber dem Niveau von 2019 und einem Wachstum von 9 % gegenüber 2023 entspricht, laut ACI World. Dieses Wachstum wird voraussichtlich weiter beschleunigen, wobei der globale Passagierverkehr bis 2042 voraussichtlich 19,5 Milliarden erreichen wird.

Die Luftfahrtindustrie expandiert eindeutig, und ihre Zukunft ist tatsächlich vielversprechend. Dennoch trägt sie in erheblichem Maße zu Treibhausgasemissionen (THG) bei.

Während die Luftfahrt nur einen relativ kleinen Anteil der globalen Emissionen von 2,5 % ausmacht, wuchs sie zwischen 2000 und 2019 schneller als Schiene, Straße oder Schifffahrt. Diese erhöhte Nachfrage nach internationalem Reisen nach der Covid‑19‑Pandemie führte tatsächlich dazu, dass die Emissionen der Luftfahrt fast 950 Mt CO₂ erreichten.

Nicht nur wachsen die Emissionen der Luftfahrt in rasantem Tempo, sie gehören auch zu den am schwierigsten zu dekarbonisierenden Sektoren und stellen eine kritische Umweltherausforderung dar.

Infolgedessen konzentriert sich die Branche derzeit darauf, ihre Betriebe zu dekarbonisieren und das Netto‑Null‑Ziel zu erreichen, das beinhaltet, CO₂‑Emissionen zu reduzieren auf ein Niveau, das die Natur bis 2050 absorbieren kann.

Das Potenzial von Wasserstoff für emissionsfreie Luftfahrt freischalten

Da die Luftfahrt einen bemerkenswerten Anteil an globalen Kohlendioxid- und Kondensstreifenemissionen beiträgt, wird es immer wichtiger, fortschrittliche und umfassende Lösungen zu entwickeln, um die Klimaziele der Branche zu erreichen. 

Eine vielversprechende Lösung ist Wasserstoff, das leichteste und am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum, das etwa 75 % aller normalen Materie ausmacht.

Dieses chemische Element hat sich dank seiner sauberen Verbrennung als beliebtes und wertvolles Dekarbonisierungsinstrument erwiesen. Es ist ein sauber brennender Kraftstoff, da bei seiner Verbrennung nur Wasserdampf als Nebenprodukt entsteht.

Zudem ist die gravimetrische Energiedichte, also die verfügbare Energie pro Masseneinheit einer Substanz, von Wasserstoff etwa 2,8‑mal höher als die von herkömmlichem Luftfahrtkraftstoff, Kerosin. Wasserstoff besitzt tatsächlich die höchste gravimetrische Energiedichte aller bekannten Stoffe, d. h. ~120 kJ/g. Im Vergleich dazu hat kerosinbasiertes Flugbenzin eine Energiedichte von 43 MJ/kg.

Allerdings hat Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen eine geringe Dichte, d. h. 0,08 kg/m³. Das stellt insbesondere für Langstreckenflüge erhebliche Lagerungsherausforderungen dar.

Eine praktische Alternative besteht darin, das farb- und geruchlose, geschmacklose Gas in flüssiger Form bei 20 K zu speichern. Diese Form erhöht die Dichte von Wasserstoff auf 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, was sich als Lösung für Luftfahrtanwendungen erwiesen hat.

Unternehmen haben zudem verschiedene Aspekte der Integration von flüssigem Wasserstoff (LH2) in Flugzeuge untersucht, einschließlich thermischem Management, Druckregelsystemen, Isolationsstrategien und dem Design kryogener Tanks.

Allerdings ist ein ganzheitliches System, das LH2-Lagerung, thermisches Management und Transfersteuerung in einer für Flugzeugdesign skalierbaren Form integriert, noch wenig erforscht.

Ein Forscherteam des FAMU‑FSU College of Engineering, einer gemeinsamen Ingenieurfakultät der Florida A&M University und der Florida State University, hat ein System zur Lagerung und Lieferung von flüssigem Wasserstoff entwickelt, das der Luftfahrtindustrie helfen kann, ihr Ziel der Null‑Emissionen zu erreichen.  

Mit Unterstützung der NASA skizzierte die Studie ein skalierbares, integriertes System, das mehrere ingenieurtechnische Herausforderungen adressiert, indem es die Nutzung von Wasserstoff als sauberen Kraftstoff ermöglicht. Es wird zudem als integriertes Kühlmedium für kritische Energiesysteme in elektrisch betriebenen Flugzeugen verwendet. 

