o_190b92ptg1anf1eaka0f1i7s1foba.pdf

BauhausLuftfahrt

2013


Das Bauhaus Luftfahrt beschreitet

„neue Wege“ in der Luftfahrt. Durch

die ganzheitliche Betrachtung der

Zukunftstreiber des Luftverkehrs

und neuartige Herangehensweisen

gelangt das interdisziplinäre Team

zu innovativen Lösungen von morgen

und übermorgen.

Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

New ways through the drivers of aviation

Neue Wege für innovative Lösungsansätze

New ways for innovative solutions

Neue Wege in Methoden und Prozessen

New ways in methods and processes

Bauhaus Luftfahrt is going new

ways in aviation. Through the holistic

approach in the analysis of future

drivers of air travel as well as novel

methods and processes, the interdisciplinary

team develops innovative

solutions for tomorrow and beyond.


Inhalt

Contents

Die drei Säulen des Bauhaus Luftfahrt

The three focus areas of Bauhaus Luftfahrt

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

1 New ways through the drivers of aviation ....................... 16

2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze

2 New ways for innovative solutions ..................38

3 Neue Wege in Methoden und Prozessen

3 New ways in methods and processes . ... 82

2

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Willkommen im Bauhaus Luftfahrt

Welcome to Bauhaus Luftfahrt

7 Vorwort des Beiratsvorsitzenden

Foreword of the Chairman of the Board

8 Über das Bauhaus Luftfahrt

About Bauhaus Luftfahrt

11 Vorwort der Vorstände

Foreword of the Directors

14 Neue Wege in der Luftfahrt – drei Forschungsschwerpunkte

New ways in aviation – Three focus areas

19 Impuls: Ökonomie und Verkehr – Mit intelligenter Vernetzung

den Engpässen zukünftiger Mobilität vorbeugen

Impulse: Economics and Transportation – Mitigating future

mobility bottlenecks through intelligent networking

41 Impuls: Visionäre Flugzeugkonzepte – Der ingenieurwissenschaftliche

Entwicklungspfad zu ultra-emissionsarmen und

emissionsfreien Flugzeugen

Impulse: Visionary Aircraft Concepts – The engineering

pathway to ultra-low and zero-emission aircraft

85 Impuls: Innovationspotenziale erkennen – Eine wesentliche

Orientierungskompetenz für die Zukunft

Impulse: Identifying innovation potentials – An essential skill

for navigating the future

94 Munich Aerospace

96 aireg

Zahlen und Fakten

Facts and figures

102 Finanzen

Financial figures

103 Personal

Personnel

104 Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente

Scientific publications / Patents

109 Medien / Vorträge

Media / Lectures

111 Impressum

Imprint

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 3


Inhalt

Contents

1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

1 New ways through the drivers of aviation

20 Herausforderungen und Entwicklungsperspektiven für

Drehkreuzflughäfen in Europa

Challenges and development perspectives for

European hub airports

22 Anforderungen an Konzepte für personalisierte Mobilität im

Luftverkehr des Jahres 2050

Requirements for concepts of personalised mobility in

air transport of the year 2050

24 Das Luftverkehrssystem in Jahr 2050: Ein reibungsloses

Passagiererlebnis

The air transport system in 2050: Towards a seamless

passenger experience

26 Strahlungsabschirmung im Luftverkehr: Nanomaterialien und

Synergieeffekte für Wasserstoff-Flugzeuge

Radiation shielding in air traffic: Nanomaterials and synergy

effects from cryoplane technology

28 Nachhaltige Leichtbau mate rialien für die Luftfahrt:

Erneuerbare Faserverbund werkstoffe

Sustainable lightweight materials for aviation:

Renewable fibre composites

30 Untersuchung einer Strukturüberwachung für

formadaptive Systeme

Exploration of structural health monitoring for

active compliant systems

32 Quantifizierung des globalen Bioenergiepotenzials:

Jatropha curcas und Plantagenholz

Quantification of the global bioenergy potential:

Jatropha curcas and short-rotation coppices

34 Kerosin aus Algen: Lebens zyklusanalyse und

wirtschaft liche Machbarkeit

Jet fuel from algae: Life cycle analysis and

eco nomic feasibility

36 Perspektiven für eine umfangreiche Versorgung mit

„solaren“ Kraftstoffen

Perspectives for a large-scale supply with “solar” fuels

4

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze

2 New ways for innovative solutions

42 Untersuchung von Batterien als Schlüsseltechnologien

des elektrischen Fliegens

Assessment of batteries as key technologies for

electric flight

46 Charakterisierung hybrider Systemarchitekturen für

elektrische Flugzeuge

Characterisation of hybrid systems architectures for

electric aircraft

50 Vorkonzeptionelle Leistungsbetrachtungen elektrisch

versorgter Flugantriebe

Pre-concept performance investigation of electrically

powered aero propulsion

54 Abschätzung der Betriebskosten von elektrisch

angetriebenen Verkehrsflugzeugen

Operating cost estimation for electrically powered

transport aircraft

58 Einfluss von elektrisch an getriebenen Flugzeugen auf den

Batterie- und Energie bedarf für Deutschland

Impact of electrically powered transport aircraft on energy

and battery demand for Germany

62 Flightpath 2050: Beiträge von Technologien für die

Flugzeugkabine und den Betrieb am Boden

Flightpath 2050: Contributions of cabin-related and ground

operation technologies

66 Parametrische Entwurfsstudien für Flugzeugkonzepte mit

„Propulsive Fuselage“

Parametric design studies for ”propulsive fuselage“

aircraft concepts

70 Langfristige Perspektiven jenseits von Biokraftstoffen

erster und zweiter Generation

Long-term perspectives beyond first- and second-generation

biofuels

74 QuaNaBioL: Untersuchung der Nach haltig keit entlang der

Lieferkette von Biokerosin

QuaNaBioL: Assessment of sustainability along the aviation

biofuel supply chain

78 Fliegende Kommunikationsnetzwerke: Analyse der

Netzabdeckung und zukünftiger Kapazitätsanforderungen

Airborne communication networks: Analysis of network

coverage and future capacity demands

3 Neue Wege in Methoden und Prozessen

3 New ways in methods and processes

86 Szenario-basierte Bewertung der Lebenszykluskosten

zukünftiger Flugzeugkonzepte

Scenario-based life-cycle cost assessment of future

air transport concepts

88 Kombination verschiedener Szenariostudien zu

Meta- Szenarien

Aggregation of numerous scenario studies to form

meta-scenarios

90 Einsatz von semantischen Technologien im Flugzeugentwurf

Application of semantic technologies in aircraft design

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 5


6

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Vorwort des Beiratsvorsitzenden

Foreword by the Chairman of the Board

Dr. Detlef Müller-Wiesner

Sehr geehrte Damen und Herren,

was führt eine Chemikerin aus Arizona, einen Luftfahrtingenieur

aus China und eine Wirtschaftspolitikerin aus Bayern an einem

einzigen Tag gemeinsam nach München? Die Antwort: Das Bauhaus

Luftfahrt. Alle drei interessierten sich nämlich brennend für

die „Zukunft der Luftfahrt – Perspektiven für 2050“. So lautete Anfang

Juni der offizielle Titel des ersten internationalen Bauhaus

Luftfahrt-Symposiums, zu dem fast 200 Gäste begrüßt werden

konnten.

Die zahlreichen Teilnehmer und ihr überaus positives Echo

verdeutlichen zum einen die Anerkennung, die dem Bauhaus Luftfahrt

mittlerweile auch international zuteil wird. Zum anderen wird

aber auch deutlich, wie gut es seiner Rolle als Brückenbauer und

Moderator zwischen den einzelnen Interessengruppen der Luftfahrt

gerecht wird. Die wissenschaftliche Vernetzung stellt ein wesentliches

Element der Arbeiten des Bauhaus Luftfahrt dar. Nur so

ist es möglich, wesentliche aktuelle Entwicklungen in der Gesellschaft

und der Forschung zu identifizieren und in die Betrachtung

des Luftverkehrs der Zukunft einzubeziehen.

Die große thematische Breite der Forschungsarbeiten überzeugte

nicht nur die Förderer des Bauhaus Luftfahrt, sondern auch

die Teilnehmer des Symposiums. Viele der der dort vom Bauhaus

Luftfahrt präsentierten Themen finden sich natürlich auch in diesem

Jahrbuch wieder, bei dessen Lektüre ich Ihnen viel Freude

wünsche.

Im Namen des Beirats danke ich nicht nur dem gesamten

Team des Bauhaus Luftfahrt und dem bisherigen Vorstand für die

erneut großartigen Leistungen im Jahr 2013. Nochmals begrüße

ich auch ganz herzlich Insa Ottensmann, die als neuer Vorstand

Finanzen und Organisation weitere positive Impulse für die zukünftige

Entwicklung des Bauhaus Luftfahrt geben wird.

Dear Sir or Madam,

What does it take to bring a chemist from Arizona, an aerospace

engineer from China and an economics politician from Bavaria together

on the same day in Munich? The answer is simple: Bauhaus

Luftfahrt. These three exemplary people all were highly interested

in the “Future of Aviation” and its “Perspectives for 2050”. Hence,

these two titles were officially chosen for the first international

symposium hosted by Bauhaus Luftfahrt, which in early June attracted

around 200 guests.

On the one hand, the high number of participants and their

overwhelmingly positive feedback once more highlight the good

reputation that Bauhaus Luftfahrt nowadays enjoys even on an

international level. On the other hand, it becomes apparent to

what extent the organization takes on its role as a “bridge builder”

and mediator between all different stakeholders of aviation. Establishing

and continuously extending a comprehensive scientific network

resembles one of the key elements of work at Bauhaus Luftfahrt.

Only in doing so, it becomes possible to identify fundamental

developments in science and society and include these in considerations

for future air travel.

The broad spectrum of research work convinced not only the

members and supporters of Bauhaus Luftfahrt, but also the participants

of the symposium. A good number of topics presented

therein can also be found in this yearbook from which I wish you

an interesting read.

On behalf of the Advisory Board, I not only would like to

thank the entire team of Bauhaus Luftfahrt for its outstanding

achievements in 2013. I moreover would like to again welcome

Mrs. Insa Ottensmann, who in her new position as Executive Director

Finance and Organisation will provide further positive impulses

for the future development of Bauhaus Luftfahrt.

Ihr / Your

Dr. Detlef Müller-Wiesner

Beiratsvorsitzender / Chairman of the Board

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 7


Über das Bauhaus Luftfahrt

About Bauhaus Luftfahrt

Das Bauhaus Luftfahrt ist eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung,

getragen von den vier Luft- und Raumfahrtunternehmen Airbus

Group, Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft (IABG), Liebherr-

Aerospace und MTU Aero Engines sowie einer Förderung durch

das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien,

Energie und Technologie. Der gemeinnützige Verein ist eine international

ausgerichtete Ideenschmiede, die sich mit ihrem Team aus

rund 50 Mitarbeitern mit der Zukunft der Mobilität im Allgemeinen

und mit der Zukunft des Luftverkehrs im Besonderen befasst. Ziel

der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt aus

vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: Bei allen Projekten werden

technische, wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologische Aspekte

ganzheitlich berücksichtigt.

In Anlehnung an die Tradition des „Bauhaus“, Deutschlands

historischer Hochschule für Gestaltung, versteht sich auch das

Bauhaus Luftfahrt als fachübergreifender „Think Tank“. Im Dessau

der 1920er-Jahre wirkten unter der Leitung von Walter Gropius Architekten,

Maler und Bildhauer eng zusammen. Auf diese Weise

ent stand ein breit gefächertes Kompetenzspektrum. Genau das

realisiert das Bauhaus Luftfahrt für die europäische Luftfahrtbranche,

und zwar nicht nur im interdisziplinären Dialog von Ingenieuren,

Ökonomen, Informatikern, Physikern, Chemikern, Geographen,

Kultur- und Sozialwissenschaftlern, sondern auch in enger Kooperation

mit Industrie, Wissenschaft und Politik.

Das Bauhaus Luftfahrt arbeitet unabhängig und im öffentlichen

Interesse. Innovative Ideen müssen dort nicht per se marktorientiert

reifen. Vielmehr gibt das Bauhaus Luftfahrt Antworten

auf die Frage, welche Alternativen für die Anforderungen der Zukunft

denkbar sind. Dabei bestehen für die Wissenschaftler des

Kre ativzentrums kaum gedankliche Tabus. Allerdings wird streng

darauf ge achtet, dass visionäre Konzepte und Strategien stets

auch anwendungsorientiert und technisch machbar sind. Grundlage

zur Entwicklung tragfähiger Lösungen bilden somit immer die

klassischen Disziplinen der Physik und der Ingenieurwissenschaft.

Bauhaus Luftfahrt is an interdisciplinary research institution funded

by the four aerospace companies Airbus Group, Industrieanlagen-

Betriebsgesellschaft (IABG), Liebherr-Aerospace and MTU Aero

Engines as well as through grants from the Bavarian Ministry for

Economic Affairs, Media, Energy and Technology. The non-profit

association is an internationally oriented think tank. Its team of

around 50 employees deals with the future of mobility in general

and with the future of air travel in particular. The goal of the research

work is to consider the complex system of aviation from

different points of view. In every project, the technical, economic,

social and ecological aspects are considered holistically.

In keeping with the “Bauhaus” tradition, Germany’s once renowned

School of Design, Bauhaus Luftfahrt has set out to be a

multi disciplinary think tank. In Dessau in the 1920s, architects,

painters and sculptors worked closely together under the direction

of Walter Gropius, leading to the emergence of a widely diversified

spectrum of expertise. This is exactly what Bauhaus Luftfahrt is

achieving within the European aviation industry – not only in the

interdiscip linary dialogue between engineers, economists, computer

scientists, physicists, chemists, geographers, cultural experts

and social scientists, but also in close cooperation with industry,

science and politics.

The registered association works independently and in the

interest of the public. Here, innovative ideas do not need to be

developed to commercial maturity. Rather, Bauhaus Luftfahrt provides

answers to the question of which alternatives could conceivably

meet tomorrow’s requirements. Scientists at the creative centre

are virtually unconstrained by notional taboos. However, strict

attention is paid to the fact that visionary concepts and strategies

are also always application-oriented and technically feasible. Thus,

the traditional disciplines of physics and engineering science inevitably

create the foundation for the development of sustainable

solutions.

8

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 9


10

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Vorwort des Vorstands

Foreword by the Directors

Prof. Dr. Mirko Hornung

Insa Ottensmann

Sehr geehrte Damen und Herren,

starke Netzwerke sind ein wesentliches Element erfolgreicher Wissenschaft.

Im wissenschaftlichen Austausch in akademischen

Netzwerken werden grundlegende Erkenntnisse geteilt, diskutiert

und weiterentwickelt. Im Austausch mit der Industrie können daraus

neue Produktideen und damit Innovationen entstehen. Forschungsnetzwerke

sind daher unerlässliche Elemente in der Weiterentwicklung

der Luftfahrt. Die Vernetzung von Wissenschaftlern

und Vertretern der Luftverkehrsindustrie war somit auch ein Schwerpunkt

des ersten internationalen Symposiums des Bauhaus Luftfahrt.

