Neueste Luft- und Raumfahrtinnovationen ebnen den Weg für die nächste Generation des Flugs

Die sich rasch entwickelnde Luft- und Raumfahrtindustrie erforscht ständig Wege, um Effizienz, Leistung und Sicherheit zu verbessern, während sie CO₂-Emissionen reduziert und Nachhaltigkeit aufrechterhält. 

In den letzten Jahren haben mehrere technologische Fortschritte die Fähigkeiten des Luftverkehrs sowohl innerhalb der Erdatmosphäre als auch darüber hinaus erweitert. Dazu gehören fortschrittliche Satellitentechnologie für Kommunikation, additive Fertigung für leichte Bauteile, elektrische Antriebe für reduzierte Emissionen und geringere Kosten, Überschallflug für schnellere Reisen und künstliche Intelligenz sowie maschinelles Lernen für verbesserte betriebliche Effizienz.

Die Luft- und Raumfahrt konzentriert sich auf fortschrittliche Materialien mit sehr spezifischen Eigenschaften. Systeme umfassen in der Regel verschiedene Materialarten, von keramischen Thermomaterialien bis zu Kohlefaser und Titan, die für zahlreiche Zwecke zur Optimierung der Leistung eingesetzt werden.

Die Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, multifunktionale Materialien zu entwickeln, das heißt Materialien, die nicht nur strukturelle Funktionen besitzen, sondern auch weitere Eigenschaften wie aktive Kühlung bieten. Um fortschrittliche Luft- und Raumfahrtkonzepte zum Leben zu erwecken, müssen Materialien haltbarer, leichter und kosteneffizienter sein als je zuvor. 

Während die Luft- und Raumfahrtindustrie weiter voranschreitet, wollen wir die neuesten bahnbrechenden Innovationen untersuchen, die sie noch weiter voranbringen.

Entschlüsselung des ‘Materialgenoms’ zur Weiterentwicklung des Designs

Letzten Monat entdeckten Forscher der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering der Universität Sydney eine Mikroskopiemethode zur Aufdeckung atomarer Beziehungen in kristallinen Materialien wie fortschrittlichen Stählen und maßgeschneidertem Silizium.

Das bedeutet, dass Forscher selbst kleinste Änderungen in der atomaren Architektur dieser Materialien erkennen können, was unser Verständnis der grundlegenden Ursprünge ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens vertieft. Dieses Wissen ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiter für die Elektronik sowie leichterer, stärkerer Legierungen für den Luft- und Raumfahrtsektor.

Hierfür nutzten die Forscher die Atom-Probe-Tomographie (APT), eine Technik, die Atome in drei Dimensionen (3D) visualisiert, um die Komplexität der Kurzbereichsordnung (SRO) zu entschlüsseln. SRO ist ein quantitativer Maßstab für die relative Tendenz der Bestandteile eines Materials, von einer zufälligen Verteilung abzuweichen. Das Verständnis der lokalen atomaren Umgebungen ist entscheidend für die Schaffung innovativer Materialien.

Durch die Quantifizierung der Nicht‑Zufälligkeit von Nachbarschaftsbeziehungen auf atomarer Skala innerhalb des Kristalls eröffnet SRO „weite Möglichkeiten für Materialien, die maßgeschneidert, Atom für Atom, mit spezifischen Nachbarschaftsanordnungen entworfen werden, um gewünschte Eigenschaften wie Festigkeit zu erreichen“, sagte der Studienleiter Professor Simon Ringer, Pro‑Vice‑Chancellor (Research Infrastructure) an der Universität Sydney.

Manchmal als das „Materialgenom“ bezeichnet, war SRO bislang schwer zu messen und zu quantifizieren. Das liegt daran, dass atomare Anordnungen in einem so kleinen Maßstab vorkommen, dass sie mit herkömmlichen Mikroskopietechniken nicht sichtbar sind.

Das Forschungsteam entwickelte daher eine neue Methode mittels APT, die diese Herausforderungen überwindet und „einen bedeutenden Durchbruch in der Materialwissenschaft darstellt“, sagte Ringer, Materialingenieur bei AMME. 

Der Fokus der Studie lag auf Hochentropie‑Legierungen (HEAs), einem stark erforschten Gebiet wegen ihres Potenzials für Anwendungen, die hohe Temperaturfestigkeit erfordern, etwa in Turbinen und Kraftwerken.