Das Team zeigte, dass flüssiger Wasserstoff effizient gespeichert, sicher übertragen und zur Kühlung kritischer Bordssysteme verwendet werden kann, während er die Leistungsanforderungen des Flugzeugs während Start, Reiseflug und Landung unterstützt.

„Unser Ziel war es, ein einziges System zu schaffen, das mehrere kritische Aufgaben bewältigt: Kraftstofflagerung, Kühlung und Liefersteuerung. Dieses Design legt die Grundlage für reale Wasserstoffluftfahrtsysteme.“

Wasserstoff‑Hybrid‑Elektroflugzeug: Skalierbare Antriebslösung

Veröffentlicht in Applied Energy¹, beschäftigt sich die Studie mit der Reduzierung der CO₂‑ und Kondensstreifenemissionen der Luftfahrtindustrie, die wesentliche Treiber des Klimawandels sind, indem sie ein innovatives Design für ein System zur Lagerung von flüssigem Wasserstoff, thermischem Management und Steuerung des Transfers vorschlägt, das speziell für Integrated Zero Emission Aviation (IZEA) angepasst ist.

Das IZEA ist eine akademisch‑industrielle Zusammenarbeit, die darauf abzielt, null Treibhausgasemissionen aus der kommerziellen Luftfahrt zu erreichen. Industriepartner sind Raytheon Technologies, Boeing und Advanced Magnet Laboratories.

Insbesondere untersucht diese Zusammenarbeit die hybride Stromerzeugung durch eine Kombination von Brennstoffzellen und turboelektrischen Generatoren, wobei Wasserstoff mit entweder konzentriertem Sauerstoff oder Umgebungsluft verwendet wird.

Das Ziel von IZEA ist es, herauszufinden, wie flüssiger Wasserstoff als Kraftstoff genutzt werden kann und gleichzeitig die Effizienz und Leistung gesteigert werden können, ohne das Gewicht zu erhöhen.

Sie wählten das FAMU‑FSU College of Engineering Ende 2022 aus, um das nachhaltige Luftfahrtsystem im Rahmen eines fünfjährigen Projekts mit einem Budget von 10 Millionen US‑Dollar zu entwickeln.

Um die nationale Agenda für Energiesysteme und den Antrieb von Verkehrsflugzeugen zu erfüllen und die schädlichen Emissionen der Luftfahrtindustrie zu reduzieren, wird das FAMU‑FSU‑Team mit Forschern der University of Kentucky, der University at Buffalo, Georgia Tech und Industriepartnern zusammenarbeiten, wie vor zweieinhalb Jahren von IZEA angekündigt.

Jetzt hat die Zusammenarbeit das Fehlen eines ganzheitlichen Systems behoben, indem sie ein skalierbares und umfassendes, wasserstoffbasiertes Antriebssystem für zukünftige Flugzeuge entwickelt hat.

Das Projekt beginnt mit Kurzstrecken‑Regionalflügen, um die kurzfristige Machbarkeit von mit flüssigem Wasserstoff betriebenen Flugzeugen zu prüfen. Der Fokus liegt hier auf einem Prototypflugzeug mit einer Blended‑Wing‑Body‑Konfiguration, das 100 Passagiere befördern kann.

Das Hybrid‑Elektroflugzeug bezieht Energie sowohl aus Wasserstoff‑Brennstoffzellen als auch aus Hochtemperatur‑Supraleitungs‑(HTS‑)Generatoren, die von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsturbinen angetrieben werden.

Brennstoffzellen bieten eine Lösung, um NOx‑Emissionen und Kondensstreifen zu vermeiden, weshalb Organisationen wie Airbus und CHEETA ebenfalls an flugzeugbasierten Brennstoffzellen arbeiten. Das Problem bei den aktuellen Brennstoffzellenstapeln ist jedoch, dass sie extrem sperrig sind, was es schwierig macht, ein großes Flugzeug in allen Phasen, insbesondere beim Start, zu versorgen. Als Lösung für dieses Problem stellte das Team die Dual‑Power‑Source vor.

Brennstoffzellen werden bei niedrigen Lastbedingungen, wie Rollen und Reiseflug, mit einer maximalen Leistung von etwa 6,8 MW eingesetzt. Gleichzeitig liefern wasserstoffbetriebene, turbinengetriebene supraleitende Generatoren die zusätzliche Leistung (9,4 MW), die beim Start benötigt wird. Diese Kombination führt zu einer Spitzenleistung von 16,2 MW und erhöht die Resilienz durch Leistungsredundanz.