Mit 200 Vertretern aus acht Nationen wurden Themen von

der Batterietechnik über persönliche Mobilität bis hin zu fliegenden

Netzwerken diskutiert. Einen Teil der vorgestellten Ergebnisse

finden Sie auch in unserem Jahrbuch wieder, mit dem wir Ihnen

viel Freu de beim Durchstöbern und viele spannende Anreg ungen

wünsche.

Auch regional konnten die Kooperationen innerhalb der bayerischen

Luftfahrtlandschaft weiter ausgebaut werden, unter anderem

in Forschungsprojekten innerhalb von Munich Aerospace

und am Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn.

Am Bauhaus Luftfahrt konnten wir zum 1. August Herrn Dr.

Thomas Röhm begrüßen, der neben der Leitung des Fachbereichs

„Ökonomie und Verkehr“ auch die Position eines wissenschaftlichen

Koordinators übernahm. Mit dem Jahreswechsel 2013 / 14

wird das Bauhaus Luftfahrt auch wieder durch die gewohnte Doppelspitze

geführt. Als somit wieder „vollzähliger“ Vorstand freuen

wir uns gemeinsam mit dem gesamten Team des Bauhaus Luftfahrt

auf viele weitere „neue Wege“ in der Luftfahrt.

Dear Sir or Madam,

Strong networks are a key element of successful research. Within

the scientific community, basic findings are shared, discussed and

further developed in academic networks from which, in cooperation

with the industry, new product ideas and therefore innovations

may develop. Research networks are therefore indispensable

elements for the future development of aviation. Thus, the networking

of researchers and representatives from the aviation industry

has also been a focus of the first international symposium of

Bauhaus Luftfahrt. Together with 200 representatives from eight

nations, numerous topics from battery technology and personal

mobility up to flying communication networks have been actively

discussed. A selection of the presented results can also be found

in our yearbook, which we hope will once more provide for an interesting

read and fascinating inspirations.

On the regional level, the cooperation in the Bavarian aviation

network could be further extended, among others within research

projects of Munich Aerospace and on the Ludwig Bölkow

Campus in Ottobrunn.

On 1 August 2013 we welcomed Dr Thomas Röhm, who has

not only taken over the lead of our “Economics and Transportation”

team but will also act as general research coordinator within Bauhaus

Luftfahrt. With the turn of the year 2013 / 14 our organisation

successfully reconstituted its former leadership structure with two

executive directors. Together with our team we are looking forward

to many more “new ways” for aviation.

Ihr / Your

Prof. Dr. Mirko Hornung

Vorstand Wissenschaft und Technik /

Executive Director Research and Technology

Ihre / Your

Insa Ottensmann

Vorstand Finanzen und Organisation /

Executive Director Finance and Organisation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 11


12

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 13


Neue Wege in der

Luftfahrt – drei

Forschungsschwerpunkte

New ways in aviation –

Three focus areas

1 Treiber der Luftfahrt

1 Drivers of aviation

Die Arbeiten am Bauhaus Luftfahrt

orientieren sich an den drei

wesentlichen Forschungsschwerpunkten:

Treiber der Luftfahrt,

innovative Lösungsansätze sowie

neue Methoden und Prozesse.

The research at Bauhaus Luftfahrt

is oriented along three main focus

areas: drivers of aviation, innovative

solutions, and new methods and

processes.

Unter den Treibern der Luftfahrt werden äußere Einflüsse wie die

sozialen und ökonomischen Randbedingungen des Luftverkehrs

verstanden, aber auch singuläre Technologien, die das Potenzial

eines radikalen Entwicklungsschritts in der Luftfahrt versprechen.

Dies sind zum Beispiel alternative Kraftstoffe, aber auch technologische

Fortschritte bei elektrischen Speichern.

Drivers of aviation represent movements in the external influences,

such as the social and economic developments affecting air transport,

as well as singular technologies indicating the potential for

radical development steps in aviation. For the latter, alternative

fuel solutions as well as technological developments in electrical

storage are only two examples.

14

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

2 Innovative Lösungsansätze

2 Innovative solutions

3 Methoden und Prozesse

3 Methods and processes

Die konzeptionelle Umsetzung und die Bewertung solch potenzialträchtiger

Technologien und Ansätze werden vom Bauhaus Luftfahrt

in integrierten Referenzkonzepten, zum Beispiel auf Flugzeugebene

oder in gesamten Lufttransportsystemen, durchgeführt. Ein

Beispiel für diese innovativen Lösungsansätze ist die integrierte

Bewertung neuer Antriebstechnologien in neuen Luftfahrzeugkonfigurationen.

Die Erkenntnisse in diesem Bereich bilden die Basis

für entsprechende Systembewertungen und Handlungsempfehlungen.

The transfer to system concepts and the evaluation of technologies

indicating such potential are carried out by Bauhaus Luftfahrt

through integrated reference concepts, for instance on the aircraft

or air transport system level. One example of such innovative solutions

is the integrated evaluation of novel propulsion concepts in

new aircraft designs. These innovative solutions provide the basis

for system performance evaluations and recommendations for

further actions.

Alternative Herangehensweisen an Fragestellungen der zukünftigen

Luftfahrt stehen im Fokus des Schwerpunktes „Neue Methoden

und Prozesse“. Neben neuartigen Ansätzen im Bereich des

Wissensmanagements stehen hier auch alternative Softwarekonzepte,

beispielsweise die Erstellung von Entwicklungswerkzeugen

auf Open-Source-Plattformen, im Mittelpunkt. Da neue technische

Konzepte neben fortschrittlichen Technologien zum Teil auch andere

Vorgehens- und Denkweisen in der Umsetzung erfordern, erprobt

das Bauhaus Luftfahrt zudem alternative Aufstellungen

seiner Teams, beispielsweise im Bereich der visionären Flugzeugkonzepte.

Novel approaches to the questions of future aviation are assessed

in the focus area “methods and processes”. Alongside new developments

in knowledge management, alternative software concepts

such as the implementation of new development tools

through the application of an open-source platform are also investigated.

As new technical concepts often also require, besides new

technologies, different methods of implementation, Bauhaus Luftfahrt

further develops novel team setups, for example in the visionary

aircraft concepts division.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 15


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt

New ways through the drivers of aviation

16

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 17


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

18

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Ökonomie und Verkehr: Mit intelligenter Vernetzung

den Engpässen zukünftiger Mobilität vorbeugen

Economics and Transportation: Mitigating future

mobility bottlenecks through intelligent networking

Sehr geehrte Damen und Herren,

Mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum zwischen

vier und fünf Prozent bis 2032 wird der globale Luftverkehr

aktuellen Prognosen zufolge auch in Zukunft schneller als

das weltweite Bruttoinlandsprodukt wachsen. Asien spielt

dabei zwar eine immer größere Rolle, jedoch wird auch für

Europa mit einer weiteren Zunahme gerechnet (zwischen drei

und vier Prozent jährlich). Dies stellt vor allem die Infrastruktur

vor größere Herausforderungen. So sind in Europa bereits

heute viele Drehkreuzflughäfen chronisch überlastet, was zu

erheblichen Verzögerungen führt.

Ein wichtiger Schlüssel liegt in der besseren Nutzung der

vorhandenen Infrastruktur, zum Beispiel durch die Verkürzung

der Standzeiten durch bessere Abstimmung von luft- und landseitigen

Abfertigungsprozessen. Passagierströme könnten mit

Hilfe mobiler Kommunikationstechnik und direktem Datenaustausch

zwischen Flughafen und Fluglinie wesentlich zuverlässiger

als bisher geleitet werden. Allerdings stehen solche neuen

Konzepte oft im Konflikt zu bestehenden Geschäftsmodellen

und Interessen. Es ist deshalb erforderlich, die bisherige strategische

Positionierung zu überdenken und zum Beispiel durch

eine verstärkte Kooperation zwischen Flughafen und Fluglinie

weiterzuentwickeln.

Die stärkere Integration in das Verkehrssystem birgt ebenfalls

großes Potenzial. Durch die gezielte Verlagerung auf Schiene

und Bus können Kapazitätsengpässe gemildert werden. Um

konkrete Ansatzpunkte identifizieren zu können, ist es erforderlich,

verschiedene Szenarien durchzuspielen.

Ich lade Sie herzlich dazu ein, mit uns gemeinsam an konkreten

Lösungen für zukünftige Mobilitätsanforderungen zu

arbeiten.

Dear Sir or Madam,

Global air travel is expected to grow at between four and five

percent annually until 2032 according to current forecasts

and hence faster than worldwide gross domestic product.

Asia will have growing importance, however European air

travel is expected to grow further as well (at between three

and four percent every year). This will put further pressure

especially on the infrastructure, as already today many European

hub airports are chronically overloaded, leading to considerable

delays.

A key factor is to make better use of the existing infrastructure,

for example by reducing ground handling time

through a better coordination of airside and landside processes.

Also, passenger flows could be managed more efficiently

using mobile communication technology and direct data exchange

between airports and airlines. Often such new concepts

are in conflict with existing business models and interests.

It is hence necessary to rethink the current strategic

positioning and develop new strategies to enhance the cooperation

between airport and airline.

Deeper integration into the traffic system also has great

potential. Capacity constraints can be relaxed by selectively

shifting air traffic to the rail and /or bus system. Testing different

scenarios is an established method to identify concrete

levers.

It is my pleasure to invite you to work together with us

on concrete solutions for future mobility needs.

Ihr / Your

Dr. Thomas Röhm

Leiter Ökonomie und Verkehr /

Head of Economics and Transportation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 19


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Herausforderungen und

Entwicklungsperspektiven für

Drehkreuzflughäfen in Europa

Challenges and development

perspectives for European hub

airports

Europäische Drehkreuzflughäfen sehen sich einem zunehmenden

globalen Verkehrsvolumen und somit einer erhöhten Nachfrage bei

gleichzeitigen Kapazitätsengpässen gegenübergestellt. Dies führt

immer häufiger zu Flugverspätungen und langen Wartezeiten bei

der Abfertigung. Zugleich stehen Flughäfen stärker im Wettbewerb

zueinander, da Passagiere eine größere Auswahl an Airlines und

Flugverbindungen haben. Letzteres ist unter anderem auf schnell

wachsende Flughäfen im Nahen Osten zurückzuführen sowie auf

die Strategie der Fluggesellschaften, mehrere Knotenpunkte zu etablieren.

Analysen am Bauhaus Luftfahrt identifizierten mögliche Strategien

zur Begegnung dieser Herausforderungen durch eine stärkere

Zusammenarbeit von Flughäfen und Netzwerk­Airlines. Erste

Ergebnisse zeigen, dass eine engere Kooperation durchaus zur

Optimierung der luft­ und landseitigen Prozesse von Airlines führen

kann. Da Zeitersparnis ein wichtiges Entscheidungskriterium für

Passagiere ist, könnten zum Beispiel kürzere Umsteigezeiten die Wettbewerbsposition

beider Partner stärken und die Nachfrage erhöhen.

Flughäfen könnten zudem Synergieeffekte durch die Bildung

von Allianzen kreieren: Amsterdam Schiphol und Paris Charles de

Gaulle zum Beispiel sind bereits eine Kooperation eingegangen, um

zusätzliche Einnahmen und Kosteneinsparungen zu generieren. Zusätzlich

soll diese Zusammenarbeit das Netzwerk der Skyteam­Allianz

um Air France­KLM stärken. Weitere Forschung am Bauhaus

Luftfahrt wird sich mit den Auswirkungen des Wettbewerbs auf

die Preissetzung am Flughafen oder die zukünftige Netzwerkkonfiguration

von Airlines befassen.

European hub airports face continuously growing global traffic volumes

and at the same time capacity shortages, congestion and

delays. Competition for these airports has also become stronger as

passengers can choose from an increasing number of airlines, connections

and frequencies. Major airlines have adopted multi­hub

strategies to become less dependent on a single hub. New hubs

have been growing over the last years, especially in the Middle

East, taking an increasing share of global traffic flows.

Research at Bauhaus Luftfahrt identified possible strategies

to meet these challenges taking into account the strong linkage

between hub airports and network carriers. First results show that

more intensive cooperation can help them to make airline hub processes

such as the minimum connecting time faster and more efficient.

As passengers are eager to save time, shorter connecting

times can be a real competitive advantage and create additional

demand for the services of both the airport and the airline. Hub

airports can also strengthen their competitive position by cooperating

directly with each other: for example, Amsterdam Schiphol

and Paris Charles de Gaulle have recently formed an alliance to ge n­

erate cost and revenue synergies as well as to better support the

Skyteam airline alliance network of Air France­KLM. Further research

at Bauhaus Luftfahrt will evaluate the effects of increasing

airport competition on airport pricing strategies or airline network

configurations.

20

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Passengers

2012

(millions)

Airport

Growth (2012–2020)

Hub Carrier

(Alliance)

81

LHR

16%

British Airways

(oneworld)

45

70

70

80

61

MAD

56%

Iberia

(oneworld)

67

CDG

31%

Air France

(SkyTeam)

AMS

31%

KLM

(SkyTeam)

51 57

22

38

30

FRA

58 %

Lufthansa

(Star Alliance)

MUC

47 %

Lufthansa

(Star Alliance)

ZRH

36%

Swiss

(Star Alliance)

37

90

56

56

FCO

56%

Alitalia

(SkyTeam)

150

35

New Istanbul Airport

projected 2020–2025

Turkish Airlines

(Star Alliance)

48

Estimated passengers

for future airport

projects in millions

IST

37%

Turkish Airlines

(Star Alliance)

Expected

passengers 2020

in millions

Dubai Al Maktoum

International Airport

projected 2020

Emirates

160

90

DXB

58 %

Emirates

50

DOH

138 %

Qatar Airways

(oneworld)

21

32

14

57

AUH

129 %

Etihad Airways

Vergleich der Passagierzahlen und Wachstumsraten

großer Verkehrsflughäfen in Europa und

im Nahen Osten einschließlich ausgewählter

Projekte für zukünftige Airports: Das Bauhaus

Luftfahrt untersuchte das Ausmaß des Wettbewerbs

zwischen Drehkreuzflughäfen und konnte potenzielle

Strategien aufzeigen, mit denen möglichen Herausforderungen

begegnet werden kann. Dazu zählt beispielsweise

eine stärkere Zusammenarbeit zwischen

Flughäfen und den an ihnen beheimateten Netzwerk­

Airlines oder Allianzen.

Comparison of passenger volumes and growth

rates at major European and Middle Eastern hub

airports including selected future airport projects:

Research at Bauhaus Luftfahrt evaluated the extent

of competition between hub airports and outlined

possible strategies to meet arising challenges, such

as a stronger cooperation between airports and their

resident network carriers or airline alliances.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 21


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Anforderungen an Konzepte

für personalisierte Mobilität im

Luftverkehr des Jahres 2050

Requirements for concepts

of personalised mobility in air

transport of the year 2050

Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Technischen

Universität München und Airbus hat das Bauhaus Luftfahrt

im Jahr 2013 eine Szenariostudie zum Thema „Personalisierter

Luftverkehr“ durchgeführt. Unter Anleitung erfahrener Experten

bün delten die teilnehmenden Studenten verschiedene Ausprägungen

politischer, technologischer, gesellschaftlicher und ökologischer

Faktoren in drei unterschiedlichen Szenarien. Daraus entwickelten

sie Anforderungen an zukünftige Mobilitätskonzepte für

einen komfortableren Transport.

