HyTank

Test- und simulationsbasierte Analyse von Klebverbindungen für kryogene Anwendungen und Nachhaltigkeitsbetrachtungen zum Fügeprozess eines CFK-LH2-Tanks für die kommerzielle Luftfahrt

Um langfristig am Markt erfolgreich sein zu können, muss die deutsche Luftfahrtindustrie auf die steigende Nachfrage nach CO₂-emissionsfreiem Fliegen reagieren. Kryogener Wasserstoff als Kraftstoff in Kombination mit einem turbinen- oder brennstoffzellenbetriebenen Triebwerk stellt dafür eine vielversprechende Lösung dar. Neben den Forschungen zu den neuen Antriebssystemen muss auch intensiv an Tanksystemen für flüssigen Wasserstoff geforscht werden, da die massenoptimierte Speicherung ein wesentliches Schlüsselelement zur Umsetzung des emissionsfreien Fliegens darstellt.
Hauptziel des Verbundvorhabens HYTANK ist es, einen wesentlichen Beitrag für die Entwicklung von Tanks aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zur kryogenen Wasserstoffspeicherung zur Realisierung emissionsfreier Passagierflugzeuge zu leisten. CFK bietet immenses Leichtbaupotential im Vergleich zu verfügbaren metallischen Tanks, was für Flugzeuge mit höheren Reichweiten von besonderer Bedeutung ist. Im Verbund HYTANK sollen daher ressourceneffiziente Bearbeitungs- und Montageverfahren für Flüssigwasserstofftanks aus CFK entwickelt sowie fertigungstechnisch umgesetzt und getestet werden.
Die TU Dresden fokussiert sich dabei auf die experimentelle Aufklärung und mathematische Beschreibung des Einflusses von flüssigem Wasserstoff auf das Verhalten der Fügepartner in Laminatdickenrichtung, die Schädigung der Klebstoffe und der resultierenden Klebverbindungen. Hierbei steht die Entwicklung angepasster Methoden für Prüfungen in kryogener Umgebung im Vordergrund. Darüber hinaus wird der Aushärtungsprozess der Klebstoffe hinsichtlich seiner Reaktionskinetik analysiert, um eine möglichst energieeffiziente Prozessführung aufzuzeigen. Der Fügeprozess wird im Konsortium mittels LCA bewertet.

Kryostat für Prüfung in LH2: 5 verschiedene Fotos nebeneinander: Messkyrostat, Schnitt durch den Versuchsaufbau, Detail Antriebseinheit, Detail Probenklemmung, Belastungsrohr in Montagehalterung. — Abb. 01: Kryostat für Prüfung in LH2.

Die Ergebnisse der Versuche an den im Projekt ausgewählten Vorzugsklebstoffen bei vier Temperaturen (296 K, 77 K, 20 K und 4 K) zeigen deutlich die erheblichen Eigenschaftsänderungen, die Klebstoffe bei Absenkung der Temperatur in den kyogenen Bereich aufweisen. So steigt die Steifigkeit bei allen untersuchten Klebstoffen erheblich an (Abb. 02), die Festigkeiten bieten demgegenüber ein differenziertes Bild (Abb. 03). Hervorzuheben ist, dass die Prüfung bei 20 K unter Medieneinfluss (flüssiger Wasserstoff) erfolgte.

Diagramm zum Vergleich des Elastizitätsmoduls verschiedener Klebstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur. — Abb. 02: Elastizitätsmodul für verschiedene Temperaturen und Klebstoffe.

Diagramm zum Vergleich der Festigkeit verschiedener Klebstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur. — Abb. 03: Festigkeitsvergleich für verschiedene Temperaturen und Klebstoffe.

Der Aufbau eines funktionalen Klebstoffmodells, welches auch kryogene Temperaturen berücksichtigen kann, erforderte weitere Untersuchungen an verschiedenen Klebverbindungen. Diese wurden bei fünf verschiedenen Temperaturen bei jeweils drei Klebschichtdicken untersucht. Abb. 04 zeigt die Ergebnisse für den Schrägzugversuch.