Um die Dichteherausforderung zu bewältigen, da Wasserstoff weniger dicht ist und viel Platz beansprucht, sofern er nicht bei -253 °C als superkaltes Flüssiggas gespeichert wird, haben die Forscher kryogene Tanks und zugehörige Untersysteme mit einem neuen gravimetrischen Index entworfen.

Der Index ist das Verhältnis der Kraftstoffmasse zur gesamten Kraftstoffanlage, wobei der Index des Teams die Masse des Wasserstoffkraftstoffs, der Tankstruktur, der Wärmetauscher, der Isolierung, der Arbeitsflüssigkeiten und der Zirkulationsvorrichtungen einschließt.

Um die Konfiguration zu finden, die die maximale Kraftstoffmasse im Verhältnis zur Gesamtsystemmasse liefert, passten die Forscher die wichtigsten Parameter wie Ventildruck und Wärmetauscherabmessungen an, bis sie die optimale Lösung fanden.

Das ideale Layout erreichte einen gravimetrischen Index von 0,62. Das bedeutet, dass 62 % des Gesamtgewichts des Systems als nutzbarer Wasserstoffkraftstoff verwendet werden können, was eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Designs darstellt.

Für das thermische Management, die weitere Schlüssel­funktion des Systems, installierten die Forscher kein separates Kühlsystem, sondern leiteten den extrem kalten Wasserstoff über Wärmetauscher. Diese Wärmetauscher, in einer gestuften Reihenfolge angeordnet, entfernen die Abwärme von Komponenten wie Kabeln, Motoren, supraleitenden Generatoren und Leistungselektronik. Das Aufnehmen dieser Wärme erhöht allmählich die Temperatur des Wasserstoffs.

Optimierung der Wasserstofflieferung und des thermischen Managements im Flug

Bei der Verteilung von flüssigem Wasserstoff im gesamten Flugzeug ergeben sich eigene Herausforderungen. Beispielsweise bringen Pumpen nicht nur zusätzliches Gewicht, sondern auch Komplexität ins System und können unter kryogenen Bedingungen unerwünschte Wärme erzeugen. 

Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelte das Team ein pumpenfreies System, das den Tankdruck nutzt, um den Fluss des Wasserstoffkraftstoffs zu steuern. 

Der Druck wird erhöht, indem Wasserstoffgas aus einer normalen Hochdruckzylinder eingespritzt wird, und verringert, indem Wasserstoffdampf abgeführt wird. Für die Echtzeit‑Anpassung des Drucks verbindet ein Regelkreis Drucksensoren mit den Leistungsanforderungen des Flugzeugs, wodurch die genaue Wasserstoffflussrate in allen Flugphasen sichergestellt wird. 

Das System ist laut Simulationen in der Lage, Wasserstoff mit einer Rate von bis zu 0,25 Kilogramm pro Sekunde zu liefern. Diese Lieferrate reicht aus, um den elektrischen Bedarf von 16,2 Megawatt während des Starts oder im Notfall, wenn das Flugzeug umkehren muss, zu decken.

Mit in sequenzieller Reihenfolge organisierten Wärmetauschern kühlt das Wasserstoffgas zunächst Komponenten, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten, wie Kabel und HTS‑Generatoren. Anschließend absorbiert es Wärme von höher temperierten Komponenten, wie Motoren und Leistungselektronik. Schließlich wird das Wasserstoffgas, bevor es die Brennstoffzellen erreicht, vorgeheizt, um die optimalen Bedingungen am Brennstoffzellen‑Einlass zu erfüllen.

Diese gestufte thermische Integration ermöglicht es, flüssigen Wasserstoff sowohl als Kraftstoff als auch als Kühlmittel zu nutzen, wodurch die Effizienz des Systems maximiert und die Komplexität der Hardware minimiert wird.

„Früher waren sich die Menschen unsicher, wie man flüssigen Wasserstoff effektiv in einem Flugzeug transportieren kann und ob man ihn auch zur Kühlung von Leistungssystemkomponenten einsetzen kann. Wir haben nicht nur gezeigt, dass es machbar ist, sondern auch demonstriert, dass eine systemweite Optimierung für diese Art von Design erforderlich ist.“

– Guo

Der Fokus der Studie lag hier auf Designoptimierung und Systemsimulation. Im nächsten Schritt werden die Forscher experimentelle Validierungen durchführen. Dafür wird das Team ein Prototypsystem bauen und Tests im Center for Advanced Power Systems der FSU durchführen.