In einem der Szenarien wird der Verkehr stärker durch den

Staat reguliert. Die öffentliche Infrastruktur entwickelt sich über

Stadtgrenzen hinaus zu einem eng verknüpften, standardisierten

Verkehrsnetz. Die Bevölkerung akzeptiert dies, da neue automatisierte

technische Systeme effiziente Verkehrsflüsse ermöglichen.

Ausgehend von diesen Rahmenbedingungen entwickelten die Studenten

ein neues Mobilitätskonzept auf Basis eines neuartigen

Kabinenmodules. Dies könnte über standardisierte Schnittstellen

in sämtliche Verkehrsmittel implementiert werden. Die Passagiere

sparen sich das Umsteigen, kommen schneller am Reiseziel an und

können die Reisezeit freier nutzen. Durch eine arbeitsplatz ähnliche

und besonders komfortable Ausstattung der Kabine kann das Angebot

an die persönlichen Bedürfnisse verschiedener Zielgruppen

angepasst werden. Auf dieser Grundlage sollen zukünf tige Mo bi ­

li tätslösungen weiter konkretisiert und detailliert ausgearbeitet

werden.

Together with the Institute of Aircraft Design at Technische Universität

München and Airbus, Bauhaus Luftfahrt carried out a

scenario study on the topic “personalised mobility” in 2013. Under

guidance from experts, participating students bundled different

characteristics of political, technological, social and environmen tal

factors into three different scenarios. This allowed them to derive

important requirements for future mobility concepts and develop

solutions for comfortable transportation.

One of the scenarios is characterised by increasing polit i cal

regulation. The public infrastructure extends well beyond existing

city boundaries and emerges to a closely connected, standardised

transport network. The new system is accepted by the public as

automated, technical systems enable efficient traffic flows. Based

on this framework the students developed a new mobility concept

envisioning innovative cabin modules. Through standardised interfaces,

this could be implemented into various means of transport.

Passengers economise transfer processes, reach their destination

in a shorter period of time and are able to utilise the entire travel

time more freely. A particularly convenient cabin configuration that

resembles a work place enables a transport service supply according

to the personal needs of diverse target groups. On this basis,

new solutions for mobility shall be substantiated and further developed.

Mögliche Mobilitätskonzepte, die von den Studenten aus den verschiedenen

Anforderungen der drei Szenarien zu personalisierter Mobilität entwickelt

wurden: Mit solchen Konzepten könnte der Transport für die gesamte Bevölkerung

effizienter abgewickelt werden. Außerdem würden die individuellen Bedürfnisse

der Passagiere stärker berücksichtigt.

Possible mobility concepts that have been developed of the students in regard

to the different requirements of the three scenarios to personalised

mobility: Using such concepts, transportation could increase its efficiency for the

entire population. Moreover, individual needs of the passengers could be incorporated

and better fulfilled.

22

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Ground vehicle

Ground vehicle

Coupled ground vehicles

Ground vehicle

Large cabin (public terminals)

Small cabin (public terminals)

Mid-sized cabin (public terminals)

Wealthy individuals

with their own cabin

Category “Fly now or fly always” “The moving seat” “Individual travel cabin”

Device

Operation

Customer

group

> Small autonomous vertical take-off aircraft

> Capacity of three passengers

> Flight as well as in-flight docking procedures

between vehicle and carrier fully automated

> Long-haul journeys performed by almost

endless flying carrier vehicles

> Premium customers: vehicle is own property,

additional features

> Low-budget customers: standardised vehicle

rented at short notice

> Customisable, individual moving seat

> Capacity of one passenger

> Worldwide standardised magnetic levitation

rail system ensuring automated seat shifting

within and between transport modes

> Automated, nearly endlessly flying long-haul

air vehicles, optimised for long distances

> High degree of customisation flexibility for

fulfilment of diverse customer groups’ needs

> Flight check-in performable on seat, additional

flight requests bookable (such as

inflight entertainment or meals)

> Standardised travel cabin with customisable

interior

> Capacity of one up to 60 passengers

> Frame system supersedes former transfer

processes between modes and passenger

spends entire journey in cabin

> Modularity of cabin enables interconnection

of all transport modes into one global

network

> Age-appropriate manageability of transportation

solution

> Travel distance and preferred travel time

dictate choice of transportation mode

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 23


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Das Luftverkehrssystem im

Jahr 2050: Ein reibungsloses

Passagiererlebnis

The air transport system

in 2050: Towards a seamless

passenger experience

Die steigende Passagiernachfrage, eine zunehmende Urbanisierung

und breit gefächerte Passagierbedürfnisse erhöhen bereits

heute den Druck auf die Transportsysteme. Da deren Kapazität und

Infrastruktur jedoch nicht einfach erweitert werden können, analysierte

das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013, wie bestehende Strukturen

effizienter genutzt werden können, um eine problemlose und

komfortable Reise für die Passagiere zu ermöglichen.

Diese sehen sich Unterbrechungen und Verspätungen besonders

häufig ausgesetzt, wenn sie zwischen verschiedenen Verkehrsmitteln

wechseln müssen. Um Passagieren stattdessen ein durchgängig

angenehmes Reiseerlebnis zu bieten, untersuchte das Bauhaus

Luftfahrt gezielt Schnittstellen und mögliche Kooperationen

zwischen verschiedenen Verkehrsträgern und analysierte die Auswirkungen

auf heutige Geschäftsmodelle. Erste Erkenntnisse deuten

bereits an, dass sich Effizienzgewinne für Reisende und andere

Interessengruppen im Transportsystem durchaus realisieren ließen,

indem modulare Transportprozesse angepasst und relevante Daten,

beispielsweise zu Passagierströmen und ­ präferenzen, über die gesamte

Transportkette hinweg verfügbar gemacht werden. Die involvierten

Parteien würden sich somit die Verantwortung für den

Transportprozess teilen und Passagiere hätten einen einzigen Bezugspunkt

über die ganze Reise hinweg. Da dieser Ansatz aber auch

bestehende Geschäftsmodelle der verschiedenen Anbieter obsolet

machen kann, will das Bauhaus Luftfahrt zukünftig weitere Studien

durchführen, um Anreize für eine proaktive Beteiligung der Verkehrsdienstleister

zu identifizieren und somit zu einem nahtlosen

zukünftigen Transportsystem beizutragen.

Growing demand, continued urbanisation and diversified personal

needs already put additional strain on existing transportation systems.

As capacity and infrastructure cannot easily be expanded,

Bauhaus Luftfahrt in 2013 investigated possibilities for efficiency

improvements in existing systems in order to enable a hassle­free

and comfortable journey for travellers.

Such travellers often face disruptions and delays particularly

when changing between different modes of transport. In order to

provide passengers with a seamless and enjoyable travel experience

instead, Bauhaus Luftfahrt analysed areas for possible cooperation

between different modes and identified the effects on today’s

business models. First results indicated that efficiency gains

could be achieved not only for the passenger but also for stakeholders

across the transport system if the modular transport process

was aligned and relevant data, for example on passenger

flows and preferences, shared across stakeholders. The latter

there fore would have to share responsibilities to a larger degree in

order to provide a single point of contact for passengers throughout

their entire journey. As such changes would also have the potential

to undermine current business models, Bauhaus Luftfahrt

plans to conduct additional studies in order to identify incentives

for the proactive engagement of stakeholders to create a truly interconnected

future transport system.

24

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation


Uncoordinated responsibilities

Possible connection problems

Stressed passenger

Ground transportation

Stay at airport

Flight

Stay at

airport

Ground transportation

+

Responsibility of a single entity

Guarantee to reach the destination

Relaxed passenger

Beispielhafte Darstellungen eines Reisevorgangs mit mehreren Verkehrsträgern:

Die obere Grafik stellt den heutigen Status quo dar, bei dem der Passagier

sämtliche von ihm genutzten Reisemittel unabhängig voneinander bucht, was ihn

unkoordinierten Verantwortlichkeiten und möglichen Anschlussproblemen aussetzt.

Die untere Grafik zeigt eine stärkere Vernetzung der Verkehrsträger, wie sie vom Bauhaus

Luftfahrt untersucht wurde. Hier liegt die Verantwortung des gesamten Reiseverlaufs

bei einer einzelnen übergeordneten Instanz, die den Reisenden auch im

Falle von verpassten Anschlüssen an sein Ziel befördern muss.

Exemplary depiction of a one­stop journey with several different modes of

transport: The image on top depicts today’s status quo in which all means of transportation

have to be booked separately, leaving the passenger with uncoordinated

responsibilities and possible connection problems. The image at the bottom sketches

a stronger cooperation between different transport modes as analysed by Bauhaus

Luftfahrt. Therein, a single entity bears all responsibility for the entire jour ney

and hence has to guarantee that the passenger reaches his destination even when

a connection is missed.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 25


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Strahlungsabschirmung im

Luftverkehr: Nanomaterialien

und Synergieeffekte für

Wasserstoff-Flugzeuge

Radiation shielding in

air traffic: Nanomaterials

and synergy effects from

cryoplane technology

Seit 2011 stellt das Bauhaus Luftfahrt gegenwärtige Trends im

Flugverkehr, wie die zunehmende Nutzung von Polarrouten und

größere Flughöhen, der damit einhergehenden kosmischen Strahlenbelastung

gegenüber und forscht an Möglichkeiten zur Abschirmung

von Flugpersonal, Passagieren und Bordelektronik. Im Jahr

2013 befassten sich die Wissenschaftler speziell mit der Entwicklung

von Strahlenschutzkonzepten gegen kosmische Neutronen,

von denen die größte Gesundheitsbedrohung und Anfälligkeit für

Avionikausfälle ausgeht.

Zur Abschirmung gegen Neutronen kommen leichte Verbundwerkstoffe

auf Polymer-Basis in Frage, die Teilcheneinschlüsse mit

absorbierenden Eigenschaften aufweisen, üblicherweise mit Größen

im Mikrometer-Bereich. Das Bauhaus Luftfahrt hat jedoch gezeigt,

dass, in Relation zur Materialdichte, eine optimale Abschirmung

erst dann auftritt, sobald die Größe dieser Einschlüsse in den

Nanometerbereich fällt. Solche Nanoverbundwerkstoffe könnten

zum Beispiel als millimeterdicke Schichten oder Schäume auf die

Kabinendecke aufgetragen werden.

Darüber hinaus konnte das Bauhaus Luftfahrt zeigen, dass

flüs siger Wasserstoff als alternativer Langzeitkraftstoff den weiteren

Vorteil aufweist, durch seine Tieftemperaturtanks hindurchtretende

hochenergetische Neutronen stark abzubremsen, bevor sie ins Kabineninnere

gelangen. Die daraus resultierende Reduktion ihrer gesundheitsschädlichen

Wirkung, optimierbar durch den zusätzlichen

Einsatz von Nanomaterialien, ergäbe ein signifikantes Potenzial für

gleichzeitig strahlungsarmes und nachhaltiges Fliegen.

Since 2011, Bauhaus Luftfahrt confronts ongoing trends in air traffic,

such as growing polar route frequencies and flight altitudes

with risks arising from cosmic radiation, and searches for radiation

shielding solutions for air crew, passengers and avionics. In 2013,

the focus was placed on the development of radiation protection

concepts against cosmic neutrons, from which the dominant hazard

to humans and risk of avionic failures arises.

Candidate materials for lightweight neutron protection include

composite materials with a polymeric phase featuring neutron-absorbing

particle inclusions, traditionally of micrometre size.

Bauhaus Luftfahrt has, however, shown that optimised shielding at

minimal weight penalty emerges as soon as the size of the inclusions

reduces to the nanometre range. Such nanocomposites could

be applied as millimetre-thin films, foams or pastes to the ceiling of

an aircraft’s cabin interior.

Moreover, Bauhaus Luftfahrt could demonstrate that liquid

hydrogen as a long-term fuel alternative exhibits the co-benefit of

effectively slowing down highly energetic neutrons when they pass

through the cryogenic fuel tanks before entering the cabin interior.

The associated reduction of their harmful effect, optimised by the

combined use of nanomaterials, would result in a significant potential

for sustainable air traffic growth at low radiation levels.

26

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

X cm2

g

Mass attenuation coefficient

6

5

4

3

2

1

Der Massenabschwächungskoeffizient X eines

Materials als Metrik für das Abschirmvermögen

in Relation zum Gewicht: Anhand von

drei Polymerverbundwerkstoffen wird dargestellt,

dass ihre Fähigkeit, Neutronen abzuschwächen,

auf ein konstantes Maximum hinausläuft, sobald

die Größe ihrer absorbierenden Teilcheneinschlüsse

in den Nanometer-Bereich (nm) fällt

(Einschlussradius R < 10 3 nm). Außerdem steigt

die Abschwächungsfähigkeit mit der Konzentration

der Einschlüsse, in diesem Fall aus Bornitrid-

Teilchen (BN). Die rote Linie entspricht einer

dreiprozentigen und die orangefarbene Linie einer

fünfprozentigen BN-Konzentration. Die blaue

Linie zeigt eine fünfprozentige BN-Konzentration,

in der die Einschlüsse mit einem bestimmten

Bor-Isotop angereichert wurden.

10 0

10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6

Radius of absorbing particle inclusions R [nm]

The mass attenuation coefficient X of a material

as metric for the shielding efficiency in

relation to weight: For three polymer composites

the mass attenuation coefficient reaches a

constant maximum as soon as the radius of the

neutron-absorbing particle inclusions enters the

nanometre (nm) range (radius R


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Nachhaltige Leichtbaumate

rialien für die Luftfahrt:

Erneuerbare Faserverbundwerkstoffe

Sustainable lightweight

materials for aviation:

Renewable fibre composites

Leichtbau ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg eines

Flugzeugkonzeptes, da ein geringes Gewicht den Kraftstoffverbrauch

reduziert und sich somit positiv auf die Betriebskosten

auswirkt. Um den steigenden Bedarf an Leichtbaumaterialien aus

Faserverbundwerkstoffen zu decken, werden große Mengen von

Aus gangschemikalien wie Acrylnitril und Epoxid­Harzen benötigt,

die derzeit noch überwiegend aus fossilen Rohstoffen gewonnen

werden.

Auf der Suche nach einer nachhaltigen Alternative hat das

Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 unter anderem Naturfasern sowie

Lignin­ und Zellulose­basierte Karbonfasern untersucht, wie sie im

Automobilbau diskutiert werden. Die Bewertung dieser Werkstoffe

hat jedoch gezeigt, dass ihre Anwendung in lasttragenden Strukturkomponenten

aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit und geringer

mechanischer Belastbarkeit kaum in Frage kommt.

