Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Auf der Jagd nach dem feinsten Tropfen

Mit Simulationsmethoden den Abgasausstoß von Flugzeugen um die Hälfte verringern

14.11.2017

KIT

Zerstäubung des Kerosins im Experiment: Ziel der Simulationen ist es, die optimale Tropfenverteilung zu berechnen.

Moderne Verkehrsflugzeuge kommen schon mit weniger als drei Litern Treibstoff pro 100 Kilometer und Passagier aus. Diesen Wert noch weiter zu verbessern, daran arbeiten Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im University Technology Centre von Rolls-Royce. Zudem wollen die Ingenieure den Verbrennungsprozess so optimieren, dass deutlich weniger Abgase entstehen. Dafür nutzen sie Superrechner und Simulationsmethoden, die sonst bei Tsunami-Berechnungen oder für Wasser-Effekte in Computerspielen eingesetzt werden.

Um beim Fliegen weniger Schadstoffe wie Ruß oder Stickoxide zu produzieren, reiche es nicht, den Verbrauch zu reduzieren, stellt Rainer Koch, Abteilungsleiter Brennkammerentwicklung am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) des KIT, klar. Vielmehr sei es dafür notwendig, die Verbrennung selbst zu verbessern. Für das Ziel, Umweltfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Flugtriebwerken immer weiter zu steigern, kooperieren die Forscher innerhalb eines sogenannten University Technology Centres (UTC) seit nun genau zehn Jahren mit dem Triebwerkhersteller. Das Vorhaben ist kein leichtes Unterfangen: Denn allein den Verbrennungsprozess zu beobachten, ist bei einer Maschine, in der anders als beim Kolbenmotor alle vier Takte – Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen – gleichzeitig und ununterbrochen ablaufen, in die permanent ein Luftstrom mit 300 Metern pro Sekunde strömt und in der dazu Temperaturen deutlich über dem Schmelzpunkt der verbauten Materialien herrschen, alles andere als einfach. Entsprechend teuer und komplex sind experimentelle Untersuchungen von Kraftstoffeinspritzung, Schadstoffbildung und Vermeidung.

Um diese Fragestellung anzugehen, haben Koch und sein Team einen virtuellen Düsenprüfstand entwickelt, mit dem sich mittels numerischer Verfahren die Schadstoffbildung in der Brennkammer vorhersagen lässt. Smoothed Particle Hydrodynamics heißt die Methode, mit der die Ingenieure Größe, Form, Flugbahn und Dynamik von Abermillionen winzigster Kerosintröpfchen berechnen – und visualisieren. Ursprünglich diente die Methode Astrophysikern dazu, Explosionen ganzer Galaxien zu berechnen. Später kamen die Simulation von Tsunamis und visuelle Effekte in Filmen und Videospielen hinzu. „Wir haben dann gesagt, das machen wir jetzt für die Kraftstoffzerstäubung“, so Koch.

Dazu füttere man den Supercomputer mit den technischen Daten der Einspritzdüse, erklärt Thilo Dauch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ITS. Diese wird dafür zunächst am Computer in kleinste Bereiche aufgeteilt, Volumenelemente genannt. 1,2 Milliarden dieser Volumenelemente nehme man dabei in den Blick, in Industrie und Forschung sind sonst eine Million bis 100 Millionen üblich. Ebenso beeindruckend ist auch die Datenmenge: 60 Terabyte Daten generiert das Programm aus einem Testlauf. Nach etwa einem Monat liegt das Ergebnis vor. „Mit einem herkömmlichen PC bräuchten sie dafür 72 Jahre“, so Dauch. Der Aufwand lohnt: „Ein Triebwerk kostet zwischen 5 und 20 Millionen, ein Tag auf dem Triebwerksprüfstand kostet mehrere 10.000 Euro.

Und das Resultat sind nicht bloß Zahlentabellen. Denn: „Wir können auch direkt in die Brennkammer hineinschauen“, sagt Koch. In der 3D-Simulation können die Forscher verfolgen, wie der Kraftstoff zunächst Lasso-artige Schlieren bildet, welche sich zu Blasen formen, die dann zerplatzen und in vielgestaltige Tropfen auseinanderstieben. Ein faszinierendes Schauspiel, das bei der Suche nach dem nach Form und Größe passendsten Tropfen aber praktischen Nutzen hat. Durch den optischen Eindruck können die Forscher die Berechnungen überprüfen und auch ein tieferes Verständnis für das Geschehen in der Brennkammer entwickeln. „Wir haben die Einspritzdüse schon entscheidend verbessern können“, betont Koch. „Und es geht noch weiter“.

In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre Methode auf weitere Anwendungsgebiete ausweiten. Von Waschmittel- über Werkzeugherstellung bis zu Lackierarbeiten – Tropfen gibt es überall.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Treibstoffe
  • Karlsruher Institut…
  • Computersimulationen
  • Ruße
  • Kerosin
Mehr über KIT
  • News

    Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

    Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. R ... mehr

    Quantenrechnen ermöglicht schnelle Datenbanksuche

    Fotosammlungen oder Soziale Netzwerke sind Datensammlungen, in denen die Daten meistens nicht sortiert vorliegen. Die Suche nach einzelnen Elementen, also nach der Nadel im Daten-Heuhaufen, ist bei sehr großen Datenmengen für klassische Computer extrem aufwändig. Wissenschaftler am Karlsruh ... mehr

    Ceroxid-Nanopartikel: Auf die Oberfläche kommt es an

    Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen, Stromerzeugung aus Sonnenlicht oder Spaltung von Wasser: Diese und weitere Anwendungen können künftig von neuen Erkenntnissen zu Ceroxiden profitieren: Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Wissenschaftler Ceroxid-Nanopartikel mithilfe von Son ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Stefan Bräse

    Stefan Bräse, geb. 1967, studierte Chemie in Göttingen und promovierte dort 1995 an der Universität. Nach Postdoktoraten in Uppsala/S und La Jolla/USA begann er an der RWTH ­Aachen mit seinen eigenständigen Arbeiten (Habilitation in organischer Chemie 2001) und wechselte 2001 als Professor ... mehr

    Dr. Sidonie Vollrath

    Sidonie Vollrath, geb. 1984, studierte Chemie in Karlsruhe und promovierte 2012 am KIT in der Gruppe von Prof. S. Bräse. ­Während des Studiums und der Promotion ­absolvierte sie Forschungsaufenthalte an der University of Wisconsin in Madison bei Prof. H. Blackwell sowie an der New York Univ ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.