In ihrer zukünftigen Arbeit werden die Forscher auch das Design der Wärmetauscher fokussieren, die in jedem Kreislauf vorhanden sind und Wärme von den Komponenten auf das Arbeitsfluid übertragen. Die aktuelle Studie enthält keine detaillierten Spezifikationen für Material, Größe und thermische Eigenschaften dieser Komponenten.

Innovative Strategien für das thermische Management werden ebenfalls im Fokus stehen, um die Brennstoffzellenstapel zu kühlen und die erhebliche Wärmeentwicklung während des Betriebs zu bewältigen. Diese Fortschritte, so die Studie, sind entscheidend, um die gesamte Architektur des thermischen Managements zu verfeinern und die praktische Umsetzung von Technologien für emissionsfreie Luftfahrt sicherzustellen.

Investitionen in wasserstoffbetriebene Luftfahrttechnologien

Wenn es um Investitionen in den Luftfahrtsektor geht, bietet RTX (RTX ) eine hochpotenzielle Gelegenheit. Das weltweit größte Luft- und Raumfahrt‑ und Verteidigungsunternehmen ist ein zentraler Industriepartner der IZEA‑Zusammenarbeit. Es verfügt zudem über umfangreiche F&E‑Programme, die auf nachhaltige Luftfahrttechnologien abzielen, einschließlich Brennstoffzellen‑ und wasserstoffbetriebener Systeme.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX operiert über drei Hauptsegmente:

• Collins Aerospace liefert technologisch fortschrittliche Luft- und Raumfahrt‑ und Verteidigungsprodukte an kommerzielle Fluggesellschaften, zivile und militärische Flugzeughersteller sowie Raumfahrtoperationen.
• Der Pratt & Whitney‑Segment liefert Triebwerke an militärische, allgemeine und kommerzielle Kunden.
• Raytheon entwickelt Raketen, intelligente Waffen und fortschrittliche Luft‑ und Raketenabwehrfähigkeiten.

Durch die Divisionen Collins Aerospace und Pratt & Whitney ist RTX aktiv an der Entwicklung und Erprobung von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen und verwandten Technologien beteiligt.

Dazu gehört das HySIITE‑Programm, das daran arbeitet, der Luftfahrtindustrie die Nutzung von Wasserstoff in großem Maßstab zu ermöglichen. Gesponsert von der Advanced Research Projects Agency‑Energy des DOE, ist das Projekt für flüssigen Wasserstoff optimiert und wurde im Dezember 2024 abgeschlossen. Die HySIITE‑Tests zeigten eine Reduktion von NOx um 99,3 % im Vergleich zu einem GTF‑Triebwerk und bis zu 35 % Verbesserung der Energieeffizienz.

Zwei weitere Projekte laufen parallel, um die Zukunft von Wasserstoff in der Luftfahrt voranzutreiben. Die Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), unterstützt von der kanadischen gemeinsamen Industrie‑Regierungs‑Initiative INSAT, arbeitet an der Weiterentwicklung von Wasserstoff für Turboprop‑Flugzeuge. COCOLIH2T wird hingegen vom Clean Hydrogen Joint Undertaking der EU unterstützt und entwickelt ein Verfahren zur Kraftstoffspeicherung.

Bezüglich der Marktperformance von Raytheon haben die Aktien stark zugelegt. Die Unternehmensanteile, mit einer Marktkapitalisierung von 183,64 Milliarden US‑Dollar zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung, werden über 137,50 US‑Dollar gehandelt, ein neues Allzeithoch (ATH) und spiegeln einen Jahreszuwachs (YTD) von 18,7 % wider.

Die RTX‑Aktien verzeichnen seit drei Jahrzehnten ein stetiges Wachstum. Die Aktien sind seit den Tiefstständen im April um etwa 21 % gestiegen. Damit beträgt das EPS (TTM) 3,41 und das KGV (TTM) 40,31. Raytheon bietet zudem eine attraktive Dividendenrendite von 1,98 %.