Um erneuerbare Faserverbundwerkstoffe mit uneingeschränkter

Tauglichkeit für die Luftfahrt identifizieren zu können,

hat das Bauhaus Luftfahrt die sogenannte „loom­in“­Fähigkeit als

neues Kriterium erkannt und definiert. Analog zu „drop­in“ ­fähigen

Kraftstoffen haben „loom­in“­fähige Fasern die gleichen Ei genschaften

wie ihre konventionell hergestellten Alternativen und

könnten somit identisch eingesetzt oder weiterverarbeitet werden.

Als ein erstes Beispiel dafür hat das Bauhaus Luftfahrt bereits Karbonfasern

aus nachhaltig hergestelltem Acrylnitril identifizieren

können. Weitere neuartige Produktionspfade sollen folgen, um

auch ihre Produkte hinsichtlich der Eignung für die Luftfahrt zu

bewerten.

Lightweight design is an essential requirement for the success of

an aircraft concept, as a lower weight reduces fuel burn and leads

to an improved operating cost base. To cope with the increasing

demand for lightweight fibre composite materials, large amounts

of required precursor chemicals like acrylonitrile and epoxy­resin

are required. Today, these are predominantly extracted from fossil

feedstock.

Looking for a renewable solution, Bauhaus Luftfahrt in 2013

conducted research on natural fibres as well as lignin­ and cellulose­based

carbon fibres, which are already discussed for automotive

applications. However, an assessment of these materials

showed that an application in load­bearing components barely

comes into consideration due to their lack of reliability and their

low mechanical resilience.

To identify renewable fibre composites with uncompromised

suitability for aeronautic applications, Bauhaus Luftfahrt has identified

and defined the so­called “loom­in”capability as a new attribute.

In analogy to the “drop­in” capability of alternative fuels,

“loom­in”­capable fibres have similar properties as their fossil predecessors

and could therefore be used or processed in an identical

way. As a first example of such a “loom­in” solution, the researchers

have identified a carbon fibre produced from sustainable acrylonitrile.

In order to assess even more alternative fibre composites in

regard to their suitability for aviation, Bauhaus Luftfahrt will conduct

analyses on further renewable production pathways in the

future.

28

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Biomass

CO 2

H 2

O

Biomass

Glycerine

Photosynthesis

Biomass Syngas Propene Acrylonitrile Polyacrylonitrile Carbon fibres

CO 2

H 2

O

Syngas Propene Acrylonitrile Polyacrylonitrile Carbon fibres

Thermochemistry

Mögliche Pfade zur Herstellung sogenannter „loom­in“­fähiger Karbonfasern

aus erneuerbaren Ressourcen: Im oberen Beispiel wird Biomasse über verschiedene

Pfade zu Ausgangschemikalien für erneuerbare Karbonfasern umgewandelt.

Im unteren Pfad wird die Möglichkeit dargestellt, Kohlendioxid (CO 2

) und Wasser

(H 2

O) in einem solar­thermochemischen Prozess zur Herstellung der Ausgangschemikalien

für Karbonfasern zu nutzen.

Possible pathways towards the production of so­called “loom­in”­capable

carbon fibres from renewable resources: In the example at the top, biomass is

processed via different pathways into precursor chemicals for renewable carbon

fibres. The second example depicts the possibility of directly using carbon dioxide

(CO 2

) and water (H 2

O) as resources in a solar thermochemical process for the production

of precursor chemicals.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 29


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Untersuchung einer

Strukturüberwachung für

formadaptive Systeme

Exploration of structural

health monitoring for active

compliant systems

Mit seiner Konzeptstudie Ce­Liner aus dem Jahr 2012 hat das Bauhaus

Luftfahrt gezeigt, dass ein vollelektrischer Antrieb auch drastische

Änderungen in der Flugzeugstrukturauslegung nach sich

zieht. Teile des C­Flügels der Studie beinhalten zum Beispiel Ideen

zur Nutzung stärker ausgeprägter Formadaptivität (Englisch: active

compliant systems, kurz: ACS), dem sogenannten „Morphing“. Im

Jahr 2013 hat das Bauhaus Luftfahrt in weiterführenden Forschungsarbeiten

erstmals mögliche Synergien zwischen dem formadaptiven

oberen Flügel des Ce­Liners und sogenannten Strukturüberwachungssystemen

(Englisch: structural health monitoring,

kurz: SHM) untersucht.

Die große Materialvielfalt eines „morphenden“ Flügelsystems

machte die Auswahl geeigneter Sensorik zur Überwachung

des Flügels nicht einfach. Die Flügelholme bestehen beispielsweise

aus Karbonfaser­verstärktem Kunststoff, die Rippen aus Alu minium

und die Flügelhaut aus verstärktem Elastomermaterial. Aus einem

umfangreichen Katalog an Kandidatentechnologien wählten die

Wissenschaftler deshalb für jede Komponente des ACS den aussichtsreichsten

Sensortyp aus, indem Auflösungsvermögen und

Ma terialeigenschaften miteinander abgeglichen wurden. Mit der

so erhaltenen Kombination moderner photonik­ und elektronikba ­

sier ter Sensoren soll nicht nur das korrekte Morphing­Verhalten sichergestellt

werden, sondern es sollen auch mögliche Beschädigungen

und Materialermüdung zuverlässig überwacht werden. Neben

einer be darfsgerechten Planung von Wartungsarbeiten kön ­

nen dank SHM bereits in der Entwurfsphase Verbesserungen der

Struktureffi zienz implementiert werden.

Bauhaus Luftfahrt’s 2012 pre­concept study Ce­Liner highlighted

that a fully electric propulsion system could incur dramatic changes

in aircraft structural design. Parts of the study’s characteristic C­wing

for example envisaged the application of active compliant systems

(ACS), often referred to as “morphing” devices. In a follow­up study

conducted in 2013, Bauhaus Luftfahrt for the first time explored the

potential for synergy between such “morphing” capabilities, installed

in the top part of the Ce­Liner’s wing, and so­called Structural Health

Monitoring (SHM).

The diversity of materials employed in the “morphing” system

posed challenges for the identification of suitable sensor technologies

to monitor the wing structure. The wing’s spars, for example,

are made of carbon­fibre­reinforced plastics, while trusses are made

of aluminium and the flexible skin consists of reinforced elastomeric

materials. From an extensive pool of candidate technologies, the

researchers then selected the most promising sensor type for each

component of the ACS by matching sensitivity ranges with material

properties. The resulting astute combination of modern photonic

and electronic sensor technologies is expected to not only ensure

the correct movement of the “morphing” system, but should also

reliably monitor structural integrity and possible material degradation.

Apart from a tailored maintenance planning during operation,

such a system could enable aircraft designers to implement further

improvements in structural efficiency already at the design stage.

30

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Carbon-fibre-reinforced plastic (CFRP) leading edge and spars

Optical fibre

“Smart skin”

Sensorsysteme für den „morphenden“ oberen Flügel des Ce­Liner­Konzeptes:

Optische Fasern (dunkelblau) messen Belastungen entlang der Holme des oberen

Flügels durch Veränderung ihrer lichtleitenden Eigenschaften. Die „Smart Skin“

(orange), eine flexible Haut mit verstärkenden, elektrisch leitfähigen Karbon­Nanoröhrchen,

kann Spannung und Druck an der Flügeloberfläche über Veränderungen

im elektrischen Widerstand feststellen.

Sensing systems for the Ce­Liner’s “morphing” top wing: Optical fibres (dark

blue) measure strain incurred in the top wing’s spars through changes in their refractive

properties. The elastomeric “smart skin” (orange) with embedded carbon

nanotubes can detect strain and pressure via the formation of parallel conductive

channels with variations in electrical resistance.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 31


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Quantifizierung des

globalen Bioenergiepotenzials:

Jatropha curcas und

Plantagenholz

Quantification of the

global bioenergy potential:

Jatropha curcas and

short-rotation coppices

Das Bauhaus Luftfahrt erforscht das weltweite Potenzial biogener

Kraftstoffe, unter anderem für den Luftverkehr. Dafür werden die

physikalischen Grenzen der Biomasseproduktivität auf Basis georeferenzierter,

also auf der Erdoberfläche eindeutig lokalisierter Informationen

in der höchsten Detailgenauigkeit und unter Berücksichtigung

strenger Nachhaltigkeitskriterien analysiert. Bereits im

Jahr 2012 wurde berechnet, dass weltweit 1,36 Milliarden Hektar

zur Kultivierung von Biomasse für die Kraftstoffproduktion verwendet

werden könnten.

Im Jahr 2013 wurde dieser einmalige Ansatz erstmals vollständig

zur Anwendung gebracht, und zwar für die strauchartige

Öl pflanze Jatropha curcas und für Plantagenholz. Dazu mussten

die Standortbedingungen der potenziell verfügbaren Oberflächen

mit den Anforderungen der ausgewählten Energiepflanzen abgeglichen

werden. Mit Hilfe einer Ertragsmodellierung ist es dem

Bauhaus Luftfahrt anschließend gelungen, hochaufgelöste Produktivitätskartierungen

zu erstellen und daraus das globale Biomasseund

Biokraftstoffpotenzial zu bestimmen.

Demnach könnten weltweit jährlich 295 Millionen Tonnen

(Mt) synthetischen Kerosins aus Jatrophaöl und 3.730 Mt aus Plantagenholz

generiert werden. Diese hohen theoretischen Potenziale

bilden jedoch keineswegs die reale Verfügbarkeit von Biokerosin

ab. Für deren Quantifizierung müssen auch realökonomische Aspekte,

wie Produktionsverluste, Konkurrenznutzung von Rohstoffen

oder schwankende Preise, berücksichtigt werden. Entsprechende

Arbeiten werden im Fokus weiterer Forschungsaktivitäten am Bauhaus

Luftfahrt stehen.

Bauhaus Luftfahrt is investigating the global potential of biogenic

fuels with special focus on air transport. Therefore, the physical

limits of biomass productivity are analysed on the basis of spatially

explicit data with the highest level of detail and under considera

tion of strict sustainability criteria. It was calculated in 2012 already

that globally 1.36 billion hectares could be used to culti vate

biomass for fuel production.

As of 2013, this unique approach was fully implemented for

the first time, namely for the perennial shrubby oil-bearing plant

Jatropha curcas and for short-rotation coppice (SRC). In order to

do that, the habitat conditions of the potentially available surfaces

had to be matched with the requirements of the selected energy

crops. Subsequently, Bauhaus Luftfahrt was able to compile

high-resolution productivity maps by means of crop-productivity

modeling and, on this basis, to quantify the global biomass and

biofuel potential.

Accordingly, 295 million tonnes (Mt) of synthetic jet fuel could

be produced globally and annually from Jatropha curcas and 3,730

Mt from SRC. However, these high theoretical potentials do not

reflect the real availability of aviation biofuel. For quantifying the

latter, additional real-economy aspects need to be taken into account,

such as production losses, competition for feedstock or impact

on price development. Corresponding efforts represent an

important part of ongoing and future research activities at Bauhaus

Luftfahrt.

32

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Globale Anbaugebiete der Ölpflanze Jatropha curcas (Ausschnitt): Das Bauhaus Luftfahrt hat ein wissenschaftliches

Energiepflanzen-Kompendium zusammengestellt, aus dem für insgesamt 25 global relevante Pflanzen

hochaufgelöste Ertragskartierungen (obere Grafik) erstellt werden können. Diese werden digital mit den in

den vergangenen Jahren am Bauhaus Luftfahrt ermittelten verfügbaren landwirtschaftlichen Flächen auf der

Erde abgeglichen. Das Resultat stellt eine Aussage darüber dar, welcher Pflanzenertrag auf einer bestimmten

potenziell verfügbaren Oberfläche erzielt werden könnte (untere Grafik).

Global production areas of the oil-bearing plant Jatropha curcas (map extract): Bauhaus Luftfahrt has

compiled a scientific compendium of energy plants from which high-resolution productivity maps (top image)

can be derived for 25 globally relevant energy crops. The productivity maps are digitally matched with the available

agricultural land on Earth, which Bauhaus Luftfahrt has already identified in recent years. The outcome

represents detailed information regarding the crop productivity that could be yielded on a certain potentially

available surface (bottom image).

Jatropha productivity in kilograms of seeds per hectare

and year (Source: Trabucco et al., 2010, ArcGIS 9,

GCS WGS 1984)

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

5,000

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 33


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Kerosin aus Algen:

Lebenszyklusanalyse und

wirtschaftliche Machbarkeit

Jet fuel from algae:

Life cycle analysis and

economic feasibility

Algen gehören zu den faszinierendsten Rohstoffen für alternative

Kraftstoffe, da sie im Vergleich zu Landpflanzen große Mengen Biomasse

in sehr kurzer Zeit produzieren können. In der Natur tritt

diese Eigenschaft bei Algenblüten eindrucksvoll zu Tage. Der hohen

Biomasseproduktivität steht jedoch ein hoher technischer Aufwand

bei der Kultivierung und Verarbeitung der Algen gegenüber.

In Analysen muss daher sowohl die ökologische als auch die ökonomische

Tragfähigkeit einer algenbasierten Kraftstoffproduktion

kritisch betrachtet werden.

Das Bauhaus Luftfahrt bestimmt die Nachhaltigkeit der Produktion

von Kraftstoff aus Algen mit Hilfe der Methode der Ökobilanzierung.

Ein Ergebnis dieser Methode ist der sogenannte

C O 2

­Fußabdruck. Dieser gibt Auskunft darüber, welche Menge

klima schädlicher Treibhausgase im Zuge von Kraftstoffproduktion

und ­verbrennung freigesetzt wird. Die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffs

wird von den Wissenschaftlern durch die Abschätzung der

Herstellungskosten ermittelt, zum Beispiel mit Hilfe statistischer

Kostenmodelle von Produktionsanlagen.

Durch den kombinierten Einsatz der ökologischen und ökonomischen

Bilanzierungsmethoden konnte das Bauhaus Luftfahrt

kritische Aspekte entlang der gesamten Prozesskette identifizieren.

Einen solchen Aspekt stellen die großen Wassermengen dar,

die während der Kultivierung und Verarbeitung der Algen bewegt

werden müssen. Ein intelligentes Wassermanagement ist daher

Voraussetzung, um die benötigte Pumpenergie zu minimieren und

die Kraftstoffproduktion aus Algen nachhaltig zu gestalten.

Algae belong to the most fascinating feedstock for alternative

fuels. One major advantage in comparison to land­based crops is

their ability to produce large amounts of biomass within a short

time frame, as naturally occurring algae blooms have impressively

demonstrated. However, besides the fact that algae show high biomass

productivity, their cultivation and processing is highly complex.

Therefore, both the economic and ecological viability of algaebased

fuel production requires critical analysis.

Bauhaus Luftfahrt evaluates the sustainability of algae fuel

production using the Life Cycle Assessment method. One important

result of this method is the so­called carbon footprint. This footprint

is an indicator for the amount of harmful greenhouse gases that are

released into the atmosphere during the production and subsequent

usage of the fuel. The economic viability of the fuel is determined

by its production costs. In order to quantify these costs along

the entire production chain, Bauhaus Luftfahrt applies for instance

statistic cost models of production facilities.

By combining both ecological and economic analyses Bauhaus

Luftfahrt identifies the critical aspects in the production chain.