Unter Einsatz fortschrittlicher Data‑Science‑Techniken und Daten aus der APT beobachteten und maßen die Forscher SRO. Sie konnten anschließend vergleichen, wie sich SRO in einer Hochentropie‑Legierung aus Kobalt, Chrom und Nickel bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen verändert.

Laut Dr. Andrew Breen, Senior Postdoctoral Fellow:

„(Die Studie hat eine) Sensitivitätsanalyse erzeugt, die den genauen Bereich von Umständen abgrenzt, in denen solche Messungen gültig sind und in denen sie nicht gültig sind.“

Durch das Messen und Verstehen von SRO könnte diese Studie auch dazu beitragen, Ansätze im Materialdesign zu transformieren und zeigen, wie „kleine Änderungen in der atomaren Architektur zu riesigen Sprüngen in der Materialleistung führen können“, sagte Dr. Mengwei He, Post‑Doc‑Forschungsstipendiat an der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Darüber hinaus erweitert die Bereitstellung eines mikroskopischen Bauplans die Fähigkeiten von Forschern, Materialien rechnerisch zu simulieren, zu modellieren und ihr Verhalten vorherzusagen. Sie kann zudem als Vorlage für zukünftige Studien dienen, in denen SRO kritische Materialeigenschaften steuert. 

Ein neues Material, das hyperschallflüge ermöglicht

Es besteht großes Interesse daran, einen dauerhaften Flug bei hyperschallartigen Geschwindigkeiten zu erreichen, doch technische Herausforderungen bleiben. Dazu gehören das Management extremer Hitze, die Entwicklung von Materialien, die Stress, extreme Temperaturen und Oxidation standhalten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, sowie die Schaffung von Antriebssystemen, die bei hohen Geschwindigkeiten und Höhen effizient arbeiten.

Während Forscher nach Lösungen für diese Probleme suchen, berichteten Wissenschaftler der School of Materials Science and Engineering der Guangzhou University Anfang dieses Jahres von einem Durchbruch bei hyperschall‑Hitzeschildern.

In einem potenziellen Wendepunkt für den hyperschall‑Flug entwickelten die Wissenschaftler ein neues Material, poröse Keramik, das „außergewöhnliche thermische Stabilität“ und „ultrahohe Druckfestigkeit“ bietet. 

Dies wurde durch ein mehrstufiges Strukturdesign erreicht, das, so die Wissenschaftler, zum ersten Mal umgesetzt wurde. Darüber hinaus eröffnet die schnelle Fertigung dieser Hochentropie‑Keramiken breitere Forschungsmöglichkeiten in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Chemie‑Ingenieurwesen sowie Energieerzeugung und -übertragung.

Die Forscher erklärten, dass die Keramiken durch „eine ultraschnelle Hochtemperatursynthesetechnik hergestellt wurden, die zu außergewöhnlicher mechanischer Belastungsfähigkeit und hoher thermischer Isolationsleistung führen kann.“

Um die Herausforderung starker, leichter Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zu bewältigen, setzten die Wissenschaftler keramische Materialien ein, die nicht brennbar und korrosionsbeständig sind, hohe Schmelzpunkte besitzen und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Konventionelle Keramiken reichen jedoch immer noch nicht aus, um extrem hohe Temperaturen und Drücke zu bewältigen.

Während leichte, poröse Materialien geringe Wärmeübertragungsfähigkeiten besitzen, gehen sie mit größerer Zerbrechlichkeit einher.

Daher begannen die Forscher, gleichzeitig die „mechanische Festigkeit und die thermische Isolationskapazität poröser Keramiken“ zu verbessern. Dies führte sie zum Hochentropie‑Konzept, das mehrere Elemente in gleichen Anteilen fokussiert, um stärkere, stabilere und hitzebeständigere Komponenten zu schaffen.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass das neu geschaffene keramische Material – genannt 9‑Kation‑poröse Hochentropie‑Diborid (9PHEB) – erfolgreich ein gutes Gleichgewicht zwischen Hitzebeständigkeit und Festigkeit ohne die üblichen Einschränkungen erreicht. Dieses neue Material erfüllte zudem die geforderten Gewichts‑ und Isolationsstandards für den Luft‑ und Raumflug.

Laut den Forschern:

„Hochwertige Schnittstellen, gekennzeichnet durch starke Bindungen ohne Defekte oder amorphe Phasen, können die schnelle Kraftübertragung entlang des Bausteins und zu vielen anderen durch Verbindungen bei Belastung fördern, was zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Festigkeit führt.“

Die Studie stellte zudem fest, dass das neue Material 9PHEB sowohl in Bezug auf Festigkeit als auch thermische Stabilität außergewöhnlich ist. 