Was die Unternehmensfinanzen angeht, hat es berichtet, dass im ersten Quartal 2025 eine starke Leistung erzielt wurde, wobei der Umsatz im Vergleich zum Vorjahr um 5 % auf 20,3 Milliarden US‑Dollar gestiegen ist und das bereinigte EPS 1,47 US‑Dollar beträgt. Der operative Cashflow von Raytheon betrug in diesem Zeitraum 1,3 Milliarden US‑Dollar, und der freie Cashflow lag bei 0,8 Milliarden US‑Dollar, während das Auftragsbuch 217 Milliarden US‑Dollar umfasst, darunter 92 Milliarden US‑Dollar im Verteidigungsbereich und 125 Milliarden US‑Dollar im kommerziellen Bereich.

„Wir starten stark ins Jahr 2025. Das aktuelle Umfeld ist eindeutig sehr dynamisch, aber unser Unternehmen ist gut positioniert, um operativ zu performen, und unsere Teams bleiben fokussiert darauf, unsere Verpflichtungen umzusetzen und unser robustes Auftragsbuch zu liefern.“

– RTX Präsident und CEO Chris Calio

Für das gesamte Jahr 2025 prognostiziert das Unternehmen bereinigte Umsätze zwischen 83 und 84 Milliarden US‑Dollar, ein bereinigtes EPS zwischen 6,00 und 6,15 US‑Dollar und einen freien Cashflow von 7 bis 7,5 Milliarden US‑Dollar, wobei darauf hingewiesen wird, dass diese Schätzungen die Auswirkungen der kürzlich eingeführten Zölle nicht berücksichtigen.

Inmitten all dessen erhielt das Unternehmen gerade diese Woche einen Auftrag der US‑Marine über 536 Millionen US‑Dollar für die SPY‑6‑Radarfamilie, die nun auf zwei ihrer Schiffe installiert ist, wobei drei weitere zur Installation bereitstehen. In den nächsten zehn Jahren werden die Radaranlagen auf mehr als 60 US‑Marine‑Schiffen eingesetzt werden.

Im Rahmen des Vertrags wird Raytheon weiterhin Unterstützung durch Schulungen, Installation, Integration und Tests sowie Software‑Updates zur Verbesserung der Radar‑Fähigkeiten leisten.

„SPY‑6 ist das fortschrittlichste Radar in der US‑Marineflotte und bietet den Schiffen ein neues Verteidigungsniveau gegen sich entwickelnde Bedrohungen.“

– Barbara Borgonovi, Präsidentin von Naval Power bei Raytheon.

Das 13. AN/TPY‑2‑Raketenabwehrradar wurde ebenfalls an die US‑Missile‑Defense‑Agency geliefert und ist die erste Einheit, die über ein vollständig auf Galliumnitrid (GaN) basierendes Array verfügt, was die Empfindlichkeit und Leistung des Systems erheblich verbessert.

Ein Vertrag über 1,1 Milliarden US‑Dollar wurde ebenfalls vom Unternehmen für die Herstellung und Lieferung von AIM‑9X‑Sidewinder‑Raketen gesichert. Mit diesem Auftrag setzt Raytheon seine langfristige Unterstützung des Sidewinder‑Programms fort, einem weltweit weit verbreiteten Kurzstrecken‑Raketensystem.

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Abschließende Gedanken: Die Rolle von Wasserstoff in der nachhaltigen Luftfahrt

Der Luftfahrtsektor wächst rapide und trägt zur globalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung bei, erzeugt jedoch gleichzeitig einen dringenden Bedarf, das Problem der CO₂‑ und Kondensstreifenemissionen anzugehen. Hier hat Wasserstoff mit seiner hohen spezifischen chemischen Energie als vielversprechende saubere Kraftstoffalternative an Bedeutung gewonnen.

Vor diesem Hintergrund präsentiert die neueste Studie einen umfassenden Rahmen für die Konzeption und Optimierung eines Systems zur Lagerung, zum thermischen Management und zur Transfersteuerung von flüssigem Wasserstoff und demonstriert dessen Potenzial, effiziente und nachhaltige Luftfahrttechnologien voranzutreiben.

Durch die Nutzung der positiven Auswirkungen von Wasserstoff auf den Klimawandel und die Luftqualität hat die Luftfahrtindustrie nun einen praktikablen Weg, ihren CO₂‑Fußabdruck zu reduzieren und den Weg für eine Zukunft zu ebnen, in der Langstreckenreisen nicht mehr auf Kosten des Planeten gehen.

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Studienreferenzen:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}