One such aspect is related to the large quantities of water that have

to be moved through the cultivation system. Intelligent water management

is therefore a fundamental requirement in order to minimise

the energy input and to develop sustainable fuel production

from algae.

34

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Conventional energy

Carbon dioxide

Water

Nutrients

Algae cultivation Harvesting Conversion Jet fuel

Carbon dioxide

Water

By-products

Well-to-tank

Tank-to-wake

Well-to-wake

Vereinfachte Darstellung des Herstellungsprozesses und der Nutzung von

algenbasiertem Biokerosin unter Berücksichtigung der wesentlichen Stoffund

Energieströme: In seinen Analysen muss das Bauhaus Luftfahrt sowohl die

ökologische als auch die ökonomische Tragfähigkeit einer algenbasierten Kraftstoffproduktion

detailliert und kritisch betrachten. Im Hintergrund ist ein Satellitenbild

des Atlantiks zwischen Großbritannien und Frankreich zu sehen, auf dem die türkisfarbenen

Schlieren großflächige Algenteppiche darstellen. Aufgrund ihrer Eigenschaft,

sich unter bestimmten Bedingungen in kurzer Zeit rapide zu vermehren, sind

Algen auch für die Produktion von Biomasse zur Kraftstoffgewinnung interessant.

Illustration of the production process as well as the usage of algae­based

bio­kerosene under consideration of the most important mass and energy

flows: Within this complex system, Bauhaus Luftfahrt has to conduct critical analyses

of both the economic and ecological viability of algae­based fuel. In the background:

A satellite image showing the Atlantic Ocean between the United Kingdom

and France, in which the turquoise striations display an extremely large algae

bloom. Due to their ability to produce large amounts of biomass in a very short time

frame, algae have more and more come into the focus of fuel production.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 35


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

Perspektiven für eine

umfangreiche Versorgung

mit „solaren“ Kraftstoffen

Perspectives for a

large­scale supply with

“solar” fuels

Solare Kraftstoffe versprechen durch effiziente Umwandlung von

Sonnenenergie eine beinahe unbegrenzte Kraftstoffversorgung.

Das Bauhaus Luftfahrt untersucht daher verschiedene solare

Kraftstoffpfade mit besonderem Schwerpunkt auf solar­thermochemischem

Kerosin.

Das Hauptargument für solare Kraftstoffe ist ihr enormes Ressourcenpotenzial.

Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt bestätigte,

dass ein kleiner Anteil der weltweiten Wüstenfläche für die Versorgung

der Luftfahrt ausreichen würde. Für den solar­thermochemischen

Pfad ergibt sich ein moderater Wasserbedarf für Kraftstoffsynthese

und Reinigung des Spiegelfelds. Selbst wenn entsalztes

Meerwasser per Pipeline bezogen wird, bleibt der Einfluss auf das

Energie­ und Kostenbudget geringfügig. Deutlich aufwändiger ist

die Versorgung mit Kohlendioxid (CO 2

) zur Erzeugung „drop­in“­fähiger

Kohlenwasserstoffe. In den benötigten Mengen steht CO 2

nicht als Abfallprodukt zur Verfügung. Pilotanlagen zur CO 2

­Extraktion

aus der Luft deuten auf einen signifikanten Energie­ und Kostenaufwand

hin, der aber kein Ausschlusskriterium darstellt.

Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse identifizierte den solaren

Um wandlungswirkungsgrad sowie die Kosten einer nachhaltigen

CO 2

­Versorgung als Schlüsselfaktoren im Wettbewerb mit fossilen

und Biomasse­basierten Kraftstoffen. Um die erwarteten Investitionskosten

für das Spiegelfeld zu amortisieren, leitet das Bauhaus

Luftfahrt für den Umwandlungswirkungsgrad einen Zielwert von

etwas mehr als zehn Prozent ab, der aus thermodynamischer Sicht

mit solar­thermochemischen Prozessen erreichbar erscheint.

Solar fuels promise a virtually unlimited fuel supply enabled by efficient

conversion of sunlight. Bauhaus Luftfahrt investigates several

solar fuel options with a research focus on solar­thermochemical

kerosene.

The principal argument for solar fuels is the abundance of

the solar resource. Bauhaus Luftfahrt’s assessment confirmed that

a small fraction of the world’s desert area would be sufficient to

satisfy any reasonable aviation fuel demand. An analysis specific

to the solar­thermochemical fuel path reveals a manageable water

demand for fuel synthesis and cleaning of the mirror field; the

contribution to the energy and cost budget is insignificant even in

case of seawater desalination and subsequent pipeline transport.

More challenging is the supply with volume quantities of carbon

dioxide (CO 2

), which is required if sunlight is to be converted into

drop­in­capable hydrocarbon fuel. At large scale it seems implausible

to utilise waste CO 2

. Early demonstrations of carbon capture

from air indicate that future energy and cost penalties will be significant,

but not prohibitively large.

An economic analysis showed that high sunlight­to­fuel conversion

efficiency and the availability of sustainable CO 2

at mo d­

erate cost are key requirements to achieve competitive pricing in

comparison to fossil or biomass­based fuels. From its current cost

model Bauhaus Luftfahrt derives that conversion efficiencies

slight ly beyond ten per cent will be required to amortise the expect

ed cost of the mirror field, which is well within thermodynamic

limits for solar­thermochemical cycles.

36

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


1

Treiber der Luftfahrt

Drivers of aviation

1

EIA (2008), International energy annual 2006

2

FAO (2010), ResourceSTAT-Land 2005

3

BHL (2010), The Bauhaus Luftfahrt inventory of energy crops

Mha: Million hectares

DNI: Direct normal irradiation

20 Mha required area for 100 per cent jet fuel

substitution 1 BTL (woody biomass) 3

1.7 Mha required area for 100 per cent jet

fuel substitution 1 STL (DNI 2000 kWh/m 2 )

8 %

0.7 %

European agricultural area (2005) 2 : 250 Mha

Maßstabsgetreue Darstellung der benötigten Landfläche für eine vollständige

Deckung des europäischen Kerosinbedarfs über den Biomass­to­Liquid­Pfad

(BTL) beziehungsweise den Sunlight-to-Liquid-Pfad (STL): Mit dem vom Bauhaus

Luftfahrt abgeschätzten Wirkungsgrad ermöglicht der STL­Prozess eine effizientere

Umwandlung von Sonnenenergie in Kraftstoff und würde daher eine Fläche

benötigen, die nur 0,7 Prozent der europäischen Agrarfläche entspricht. Zudem ist

er für Standorte mit höchster Sonneneinstrahlung ausgelegt, an denen Landwirtschaft

kaum möglich ist. Der BTL­Prozess dagegen würde etwa acht Prozent der

Agrarflächen benötigen, um den europäischen Bedarf an Kerosin zu decken.

Depiction of area requirements for a 100 per cent substitution of the European

jet fuel demand via biomass-to-liquid (BTL) and sunlight-to-liquid (STL) processes

(drawn to scale): With the path efficiency assumed by Bauhaus Luftfahrt,

the STL process profits from a higher conversion efficiency of solar radiation into

fuel and would hence only require an area equivalent to 0.7 per cent of the European

agricultural area. Moreover, it is suitable for non­arable land areas with intense

solar irradiation. The BTL process would require up to eight per cent of Europe’s

agricultural area to cope with the demand for jet fuel.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 37


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Neue Wege für innovative Lösungsansätze

New ways for innovative solutions

38

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 39


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

40

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Visionäre Flugzeugkonzepte: Der ingenieurwissenschaftliche

Entwicklungspfad zu

ultra-emissionsarmen und emissionsfreien Flugzeugen

Visionary Aircraft Concepts: The engineering

pathway to ultra-low and zero-emission aircraft

Sehr geehrte Damen und Herren,

das Jahr 2013 stand für die Luftfahrt-Community und die Regierungsorganisationen

ganz im Zeichen des Starts der europäischen

Folgeinitiative Clean Sky 2 und des neuen Arbeitsprogramms

mit dem Namen Horizon 2020. Mit dem Ziel,

einen klaren Entwicklungspfad für das Erreichen der „Flightpath

2050“-Ziele abzustecken, werden diese Vorhaben erhebliche

Ressourcen und Fördermittel erfordern. Ich freue mich

daher, sagen zu können, dass sich das Bauhaus Luftfahrt auf

inge nieurwissenschaftlicher Ebene maßgeblich in die Vorbereitungen

einbringen konnte.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeiten wurde erneut

auf die Detaillierung der Idee eines sogenannten Propulsive Fuselage

gelegt. Dieser neuartige Ansatz zur Antriebsintegration

beschäftigt sich mit der Zusammenführung eines Vortriebserzeugers

mit dem hinteren Teil des Flugzeugrumpfes. Vereinfacht

gesagt handelt es sich dabei um eine Überführung des in den

1970er-Jahren bekannten Ansatzes am Heck angebrachter oder

in das Leitwerk integrierter Triebwerke mit geradem oder S-förmigem

Lufteinlauf ins 21. Jahrhundert.

Die Untersuchung der Vorteile ummantelter und einzeln

rotierender Fans sowie gegenläufig rotierender Open-Rotor-Architekturen

unter der Verwendung elektrischer Antriebe wurden

ebenfalls fortgeführt. Durch den Einsatz universell anwendbarer

Metriken für die Effizienz sowohl auf Antriebs- als auch

auf Flugzeugebene konnten weitere Möglichkeiten zur Optimierung

der Leistungsfähigkeit erschlossen werden.

Ich hoffe, dass Ihnen diese und zahlreiche weitere technische

Forschungsarbeiten, unter anderem mit Einblicken in Kabinendesign,

Bodenabfertigung oder Lebenszykluskosten-Analyse,

eine interessante Lektüre der folgenden Seiten bieten.

Dear Sir or Madam,

In 2013 the aeronautical community and governmental organisations

found themselves gearing up for the launch of

the follow-on European Commission Clean Sky 2 Programme

and the next work programme entitled Horizon 2020. This effort

will require investing a significant amount of resources

and funding with the aim of crystallising a clear engineering

pathway in realising Flightpath 2050 goals. I am pleased to

report that Bauhaus Luftfahrt has been a noticeable participant

in such engineering-related preparations as well.

Continued focus has been placed upon detailing further

the so-called Propulsive Fuselage concept. The novel aspect of

this propulsion integration approach is to mount the propulsive

device directly onto the aft fuselage – in a simple sense

one could think of it as a 21st-century twist to the traditional

aft-fuselage pylon-mounted podded engines, or the S-duct

and straight-duct-on-empennage installations of the 1970s.

Another continuation study involved examining the relative

merits of a ducted single rotating fan and contra-rotating

open-rotor architectures when it concerns propulsion in the

context of electrically driven motors. By utilising special universally

applicable efficiency metrics for both the propulsion

system and at vehicle level, opportunities to optimise the performance

outcome were facilitated.

Together with investigations that provide insights into

future cabin design, ground handling and life-cycle cost assessment,

it is hoped you will find the engineering research

activities worthwhile reading.

Ihr / Your

Dr. Askin T. Isikveren

Leiter Visionäre Flugzeugkonzepte /

Head of Visionary Aircraft Concepts

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 41


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Untersuchung von Batterien

als Schlüsseltechnologien

des elektrischen Fliegens

Assessment of batteries

as key technologies for

electric flight

For quite some time, Bauhaus Luftfahrt has analysed the future

potential of electrically powered commercial air transport vehicles.

Their payload, range and flight time predominantly depend on batteries

as the most important key technology for electric flight. In

recent years, more than 35 fixed-wing or rotary-wing aircraft with

battery or hybrid-electric propulsion were developed in the ge neral

aviation sector. This increase has been fostered by impressive advancements

in lithium-ion battery technology, which hence form

an important field of future technology analysis at Bauhaus Luftfahrt.

The fast development of electric flight is furthermore well do c-

umented by the current speed record of 326 kilometres per hour,

an energy consumption per person equivalent to 0.7 litres per 100

kilometres, and flight times of up to three hours.

To a much greater extent than in automotive applications, an

aircraft must focus on the weight of its components, since the takeoff

weight directly impacts the required takeoff power and overall

energy demand during flight. This is an additional, aviation-specific

requirement for electric power trains and batteries that hence

dif fers from the energy storage capability, which is equally crucial

for a vehicle’s range in both ground and airborne applications. The

twofold challenge of high specific power and simultaneously high

specific energy is met by several developments in battery research,

of which Bauhaus Luftfahrt in 2013 analysed in detail the potential

for specific energy increase.

The maximum amount of stored energy is determined by the

choice of positive and negative electrode materials. Information on

chemical composition, equilibrium potential, reversible lithium-ion

insertion, material density and electric conductivity as documented

in the literature is used to calculate feasible specific energy

values for future lithium-ion batteries. Currently, around 30 electrode

materials are inventoried in Bauhaus Luftfahrt’s database,

hinting at possible specific energies in the range of 400 to 1000

watt-hours per kilogramme (Wh / kg) for a state-of-the-art battery

cell design. In comparison to commercially available batteries today,

this would represent a two- to five-fold increase in specific energies.

However, it should be noted that even by using batteries in

Das Bauhaus Luftfahrt untersucht bereits seit längerem die Zukunftsperspektive

für vollelektrisch betriebene Verkehrsflugzeuge

im kommerziellen Einsatz. Deren Nutzlast, Reichweite und Flugdauer

werden vor allem durch Batterien als die wichtigste Schlüsseltechnologie

des Elektrofluges bestimmt. So entstanden in den

letzten Jahren in der allgemeinen Luftfahrt mehr als 35 batterieoder

hybridelektrisch angetriebene Flugzeuge oder Helikopter. Dieser

Zuwachs ist vor allem der rasanten Technologieentwicklung

bei Lithium-Ionen-Batterien zu verdanken, die dementsprechend

auch im Fokus der Zukunftstechnologie-Analyse im Bauhaus Luftfahrt

steht. Deutliche Anzeichen für die schnelle Entwicklung des

Elektroflugs sind unter anderem der aktuelle Geschwindigkeitsrekord

von 326 Stundenkilometern, ein Verbrauch pro Passagier, der

0,7 Litern auf 100 Kilometern entspricht, und Flugzeiten von bis zu

drei Stunden.

Weit mehr als zum Beispiel im Automobilbereich steht beim

Flugzeug aber das Gewicht einzelner Komponenten im Mittelpunkt,

da das Abfluggewicht die benötigte Startleistung und den Gesamtenergieverbrauch

stark beeinflusst. Dies ist eine luftfahrtspezifische

Anforderung an elektrische Antriebssysteme, während sich

die Reich weite, wie auch im Straßenverkehr, aus der gespeicherten

Energiemenge ergibt. Für diese zweifache Herausforderung,

ein hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis bei möglichst großer spezifischer

Energie zur Verfügung zu stellen, bieten sich in der Batterieentwicklung

mehrere Ansatzpunkte, von denen das Bauhaus

Luftfahrt im Jahr 2013 die spezifische Energie im Rahmen einer

Potenzialanalyse detailliert aufgearbeitet hat.