Selbstheilende Materialien für Luft- und Raumfahrtstrukturen

Selbstheilende Polymere und Nanokomposite sind innovative Materialien, die die Luft‑ und Raumfahrtindustrie erheblich vorangebracht haben. Sie wurden auch intensiv für Anwendungen in Elektronik, Batterien, Biomedizin und anderen technischen Bereichen erforscht. 

Obwohl selbstheilende Materialien seit vielen Jahrhunderten existieren, hat es in den letzten Jahrzehnten einen deutlichen Innovationsschub in diesem Feld gegeben, der zur Entwicklung synthetischer selbstheilender Materialien führte.

Diese Materialien können in verschiedenen Formen vorkommen, abhängig von ihrer einzigartigen Chemie, darunter thermoplastische Polymere, Duroplaste, Elastomere, Formgedächtnis‑Polymere, Polymerverbundstoffe und Nanokomposite. 

Je nach Fähigkeit werden diese Materialien oft als intrinsische selbstheilende Materialien bezeichnet, die auf chemischen Bindungen oder molekularer Mobilität im Material selbst beruhen, oder als extrinsische selbstheilende Materialien, bei denen externe Heilmittel bei Beschädigung aktiviert werden.

Polymere gelten als besonders wichtig für strukturelle Anwendungen aufgrund ihrer erstaunlichen Fähigkeit, strukturelle Schäden zu reparieren. Dies wird erreicht durch Mobilisierung der Polymerketten und Vernetzung.

In der Luft‑ und Raumfahrt sind selbstheilende Nanokomposite besonders nützlich für konstruierte Strukturen, Klebstoffe, Triebwerke, Rümpfe und Beschichtungen. Selbstheilende Nanokomposite werden hergestellt durch Einbringen von Nanopartikeln in Polymere. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Schäden reversibel zu heilen, werden Duroplaste und thermoplastische Polymere mit nano‑Kohlenstoff‑Nanopartikeln verstärkt.

Nanofüllstoffe verstärken den Selbstheilungseffekt von Nanokompositen weiter. Typ und Gehalt des Nanofüllstoffs sind entscheidende Faktoren für die Auslösung des Selbstheilungseffekts.

Traditionell wurden keramische und metallische Materialien zur Entwicklung von Triebwerken verwendet. In jüngerer Zeit werden jedoch zunehmend polymerbasierte Materialien und Verbundstoffe in hochtemperaturbeständigen Jet‑Triebwerken eingesetzt. Dieser Wandel hat gute Gründe, da Verbundstoffe strukturelle Schäden durch Aufprall oder Versagen besser widerstehen.

Mit keramischen Fasern, die sehr hohen Temperaturen standhalten, wurden selbstheilende Nanokomposite zur Herstellung fester und mobiler Jet‑Triebwerkskomponenten eingesetzt. Diese Nanomaterialien wurden zudem als beständig gegen Druck, Beschädigung und Korrosion befunden, was zu einer verbesserten Triebwerkseffizienz beiträgt.

Die laufende Forschung an selbstheilenden Polymeren zeigt Potenzial für Materialien, die hohem Druck, hohen Temperaturen und Aufprallsituationen standhalten und die Haltbarkeit von Raumstrukturen erheblich verbessern können. In Zukunft könnten sogar Nanokohlenstoff‑Nanokomposite entwickelt werden, die Schäden in Luft‑ und Raumfahrtstrukturen erkennen, was jedoch neue Heilmittel mit überlegener Selbstheilungseffizienz erfordern würde.

Interessanterweise hat Dr. Kunal Masania, außerordentlicher Professor für Luft‑ und Raumfahrtstrukturen und -materialien an der Delft University of Technology in den Niederlanden, „lebende Materialien“ entwickelt für den Einsatz im Luft‑ und Raumfahrtsektor. Diese lebenden Materialien enthalten Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, die ihnen die Fähigkeit zur Selbstheilung verleihen. 

Das Team wählte Pilze wegen ihrer Fähigkeit, raue Bedingungen zu tolerieren, und ihrer relativen Kultivierbarkeit. Pilzzellen können sich auch verbinden, sodass durch die Verteilung weniger Zellen im Material diese sich wieder verbinden und ein Sensornetzwerk bilden können. Diese lebenden Materialien werden tatsächlich durch ein spezielles 3D‑Druckverfahren und eine neue 3D‑Druck‑Tinte hergestellt.  