Die maximale Menge an gespeicherter Energie wird durch die

in der Batterie verwendeten positiven und negativen Elektrodenmaterialien

bestimmt. Aus der Fachliteratur entnommene Informationen

wie chemische Zusammensetzung, Gleichgewichtsspannung,

re versible Lithium-Ionen-Einlagerung, Dichte des Materials und

elek trische Leitfähigkeit dienen als Berechnungsgrundlage für zukünftig

plausible spezifische Energien von Lithium-Ionen-Batterien.

Derzeit enthält die Datenbank des Bauhaus Luftfahrt insgesamt circa

30 Elektrodenmaterialien. Unter Beibehaltung des heutigen Designs

der Batteriezelle lassen einige dieser Kombinationen eine > the 1000 Wh / kg range, a medium-sized commercial aircraft >

42

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

6

5

Relative specific energy

4

3

2

Commercial highperformance

battery = 1

0

Li/Ni 0.4

Mn 0.4

Co 0.2

O 2

Li 2

/MnSiO 4

Li 21.25

/Cu 6

S

Li/MnPO 4

Li 0.6

WS 2

(macro)

Li 8.6

/WS 2

(nano)

Li/LiFeSiO 4

Li/TiO 2

Li/NiO 2

Li/MnO 2

Li/MoS 2

Li/NiVO 4

Li 3

/NbSe 3

Li/TiS 2

Li 2

/S

Li 2

/FePO 4

F

Li/FePO 4

Li/Mn 2

O 4

Li/CoO 2

Li/C 6

Li 3

/Li 4

Ti 5

O 12

Li metal

Li 4.4

/Si

Li 4.4

/Ge

Li 4.4

/Si-TiSi 2

Li 4.4

/Fe 3

O 4

-Fe-O

Li 4.4

/Sn

Energiedichte-Potenziale einer bestimmten Batteriebauform, der sogenannten

„Pouch-Zelle“, in Abhängigkeit von verschiedenen Kombinationen aus

Elektrodenmaterialien: Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt konnten bereits

Materialkombinationen identifizieren, die Energiedichten von mehr als dem Fünffachen

heutiger kommerzieller Hoch-Energie-Batterien (transparente Ebene, Faktor

1) versprechen.

Potential storage capacity in specific energy for various combinations of electrode

materials in a so-called pouch-cell design: Researchers at Bauhaus Luftfahrt

have already identified material combinations that promise specific energy

densities up to five times higher than in commercially available high-performance

batteries (transparent surface, factor 1).

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 43


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

spezifische Energie zwischen 400 und 1000 Wattstunden pro Kilogramm

(Wh / kg) realistisch erscheinen. Dies käme einer Steigerung

um einen Faktor zwei bis fünf gegenüber den spezifischen Energien

in heute kommerziell erhältlichen Batterien gleich. Doch selbst unter

Verwendung von Batterien mit 1000 Wh / kg besäße ein mittelgroßes

Verkehrsflugzeug wie der Ce-Liner aus dem Bauhaus Luftfahrt

nur eine wenig konkurrenzfähige Reichweite von wenigen

Hundert Kilometern.

In ihrer Rolle als kombinierte Energiespeicher und -wandler,

die nicht wie in herkömmlichen Antrieben den Kraftstoffspeicher

und die Verbrennungsmaschine als völlig unabhängig skalierbare

Freiheitsgrade zulassen, ist für Batterien neben der Art der Materialien

auch ihre Struktur entscheidend. Darin sind vor allem die

Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt entscheidend,

denn sie bestimmen die Diffusionswege und elektrochemischen

Reaktions- und Austauschraten, die in direktem Bezug zur erreichbaren

Leistungsdichte der Batterie stehen. So erschließt sich das

enorme Potenzial mancher Elektrodenmaterialien auch in Bezug

auf ihre Zyklenfestigkeit und Stabilität erst durch eine Nanobeschichtung

und -strukturierung. Forschung und Entwicklung im

Be reich der Nano strukturierung von Materialien sind daher ein

Schlüssel zur Realisierung der zukünftigen Perspektive elektrischer

Verkehrsflugzeuge und werden daher auch ein weiteres Schwerpunktthema

der Technologieanalyse am Bauhaus Luftfahrt sein.

such as Bauhaus Luftfahrt’s Ce-Liner would only have a non-competitive

range of no more than a few hundred kilometres.

The combined role of batteries as energy carriers and conversion

devices is very different from conventional propulsion systems,

where fuel tank and combustion engine are available as independently

scalable degrees of freedom. In contrast, the performance of

batteries is simultaneously influenced by the choice of electrode

materials and by their structure. In the latter, the surface properties

between electrodes and electrolyte determine ion diffusion paths

and electrochemical reaction rates, which are directly related to

the achievable level of battery-specific power. Nanocoat ings and

nano-structuring of electrode materials are seen as be neficial means

to successfully exploit the performance potentials as well as low

degradation and structural stability. Scientific prog ress with respect

to material nano-structuring will therefore be a key to the development

of electric transport aircraft. Hence, this research field

will provide a future focus area for technology analysis at Bauhaus

Luftfahrt.

44

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Relative specific power

100

10 C

5 C

2 C

10

1 C

Structure

0.5 C

1

0.2 C

Materials

0.1 C

0.1

0.7 0.8

0.9 1 1.1 1.2

Relative specific exergy

Laboratory results

Commercial high-performance battery

Einfluss der Materialwahl und -strukturierung auf die Leistungsfähigkeit

zukünftiger Batterien: Die jeweilige Lade- und Entladegeschwindigkeit einer

voll geladenen Batterie wird vom Bauhaus Luftfahrt durch die etablierte „C-Rate“

bestimmt, deren Kehrwert die Anzahl der für eine volle Ladung oder Entladung

benötigten Stunden angibt. Verglichen mit einer heute üblichen Ladezeit von fünf

Stunden (0,2 C, grünes Quadrat), könnten neue Elektrodenmaterialien und Strukturierungen

(blaue Kurve) die Lade- und Entladegeschwindigkeit auf wenige Minuten

verkürzen. Ziel solcher Analysen ist nicht nur eine Verringerung der Aufladezeit,

sondern vor allem die Fähigkeit, die für den Start eines vollelektrischen Flugzeugs

notwendige Energie ausreichend schnell bereitstellen zu können.

Impact of material selection and electrode structure on the performance

of future batteries: In the description of a battery’s charge and discharge rate,

Bauhaus Luftfahrt uses the well-established “C-rate”. The latter’s reciprocal value

specifies the hours needed for a complete charge or discharge according to the overall

capacity of the battery. Compared to state-of-the-art charging and discharg ing

times of an average five hours (0.2C, green square), novel electrode materials and

structures (blue curve) could shorten the required times to a few minutes. The idea

behind such analyses is not solely the reduction of charging times, but also an adequately

fast allocation of the energy required for a fully electric aircraft’s take-off.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 45


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Charakterisierung

hybrider Systemarchitekturen

für elektrische Flugzeuge

Characterisation of

hybrid system architectures

for electric aircraft

Studies at Bauhaus Luftfahrt have already shown that highly optimised

conventional gas turbines only offer limited remaining potential

for further improvement. Moreover, universally electric, battery-powered

aircraft for commercial aviation will remain restricted

to low-power segments, at least for the foreseeable future,

because they require too many compromises in range and payload

(see page 42). In this context, researchers at Bauhaus Luftfahrt

were able to show that hybrid propulsion concepts with two or

more energy storage and/or power conversion devices, of which at

least one is different from the conventional system of kerosene

and turbo-engine, may act as a technological stepping stone in the

electrification of commercial aviation.

Bauhaus Luftfahrt’s approach to studying hybrid systems is

twofold. On the one hand, relevant component technologies, their

sca ling properties and future development potentials have been

compiled into an extensive catalogue over several years, which

could again be significantly enlarged and updated in 2013. This

cata logue includes simple physics-based scaling models, among

others for high temperature superconducting as well as normal

conducting electric machines, power converters and cables. Using

these models, suitable power systems for selected mission segments

and their optimal combination for specific transport applications

can be identified. Moreover, Bauhaus Luftfahrt researchers

scrutinise hybrid concepts and development efforts from other industries

such as in the automotive sector with respect to a possible

transfer of knowledge and technology into the aviation context.

The analyses already document to what extent future electric components

such as fuel cells, batteries, electric motors and generators

will be smaller, lighter and better performing due to new materials

and developments. Based on these results, the researchers

were moreover able to start identifying hybrid concepts which, if

carefully designed, can achieve significant emission savings while

minimising reductions in performance.

On the other hand, Bauhaus Luftfahrt is seeking to establish

a transparent and comprehensive set of parameters to charac­

Studien des Bauhaus Luftfahrt haben bereits gezeigt, dass konventionelle

Gasturbinen bereits hochoptimiert sind und Verbesserungen

nur noch limitiert möglich sind. Zudem werden universellelektrische,

batteriebetriebene Luftfahrzeuge zumindest für die ab sehbare

Zukunft auf niedrige Leistungsklassen beschränkt bleiben,

weil sie für die kommerzielle Luftfahrt zu große Kompromisse bei

Reichweite und Nutzlast erfordern (siehe Seite 42). In diesem Zusammenhang

konnten Forscher des Bauhaus Luftfahrt zeigen,

dass hybride Antriebskonzepte mit zwei oder mehr Energiespeichern

und/oder -wandlern, von denen mindestens einer sich vom

konventionellen System aus Kerosin und Turbine unterscheidet,

die Rolle einer Brückentechnologie einnehmen können.

Bei der Analyse hybrider Systeme verfolgt das Bauhaus Luftfahrt

eine Doppelstrategie: Zum einen haben die Wissenschaftler

in den vergangenen Jahren einen ausführlichen Katalog relevanter

Komponententechnologien, ihres Skalierungsverhaltens sowie

ihres zukünftigen Entwicklungspotenzials erstellt, der auch 2013

wieder deutlich erweitert und aktualisiert wurde. Dieser beinhaltet

einfache physikalische Skalierungsmodelle, unter anderem für normal-

und supraleitende elektrische Maschinen, Leistungselektronik

und Kabel. Diese ermöglichen es, geeignete Antriebssysteme

für einzelne Missionsabschnitte sowie deren beste Kombination

für ganze Transportanwendungen zu finden. Weiterhin beobachten

die Wissenschaftler auch hybride Konzepte und Entwicklungsbemühungen

in anderen Sektoren, zum Beispiel in der Automobilbranche,

und untersuchen sie in Bezug auf einen möglichen Wissens-

und Technologietransfer in die Luftfahrt. In den Analysen

des Bauhaus Luftfahrt deutete sich bereits an, dass zukünftige

elektrische Komponenten wie beispielsweise Brennstoffzellen, Batterien,

elektrische Motoren und Generatoren dank neuer Materialien

und Entwicklungen noch leichter, kleiner und leistungsfähiger

werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten die Wissenschaftler

auch bereits erste hybride Konzepte identifizieren, mit denen

bei sorgfältiger Auslegung deutliche Emissionsersparnisse bei minimierten

Leistungsnachteilen erzielt werden könnten. > >

46

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

1,000

Total installed traction or propulsion power P tot

[kW]

100

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

Degree of hybridisation H P

= P em

/P tot

Hybrid cars (Status: 2006 and earlier)

Hybrid cars (Status: 2013)

Plug-in hybrid cars (Status: 2013)

Electric cars (Status: 2013)

Hybrid-electric busses (Status: 2013, serial configuration)

Hybrid busses/Utility vehicles (Status: 2006 and earlier)

(Hybrid-) Electric utility vehicles (Status: 2013 and earlier)

(Hybrid-) Electric busses (Status: 2013 and earlier)

(Hybrid-) Electric aircraft (Status: 2013 and earlier)

Hybrid-electric aircraft (Status: 2013 and earlier,

serial configuration)

Der vom Bauhaus Luftfahrt erstellte Katalog umfasst zahlreiche bereits realisierte

hybride und elektrische Fahr- und Flugzeuge: Verschiedene Konzepte

werden dargestellt entsprechend ihrer insgesamt installierten Antriebsleistung

(P tot

) und ihrem Leistungshybridisierungsgrad (H P

), mit dem das Verhältnis installierter

elektrischer Motorleistung zur gesamten Antriebsleistung beschrieben wird: Bei

den Hybridkonzepten im Automobilbereich ist beispielsweise in den letzten Jahren

eine Konzentration hin zu einem Hybridisierungsgrad zwischen 15 und 25 Prozent

zu beobachten. Umgesetzte Hybridkonzepte für Luftfahrzeuge sind bisher selten,

es existieren jedoch circa 30 Leichtflugzeuge mit vollelektrischem Antrieb (H P

=1).

Deren Leistungsbereich liegt aber meist mehr als zwei Größenordnungen unter

demjenigen eines vollelektrischen Passagierflugzeuges wie dem Ce-Liner.

The catalogue compiled by Bauhaus Luftfahrt provides an overview of hybrid

and electric ground and air vehicle concepts realised to date: Different concepts

are distinguished using their total installed traction or propulsion power (P tot

)

and their power-specific degree of hybridisation (H P

), which represents the ratio of

installed electric motor power to the total power. With respect to hybrid concepts

for automotive applications, a clustering towards degrees of hybridisation between

0.15 and 0.25 can be observed in recent years. Realised hybrid concepts for aerial

vehicles are rare, but for H P

=1 (fully electric propulsion) around 30 ultralight aircraft

exist, although their power range is mostly more than two orders of magnitude

below the level required for fully electric passenger aircraft like the Ce-Liner.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 47


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Das zweite Augenmerk des Bauhaus Luftfahrt liegt auf dem Bestreben,

ein transparentes und umfassendes Parametersystem zur

Charakterisierung hybrider Antriebskonzepte zu erstellen. Damit

ließen sich deren missionsspezifische Vorteile in universell vergleichbarer

Weise bestimmen. Insbesondere erlauben es bestimmte

Parameter, spezifische Optimierungsprobleme zu lösen, zum

Beispiel hinsichtlich minimaler Kohlendioxid-Emissionen für eine

feste Transportaufgabe. Verschiedene Umsetzungen einer hybridelektrischen

Antriebskombination können beispielsweise erst dann

vollständig charakterisiert werden, wenn neben einer Angabe zur

Leistungsverteilung auf elektrische und konventionelle Leistungserzeuger

auch eine Festlegung zur Energiespeicherung, entweder

in Treibstoff oder in Batterien an Bord des Flugzeugs, existiert. Solche

„Hybridisierungsgrade“ können anschließend in Betrachtungen

auf der operationellen Ebene einfließen. Diese besitzen wiederum

eigene Parameter und unterscheiden sich beispielsweise durch

das Verhältnis von benötigter Dauer- zu Spitzenleistung während

einer Flugmission oder entsprechender zeitlicher Verläufe. Durch

die Einbeziehung von sowohl System- als auch Missionsparametern

kann das Bauhaus Luftfahrt missionsabhängige Vorteile hybrider

Systeme umfassend analysieren und Ergebnisse leichter verallgemeinern.

In Zukunft könnte der Hybridisierungsgrad des Systems

so direkt als Entwurfsparameter im Auslegungsprozess neuartiger

Luftfahrzeugkonzepte verwendet werden.

terise hybrid power systems. This may serve to quantify mis sionspecific

benefits in a universally comparable way. In particular,

these parameters are useful in solving specific optimisation

problems, such as minimal carbon-dioxide emissions for a given

transport task. Different realisations of a hybrid-electric power

train can only be characterised uniquely if the analysis is not

limited to the power split between electric and conventional

power conversion devices, but also considers the distribution of

the energy stored on-board in fuel or in batteries. Such a “degree

of hybridisation” may then be used in studies on the operational

level. They moreover rely on their own set of parameters,

such as the ratio of required cruise to take-off power for a given

mission, or the respective mission duration. Making use of both

system- and mission-dependent parameters, Bauhaus Luftfahrt

is able to identify mission-specific advantages of hybrid systems

and to generalise results in a straightforward way. In the future,

the “degree of hybridisation” could be used as an additional parameter

to open up new degrees-of-freedom in the sizing process

of novel aircraft concepts.

48

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Pure serial hybrid:

» Only electric power

at drive shaft

» Only conventional

energy refilled

1

Pure "plug-in" electric power

» Universally-electric propulsion

» Only battery energy storage

Power hybridisation, H P

= P em

/P tot

Electric motor power at drive shaft increases

(Unfeasible region)

Today‘s power trains:

» Purely conventional

power conversion

» Only fuel tank energy

storage

0

Carried amount of „plug-in“

electrical energy increases

0 1

Energy hybridisation, H E

= E el

/E tot

Der Parameterraum, der vom Bauhaus Luftfahrt zur Klassifizierung hybridelektrischer

Antriebssysteme vorgeschlagen wird: H P

bezeichnet das Verhältnis

installierter elektrischer Motorleistung zur gesamten Antriebsleistung, während

H E

die im Fahrzeug als Batterien mitgeführte elektrische Energie ins Verhältnis zur

insgesamt gespeicherten Energiemenge setzt. Folglich enthält der blaue Bereich

im Diagramm keine sinnvollen Hybridsysteme, da dort mehr Energie in elektrischer

Form mitgeführt wird, als entsprechend im Elektromotor umgewandelt werden

kann. Ein vollelektrisches, batteriebetriebenes Antriebskonzept, wie es in der Ce-

Liner Studie des Bauhaus Luftfahrt entwickelt wurde, entspräche dem maximalen

Hybridisierungsgrad (H E

=1,H P

=1).

The parameter space suggested by Bauhaus Luftfahrt for classifying hybridelectric

power trains: H P

denotes the ratio of installed electric motor power to the

total propulsive power, while H E

corresponds to the ratio between the amount of

externally rechargeable electrical energy stored in batteries and the total energy

storage aboard the vehicle. As a consequence, the blue region in the diagram does

not contain feasible hybrid systems because they would carry more energy in electrical

form than could be usefully exploited by the installed electric motor. On the

other hand, a fully electric, battery-powered propulsion concept, such as the one

developed for Bauhaus Luftfahrt’s Ce-Liner concept study, defines the maximum

degree of hybridisation (H E

=1,H P

=1).

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 49


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Vorkonzeptionelle Leistungsbetrachtungen

elektrisch

versorgter Flugantriebe

Pre-concept performance

investigation of electrically

powered aero propulsion

Übertrüge man die selbstgesteckten Emissionsreduktionsziele der

Luftfahrtbranche für das Jahr 2050 auf den Wirkungsgrad des Antriebssystems,

so müsste dieser gegenüber heutigen Flugtriebwerken

um bis zu 80 Prozent verbessert werden. Bislang konnten nur

elek trische Energie- und Antriebssysteme (Energy and Propulsion

Systems, EPS) als mögliche Lösung für derartig hohe Anforderungen

identifiziert werden. Die Suche nach technologischen Konzepten

für solche vollständig elektrischen Antriebe hat das Bauhaus

Luftfahrt daher auch im Jahr 2013 weiter vorangetrieben.

Im Hinblick auf das zuvor identifizierte Ziel, die installierte

Vortriebsleistung an Bord vollelektrischer Flugzeuge zu reduzieren,

wurden zwei verschiedene Antriebsarchitekturen mit alternativen

Vortriebserzeugern untersucht: ein ummantelter Getriebefan mit

ein fachem Rotor (Electric Fan, EF) und eine offene Bauweise mit

zwei gegenläufig rotierenden Propellern (Electric Open Rotor,

EOR). In multidisziplinären Auslegungs- und Leistungsbetrachtungen,

sowohl auf Antriebs- als auch auf der integrierten Flugzeugsystemebene,

wurden die optimalen Konstellationen für beide

Triebwerkstypen ermittelt. Dabei wurde auch das Einsparpotenzial

von EF und EOR untersucht und mit fortschrittlicher Turbofan-Technologie

verglichen. Als einheitliche Basis für Vergleichsstudien verschiedener

EPS wurde auf der Antriebssystemebene der sogenannte

„schubspezifische Energieverbrauch“ (TSPC) eingesetzt. Für Effizienzbetrachtungen

auf der Flugzeugsystemebene verwendet das

Bauhaus Luftfahrt die sogenannte „energiespezifische Flugreichweite“

(ESAR). Beide Metriken wurden bereits in den vorangegangenen

Jahrbüchern vorgestellt.

Bei typischen Strömungs-Auslegungsbedingungen zeigte das

EF-Konzept eine Verringerung des TSPC von bis zu 43 Prozent gegenüber

fortschrittlichen Turbofans. Vergleicht man diesen Wert

mit Referenztriebwerken aus dem Jahr 2000, so würde sich der

Ge samtwirkungsgrad des Antriebssystems mehr als verdoppeln.

Für das EOR-Konzept wurde eine weitere Verringerung des TSPC

ermittelt, die gegenüber dem EF-Konzept nochmals bis zu 16 Prozent

beträgt. In der Analyse auf Flugzeuggesamtebene zeichnete

sich ein ähnliches Bild ab: Die ESAR-Werte des EOR-Konzepts fielen

Translating the aviation environmental targets for the year 2050 to

propulsion system efficiency requirements, power plant overall efficiency

would need to be improved by up to 80 per cent relative to

today’s propulsion systems. Yet only electrically powered Energy

and Propulsion System (EPS) options have been identified as potential

solutions for such a scenario. In 2013, research at Bauhaus

Luftfahrt has continued to explore technological concepts for such

universally electric propulsion systems.

Motivated by the previously identified target of reducing the

installed propulsive power on board of a fully electric aircraft, the

performance potentials of two power plant architectures featuring

alternative propulsive devices was explored: a ducted geared single-rotating

fan, referred to as Electric Fan (EF), and an unducted

counter-rotating propeller arrangement, referred to as Electric

Open Rotor (EOR). In multidisciplinary sizing and performance studies

at the isolated propulsion system level and at the integrated

vehicular level, optimum power plant design constellations were

studied for both power plant types. Thereby, the efficiency potentials

of the EF and EOR power plant architectures were assessed

and compared to advanced turbofan technology. As a unified basis

for the comparative evaluation of the electrically powered EPS, the

Thrust Specific Power Consumption (TSPC) metric was employed at

the propulsion system level. The Energy Specific Air Range (ESAR),

formed the basis for efficiency evaluation at a vehicular level. Both

metrics were introduced in Bauhaus Luftfahrt’s previous yearbook.

At typical flow path sizing conditions, the EF concept showed

a TSPC improvement of up to 43 per cent over advanced turbofan

engines. Compared to year 2000 reference engines, the propulsion

system’s overall efficiency more than doubled. The EOR concept

was found to even further reduce TSPC by up to 16 per cent relative

to the EF concept. During the aircraft-integrated assessment, the

ESAR values obtained for the domain of EOR-powered aircraft exceeded

the maximum ESAR of the EF domain between eight and

15 per cent. Different from the integration of open rotor engines on

transport aircraft using conventional fuel, the application of the

EOR on the investigated universally electric aircraft design was

gegenüber dem EF-Konzept zwischen acht und 15 Prozent > almost neutral in terms of aircraft Maximum Take-Off Weight

>

50

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


+40%

+80%

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

0.95

0.9

0.85

Advanced open rotor

50% hybrid-electric

turbofan study

(Schmitz & Hornung, 2013)

Fully electric fan study

(Seitz et. al., 2012)

Fully electric open rotor

(Seitz et. al., 2013)

0.8

0.75

State-of-the-art

technology

Intercooled

recuperated

turbofan

EU Flightpath 2050***

0.7

Reference

technology

+100%

ACARE SRIA** 2035

ACARE SRIA* 2020

0.65

+60%

–30%

–20%

–10%

Reference

+10%

+20%

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

* 20% less energy need by propulsion and power in the year 2020

** 30% less energy need by propulsion and power in the year 2035

*** based on propulsion system contribution to the year 2050

CO 2

goals proposed by Isikveren et al. (2012)

Konturlinien des konstanten Antriebswirkungsgrades n ov

bei Reiseflug bedingun

gen im Vergleich zum Jahr 2000: Die Ergebnisse mehrerer vom Bauhaus

Luftfahrt durchgeführter Effizienzbetrachtungen an hybriden und vollelektrischen

Antriebssystemen (blau, dunkelblau) verdeutlichen, dass bereits eine 50-prozentige

Elektrifizierung eines Turbofan-Antriebssystems das Potenzial hat, die n ov

­Ziele für

2035 zu erreichen. Betrachtet man die n ov

­Ziele für den Indienststellungs­Zeitraum

nach 2050, so versprechen vollelektrische Antriebsoptionen ein großes Potenzial für

emissionsarme oder sogar emissionsfreie Verkehrsflugzeuge.

Contours of constant propulsion system overall efficiency n ov

, at cruise conditions

and relative to a year 2000 reference: The results of several effi ciency

studies conducted by Bauhaus Luftfahrt on hybrid- and fully electrically powered

propulsion systems (blue, darkblue) show that a 50 per cent electrification of

turbofan propulsion systems clearly has the potential to deliver on the defined n ov

targets for 2035. In view of the n ov

goals derived for Entry-into-Service (EIS) years

beyond 2050, and as a possible means of ultra-low or zero in-flight emissions,

fully electric propulsion options may have great potential for transport aircraft.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 51


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

besser aus. Anders als bei der Integration von konventionellen,

kraftstoffbetriebenen Open-Rotor-Konzepten brachte die Integration

des EOR in ein universellelektrisches Flugzeugkonzept gegenüber

der ummantelten Bauweise zudem keine nennenswerten

Nachteile in Bezug auf das maximale Startgewicht (MTOW) mit

sich. Es zeigte sich, dass die bei der Installation großer Propeller zu

Tage tretenden Strukturgewichtsnachteile sowie die Kaskadeneffekte

bei der Auslegung eines Flugzeugs von den geringeren Massen

der elektrischen Systeme, beispielsweise des kryogenisch gekühlten

Motors und der Leistungselektronik, effektiv aufgewogen

wurden. Dies war eine Folge der gemäßigten Leistungsanforderung

im Startfall.

Für die gleiche Kurzstrecken-Transportaufgabe zeigten sich

bei EOR-Konzepten auch deutlich geringere Anforderungen an das

Batteriesystem als bei EF-angetriebenen Flugzeugen. Bezöge man

sinnvolle Lärmobergrenzen für offene Propeller mit ein, so ließe

sich die erforderliche Energiedichte der benötigten Batterien um

bis zu elf Prozent verringern, bei gleichzeitiger Verringerung der

Leistungsdichte um vier Prozent gegenüber einer ausgewogenen

EF-basierten Konstruktionslösung.

Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse und Erkenntnisse

seiner ersten Studien wird das Bauhaus Luftfahrt seine Arbeiten

an vollelektrischen Luftfahrtantrieben als mögliche Wegbereiter

für emissionsfreies Fliegen zukünftig auf weitere Detailbereiche

ausdehnen.

(MTOW) compared to the ducted propulsion system option. It was

found that the structural mass penalties caused by the installation

of large propeller-based power plants and cascade effects during

aircraft sizing were effectively counteracted by the reduced electrical

system masses, including the controlled, cryo-cooled motors as

well as the Power Management And Distribution (PMAD) system.

This was a result of the mitigated power requirements at take-off.

Relative to EF-powered aircraft, EOR-powered vehicles revealed

substantially relaxed battery system requirements for the

same short-range transport application. Under consideration of propeller

noise constraints, a potential reduction of up to eleven per

cent in required battery energy density at simultaneously reduced

power density requirements of four per cent were found relative to

a best and balanced EF-based design solution.

The promising results and findings obtained from the presented

studies will further encourage researchers at Bauhaus Luftfahrt

to expand their work on fully electric aero-propulsion systems

as a po tential enabler of zero in-flight emissions to higher levels of

detail.

52

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Turbo open rotor

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Gas turbine

Propeller

and drive system

Electric motor

Electric open rotor

Control volumes:

Power supply system

Power transmission system

Jet/propeller flow field

Vereinheitlichte Definition der Kontrollvolumina für konventionell und elektrisch

betriebene Open-Rotor-Antriebe: Das vom Bauhaus Luftfahrt genutzte

Schema sichert die Vergleichbarkeit mit früheren Studien an ummantelten Antriebsarchitekturen

auf konventioneller oder elektrischer Basis.

Unified control volume definition standard applied to conventional and

electrically powered open rotor propulsion: The scheme used by Bauhaus

Luftfahrt ensures consistency with previous studies on ducted conventional and

electric fan concepts.

Required battery power density

(PD Batt, req

) [W/kg]

2,600

2,500

2,400

2,300

2,200

2,100

Study settings

Transport task: 189 Pax, 900 nm

Technology Status: EIS 2035

Cruise Conditions: ISA, FL330, MO.75

T/O Conditions: ISA, SL, M0.2

Max. Wing Loading 634 kg/m 2

Aircraft Thrust/Weight at T/O: 0.233 (AEO), 0.178 (OEI)

D prop

at Optimum for max. ESAR at TOC

V tip, des, Fan

at Optimum for max. ESAR at TOC

Max. Nozzle Area Extension for EF at T/O: 15%

Electric fan (EF)

powered aircraft

303 @ 2.50

290 @ 2.60

319 @ 2.40

337 @ 2.30

360 @ 2.20

Optimum V tip, des, Fan

[m/s]

@

D Fan

[m]

2,000

1,900

1,800

– 3.9%

4.66 @ 180

4.48 @ 200

Electric open rotor (EOR)

4.37 @ 220

powered aircraft

4.30 @ 240

Optimum D Prop

[m] @ V tip, Prop

[m/s]

278 @ 2.70

268 @ 2.80

259 @ 2.90

243 @ 3.10

250 @ 3.00

1,700

– 10.8%

1,750 1,800 1,850 1,900 1,950 2,000 2,050 2,100 2,150 2,200

Required battery energy density

(ED Batt, req

) [Wh/kg]

Anforderungen an die Batteriesysteme eines Elektrofans (EF) mit Getriebe und

eines elektrischen Open-Rotor-Antriebs (EOR): Untersuchungen des Bauhaus

Luftfahrt haben gezeigt, dass die benötigte Leistungsdichte der Batterien eines

EOR-Konzepts um etwa vier Prozent niedriger ausfallen würde als jene einer EF-

Architektur. Die benötigte Energiedichte der Batterien eines EOR-Konzepts würde

sogar um bis zu elf Prozent niedriger ausfallen als für die ummantelte Konstruktion.