Diese Entwicklung erfolgte im Rahmen eines fünfjährigen Projekts, AM‑IMATE, das ein Fördermittel der Europäischen Union erhalten hat. Laut Masania:

„(Ziel des Projekts ist) die Entwicklung von konstruierten Strukturen, die sich wie lebende Organismen verhalten, in der Lage sind, mechanische Belastungen zu spüren und sich daran anzupassen.“ 

Durch die Nutzung biologischer selbstheilender Materialien kann nicht nur die Haltbarkeit und Leistung kritischer Strukturen in der Luft‑ und Raumfahrt verbessert werden, sondern es kann auch nachhaltig sein. Das AM‑IMATE‑Team untersucht tatsächlich die Verwendung von Verbundstoffen als Kernmaterial für Flugzeuginnenräume.

„Unsere Materialien sind sehr leicht und nachhaltiger als die derzeit verwendeten Materialien“, sagte Masania und fügte hinzu, dass der Ersatz von Kunststoff und Metall bedeutet, dass wir nicht mehr auf fossile Brennstoffe angewiesen sind. Außerdem könnten „die Flugzeugkomponenten demontiert und in die Natur zurückgeführt werden“, sagte er.

Aber das ist noch nicht alles. Das Team sieht ihre lebenden Materialien sogar als Grundlage für neue Lebensräume „auf anderen Planeten“, indem lokale Materialien verwendet und mit Pilzen zusammengebunden werden.

Führende Unternehmen in der Luft- und Raumfahrttechnologie

Wenn wir uns die Unternehmen ansehen, die in der Luft‑ und Raumfahrtindustrie tätig sind, treiben mehrere Schlüsselakteure die Technologie voran, darunter General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) und Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), einer der größten Rüstungsauftragnehmer der Welt, ist ebenfalls ein bedeutender Akteur in diesem Bereich. Bekannt für seine Kampfflugzeuge, Raketensysteme und Weltraumtechnologien, hat Lockheed Martin in Zusammenarbeit mit Amazon (AMZN ) und Cisco eine KI‑basierte Telekommunikationssoftware namens Callisto entwickelt, um die Effizienz und Situationswahrnehmung an Bord von Raumfahrzeugen zu verbessern. Zuletzt erwarb das Unternehmen den Satelliten‑Lösungsanbieter Terran Orbital in einem Deal über 450 Millionen $.

Boeing ist ein weiterer wichtiger Akteur im kommerziellen und militärischen Luft‑ und Raumfahrtsektor. Das Unternehmen steht derzeit wegen Qualitätskontrollproblemen, anhaltenden Schwierigkeiten mit dem 737 Max‑Flugzeug, Sicherheitsbedenken und der Konkurrenz durch Airbus stark im Fokus.

Airbus ist hauptsächlich in der Konstruktion und Fertigung von Verkehrsflugzeugen tätig. Um die CO₂‑Emissionen seiner Produkte zu reduzieren, entwickelt das Unternehmen bio‑abgeleitete Materialien für die Flugzeugproduktion. Dafür sucht es nach Alternativen zu kohlenstoffbasierten Fasern aus fossilen Brennstoffen, die in Bauteilen wie Flügeln oder Rumpfschalen verwendet werden.

Nun wollen wir einen genaueren Blick auf ein paar prominente Namen werfen:

#1. Raytheon Technologies

Fokussiert auf Avionik, Verteidigungselektronik und Raketensysteme, hat Raytheon im Jahr 2020 seine Fusion mit United Technologies abgeschlossen und damit den weltweit fortschrittlichsten Anbieter von Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Verteidigungssystemen geschaffen.

Während das Unternehmen seine Produkte und Expertise weltweit liefert, umfassen einige bemerkenswerte Entwicklungen dieses Jahres:

• Auswahl durch DARPA für Quanten‑Optiksensoren, die in Bildgebungsanwendungen eingesetzt werden.
• Vorstellung von MAYA als Zukunft des Premium‑Luftverkehrs.
• Investition von $200 mln in Spokane zur Förderung des Fertigungswachstums.
• Abschluss des Crew Capability Assessment‑Tests seines nächsten Raumanzugs für die Internationale Raumstation.
• Vergabe eines Vertrags über $344 mln zur Modernisierung der Elektronikeinheit für ein Raketentrainingsprogramm.

Zum Zeitpunkt der Erstellung werden Raytheon‑Aktien (RTX:NYSE) bei $118,35 gehandelt, ein Anstieg von 40,66 % im Jahresverlauf. Die Marktkapitalisierung beträgt $157,43 Mrd., die Dividendenrendite liegt bei 2,13 %.

Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von $19,7 Mrd., ein Anstieg von 8 % gegenüber dem Vorjahr, während der operative Cashflow $2,7 Mrd. betrug. Raytheon verzeichnete einen Auftragsbestand von $206 Mrd., darunter $129 Mrd. im kommerziellen und $77 Mrd. im Verteidigungsbereich. Das bereinigte EPS lag bei $1,41, ein Plus von 9 % gegenüber dem Vorjahr.

„RTX lieferte im zweiten Quartal eine starke operative Leistung mit einem organischen Umsatzwachstum von 10 %, einer erweiterten Marge in allen drei Segmenten und einem freien Cashflow von $2,2 Mrd.“

– RTX Präsident und CEO Chris Calio

Er betonte zudem, dass sie angesichts des Auftragsbestands und der „beispiellosen Nachfrage in unserem Portfolio“ in innovative Technologien und Fähigkeiten investieren.

#2. Northrop Grumman

Spezialisiert auf Verteidigung und Luft‑ und Raumfahrt, ist Northrop Grumman (NOC ) für seine Arbeit an unbemannten Systemen, Cybersicherheit und fortschrittlichen Weltraumsystemen, einschließlich des James‑Webb‑Weltraumteleskops, bekannt. Das Unternehmen entwickelt zudem den B‑12‑Bomber und das Sentinel‑Programm. Darüber hinaus kooperiert Northrop Grumman mit Elon Musks SpaceX an einem US‑Spionagesatellitensystem, arbeitet mit EpiSci an fortschrittlichen Autonomie‑Fähigkeiten zusammen und unterstützt Norwegens langfristigen Verteidigungsplan durch seine Arbeit mit Andøya Space.

Zum Zeitpunkt der Erstellung werden Northman‑Aktien bei $504,87 gehandelt, ein Anstieg von 7,85 % im Jahresverlauf, wodurch die Marktkapitalisierung $73,83 Mrd. beträgt. Die Dividendenrendite liegt bei 1,63 %. Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatzanstieg von 6,7 % auf $10,22 Mrd. Das Quartal verzeichnete über $1,11 Mrd. freien Cashflow, während die Ausgaben etwa $3 Mrd. für F&E und $1,8 Mrd. für Investitionen umfassten. Northrops EPS übertraf die Schätzungen um 7,6 % und lag bei $6,36.

Das Unternehmen prognostiziert ein solides Wachstum in seinen Bereichen, insbesondere in der Luftfahrt, den Waffensystemen und der fortschrittlichen Elektronik. Im nächsten Jahr wird im Space‑Segment ein leichter Rückgang erwartet, da ein Programm abgesagt wurde, doch das Wachstum wird voraussichtlich danach wieder aufnehmen. Während das Unternehmen Lieferkettenengpässe, insbesondere bei der Beschaffung von Ammoniumperchlorat für Feststoffraketenmotoren, anerkennt, erwähnte CEO Kathy Warden, dass sie mit der Luftwaffe zusammenarbeiten, um Kosten zu senken.

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Fazit

Der Luft‑ und Raumfahrtmarkt liegt derzeit bei etwa $300 Mrd. Während er während der COVID‑19‑Pandemie kurzzeitig zurückging, wird er voraussichtlich bis 2028 $460 Mrd. übersteigen. Gleichzeitig wird der Umsatz des Marktes für die Herstellung von Luft‑ und Raumfahrt‑Bauteilen voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts $1.230 Mrd. übersteigen.

Angesichts des Wachstums, das die Branche verzeichnet, findet technologische Innovation in rasantem Tempo statt. Von effizienteren Flugzeugen durch elektrische Antriebssysteme, der Schaffung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe und Fortschritten in KI‑ und Sensortechnologie, um vollständig autonome Flugzeuge zu ermöglichen, bis hin zu Forschung und Einführung nachhaltiger Flugkraftstoffe (SAFs), die aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden, geschieht viel, und gemeinsam können diese Innovationen erhebliche Veränderungen mit sich bringen, die die Zukunft der Luft‑ und Raumfahrt prägen.

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