Battery system requirements for a geared electric fan (EF) as well as a geared

electric open rotor (EOR): Studies conducted by Bauhaus Luftfahrt showed that

the required battery power density of an EOR architecture would be approximately

four per cent lower in comparison to the EF concept. The required energy density

of the batteries for an EOR application would even be roughly eleven per cent

lower than for the ducted architecture.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 53


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Abschätzung der Betriebskosten

von elektrisch angetriebenen

Verkehrsflugzeugen

Operating cost estimation

for electrically powered

transport aircraft

Im Rahmen der Forschung an vollelektrisch-angetriebenen Verkehrsflugzeugen

stellt sich den Wissenschaftlern auch die Frage

nach dem Einfluss der Elektrifizierung auf die Betriebskosten solcher

Flugzeuge. Speziell im Vergleich zu Weiterentwicklungen konventionell

angetriebener Luftfahrzeuge ist dies von besonderem

Interesse. Aus diesem Grund hat das Bauhaus Luftfahrt eine detaillierte

Projektion des zu erwartenden Kostenniveaus durchgeführt.

Ein erster Fokus der Untersuchung lag auf den Batterien, die

das heute verwendete Kerosin als Energiequelle ersetzen sollen.

Somit entstehen neue Kosten mit einer Einführung von Energiespeichern,

da diese sowohl beschafft und nach jedem Flug wieder

aufgeladen werden müssen. Somit fallen schon einmal Investitions-

und Energiekosten an. Aufgrund einer limitierten Lebensdauer

der Batterie während des Flugbetriebs entstehen weitere Abschreibungskosten,

die wiederum vom Anschaffungspreis und dem zu

erwartenden Restwert abhängig sein werden.

Die Anschaffungskosten der benötigten Batterien wurden auf

Basis verschiedener bereits veröffentlichter Studien bestimmt. Die

Abschreibungsdauer entspricht der Lebensdauer der Batterie, deren

Kapazität mit einer zunehmenden Anzahl von Ladezyklen immer

geringer wird, bis sie schließlich nicht mehr verwendet werden

kann. Was dann mit den Batterien geschehen kann, wurde vom

Bauhaus Luftfahrt ebenfalls untersucht und es stellte sich heraus,

dass ein Recycling zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien keinen Kostenvorteil

bringen würde. Ihre Weiterverwendung in anderen Branchen

mit geringeren Anforderungen an die Kapazität erscheint daher

In line with analyses on fully electric aircraft, researchers often

face questions regarding a possible impact of electric flying on an

air craft’s operating costs, especially in comparison to conventionally

powered aircraft with the same technology standard. To address

these questions, Bauhaus Luftfahrt has conducted a detailed

projection of the expected cost levels.

An initial analysis focused on batteries, which will replace

to day’s jet fuel as energy source. With a replacement of fuel by

bat te ries, new costs will arise. First of all, batteries have to be purchased

and recharged, therefore E-Aviation will face battery investment

costs and cost for electric energy. Due to wear or expected

performance shortfalls of the batteries during operation,

usage of these will lead to additional depreciation costs, depending

on the acquisition cost and expected residual value at the end

of aeronautical usage.

The acquisition cost of the batteries was determined on the

basis of various already published studies. The depreciation period

equates to the lifetime of a battery and is limited due to a decrease

of capacity with an increasing number of recharging cycles. After

the initial aeronautical use of batteries, initial studies identified

that recycling of future lithium­ion batteries used for electrically

powered aircraft will not offer any cost benefit, so a second life in

other industries was proposed.

Regarding the impact on maintenance costs of an electrically

powered aircraft, Bauhaus Luftfahrt first had to develop initial cost

estimation methods for high-temperature superconducting (HTS)

motors and associated systems. Therein, the fuel system, hy draulic

empfehlenswert.

> power, pneumatics and auxiliary power unit no longer had to

>

54

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Equal cost of ownership, including depreciation, interest and insurance cost

Apart from the batteries, the Ce-Liner‘s cost of ownership roughly equals

that of a conventionally powered aircraft at a comparable technology level.

Additional cost of ownership (Batteries)

Acquisition, depreciation, insurance, interest

and maintenance of batteries cause significant

costs for Ce-Liner operators.

Additional environmental charges

The conventionally powered reference

aircraft is subject to environmental fees

that the Ce-Liner is expected to avoid due

to its locally emission-free operation.

Two per cent lower energy cost (500 nautical mile mission)

Projections of future electricity and kerosene prices hint at slightly

lower energy costs for Ce-Liner operations, but price volatility for

both energy carriers remains a critical factor.

Aircraft cost per block hour

Ce-Liner

Reference aircraft

Ce-Liner

(percentages of

cost categories)

19%

10%

2%

38%

Energy cost

US$ 2,561 US$ 2,613 (+2%)

Airport and navigation charges

US$ 1,783 (+21%) US$ 1,478

Direct maintenance cost

US$ 366 US$ 380 (+4%)

Crew cost

US$ 1,259 (+4%) US$ 1,205

38%

6%

10%

18%

Reference aircraft

(percentages of

cost categories)

5%

26%

Cost of ownership (excl. batteries)

US$ 694 US$ 694

Batteries Environm. charges

US$ 160

US$ 400

22%

6%

Summary

US$ 6,821 (+0.8%) US$ 6,770

Nearly equal DOC for the Ce-Liner

Higher airport and navigation charges (150 passengers, 75 per cent load factor)

Applying today‘s airport charges to electrically powered aircraft, their significantly higher

take-off and maximum landing weights would result in higher landing and navigation charges.

Lower direct maintenance cost (Engine and airframe)

On the one hand, superconducting motors require significantly less scheduled and unscheduled maintenance than conventional

turbofan engines. On the other hand, the Ce-Liner‘s airframe requires more maintenance due to the higher aircraft weight.

Higher crew cost (Short-haul, full-service carrier payment level)

As crews receive payments in regard to weight of operated aircraft (larger/heavier aircraft = more responsibility = higher wages),

the comparably heavy Ce-Liner would have disadvantages in terms of crew cost.

Direkter Kostenvergleich (Tabelle) und Anteile einzelner Kategorien an den

gesamten Betriebskosten des vollelektrischen Ce-Liner-Konzeptes aus dem

Bauhaus Luftfahrt (linkes Diagramm) und eines Referenzflugzeuges mit

weiterentwickeltem Turbofan-Antrieb (rechtes Diagramm): Aus den nur um

0,8 Prozent höheren Betriebskosten des Ce-Liners lässt sich erahnen, dass elektrisch

angetriebene Verkehrsflugzeuge auf einem vergleichbaren Kostenniveau betrieben

werden könnten wie ihre konventionell angetriebenen Gegenstücke.

Direct cost comparison (table) as well as specific cost breakdowns for the

fully electric Ce-Liner concept envisioned by Bauhaus Luftfahrt (left chart)

and a reference aircraft powered by advanced turbofan engines (right chart):

With its overall Direct Operating Cost (DOC) only 0.8 per cent higher than for a

conventionally powered reference aircraft, it becomes apparent that an electrically

powered transport aircraft could be operated at a neutral cost level.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 55


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Reference calculation case

0.8%

Direct maintenance cost of HTS motor 20% higher than expected from literature

1.1%

A price escalation of 1% per year stops after 2035

1.0 %

Threshold for battery removal from 80% to 70% maximum capacity

1.7%

1

/3 fewer flight cycles before battery removal

1.9%

10% higher battery price

1.1%

50% lower cost for CO 2

emission allowances

3.6%

Fuel cost 10% higher than in reference case

–2.9%

Electricity cost 10% lower compared to reference case

–3.0%

–4%

–2%

0%

2%

4%

Delta DOC to reference [%]

Sensitivitätsstudie: Die hier aufgelisteten Faktoren sind Beispiele für unterschiedlich

große Einflüsse auf die direkten Betriebskosten (DOC) des elektrisch betriebenen

Ce-Liner-Konzepts, die im vorhergehenden Vergleich mit dem konventionell

angetriebenen Referenzflugzeug nur um etwa 0,8 Prozent höher berechnet wurden.

Sinkt aber beispielsweise der Strompreis um zehn Prozent, so würde das elektrische

Flugzeug im Betriebskostenvergleich sogar um bis zu drei Prozent günstiger als die

Referenz. Würden sich auf der anderen Seite aber die hochtemperatursupraleitenden

Motoren (HTS) um 20 Prozent wartungsintensiver präsentieren, als in der

Literatur angegeben, so würde dies den Betriebskostennachteil des Ce-Liners auf

1,1 Prozent erhöhen.

Sensitivity study: The exemplary factors listed here highlight different influences

on the Ce-Liner’s Direct Operating Costs (DOC), which in Bauhaus Luftfahrt’s first

analysis have been calculated to be only 0.8 per cent higher than those of the

conventionally powered reference aircraft. On the one hand, a decrease of just ten

per cent in electric energy prices would alter the slight DOC disadvantage of the

Ce-Liner into a three per cent advantage. If the real maintenance cost for the Ce-

Liner’s high-temperature superconducting (HTS) motors, on the other hand, would

turn out to be 20 per cent higher than specified in literature, the DOC disadvantage

of the electric aircraft would further increase to 1.1 per cent.

56

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bei der Abschätzung der Wartungskosten von Hochtemperatur-

Supraleitungs-Motoren (HTS) und den damit verbundenen Flugzeugsystemen

kamen erste vom Bauhaus Luftfahrt entwickelte

Methoden zum Einsatz, die den Wegfall von Kraftstoff- und Hy draulik

systemen oder die fehlende Hilfsgasturbine genauso berücksich

tigten wie die erforderliche Anpassung der elektrischen Bordsysteme.

Aufgrund des geringen Technologiereifegrades stellt sich

die Abschätzung der HTS-Wartungskosten allgemein als schwieriger

heraus als bei kerosinbasierten Antrieben. In der gängigen

Fachliteratur wird darauf verwiesen, dass HTS-Motoren zuverlässiger

als Gasturbinen arbeiten und weniger Wartung benötigen. Da

sich HTS-Motoren für Luftfahrtanwendungen aber derzeit noch im

Forschungsstadium befinden und ihre Wartungskosten daher unbekannt

sind, wurden jene von Onshore-Windkraftanlagen einer

ver gleichbaren Leistungsklasse herangezogen.

Wendete man zudem die Entgeltmodelle heutiger Flughäfen

an, verursachten elektrisch angetriebene Flugzeuge durch ihr größeres

Gewicht nicht nur signifikant höhere Lande- und Navigationsgebühren

sowie höhere Personalkosten für die Besatzung. Auch

die direkten Wartungskosten der Flugzeugzelle würden durch das

Mehrgewicht erhöht.

Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt ergab, dass die laufenden

Batterieaufwendungen die Flugzeugfixkosten um bis zu 23 Prozent

erhöhen. Potenziell könnten die Wartungskosten der HTS-Motoren

zwar deutlich geringer ausfallen als die von konventionellen Turbofan-Triebwerken,

jedoch reduzierten die gewichtsbedingt hohen

In standhaltungsaufwendungen für die Flugzeugzelle den gesamten

Wartungskostenvorteil auf nur noch vier Prozent. Nach heu tigen

Durchschnittspreisen ergeben sich weitere zwei Prozent Ersparnis

bei den Energiekosten. Rechnet man auch die Kosten für

Besatzung, Umweltabgaben sowie Flughafen- und Navigationsgebühren

hinzu, zeichnet sich am Ende ab, dass im Vergleich zu weiterentwickelten

konventionellen Antrieben ein kostenneutraler Betrieb

vollelektrischer Flugzeuge möglich sein könnte. Unterschiedliche

Entwicklungen der volatilen Elektrizitäts- und Kerosinpreise

können dieses Ergebnis aber stark beeinflussen.

be considered. Instead, a further adjustment had to be effected for

the onboard electric power system. Developing an approach to determine

the engine maintenance costs for universally electric aircraft

proved to be more difficult compared to new kerosene-based

propulsion technology at given technology readiness levels. Especially

for the HTS motors, it is only stated in literature that superconducting

electric motors require less maintenance while having a

higher reliability than gas turbines. As HTS motors for aeronautical

use are still undergoing research, their maintenance costs are unknown

as of today. Therefore, Bauhaus Luftfahrt used average operation

and maintenance costs for on-shore wind turbines that

maintenance costs for motors and generators are similar for this

Megawatt power output class.

Applying today’s airport charges to electrically powered aircraft,

their significantly higher take-off and maximum landing

weights result in higher landing and navigation charges, flight crew

costs and airframe direct maintenance costs.

Bauhaus Luftfahrt’s assessment highlighted that the batteries

of an electric aircraft would raise the overall cost of ownership

by 23 per cent. Engine direct maintenance costs of HTS motors

show potential to be significantly lower in comparison to conventional

turbofan architectures, but higher airframe maintenance expenditures

due to the weight penalty of electric aircraft would

reduce the overall maintenance cost advantage to a mere four per

cent. A further two per cent reduction in required energy costs was

calculated based on current average fuel and electricity prices. As

soon as crew costs as well as environmental, airport and navigation

charges were also taken into account, it became apparent that

a cost-neutral operation of electrically-powered aircraft in comparison

to advanced combustion technologies could be pos sible.

However, it should be noted that opposing trends for electricity

and fuel costs would always be highly influential to the final cost

comparison.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 57


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Einfluss von elektrisch

an getriebenen Flugzeugen

auf den Batterie- und

Energie bedarf für Deutschland

Impact of electrically powered

transport aircraft on energy

and battery demand for

Germany

Mit einem Einzug der Elektromobilität in die kommerzielle Luftfahrt

würde zweifelsohne auch ein höherer Bedarf an elektrischer Energie

einhergehen. Setzte man zudem austauschbare Batteriecontainer

ein, würde zudem zusätzlicher Raum für deren Lagerung und

Aufladung an Flughäfen erforderlich. Um besser zu verstehen, welche

Auswirkungen der flächendeckende Einsatz von elektrischen

Luftfahrzeugen für die Flughäfen haben würde, hat das Bauhaus

Luft fahrt eine detaillierte Projektion des zukünftigen Strom- und

Bat teriebedarfs durchgeführt.

Mit dem Ce-Liner-Konzept als möglichem Ersatz der heutigen

Standardrumpfflugzeuge könnten 54 Prozent aller Flüge von und

nach Deutschland im Jahr 2012 ersetzt werden. Würden auch zukünftige

Regionalflugzeuge elektrifiziert, würde sich dieser Anteil

auf 81 Prozent erhöhen.

Im Jahr 2011 wurden in Deutschland 541.000 Gigawattstunden

(GWh) an elektrischer Energie verbraucht. Der Güter- und Personentransport

hatte daran nur einen Anteil von drei Prozent. Mit

Luftverkehrsdaten von 2012 hat das Bauhaus Luftfahrt die Auswirkungen

von elektrischer Luftfahrt auf den täglichen Energiebedarf

und die Anzahl der für den Betrieb benötigten Batterien an deutschen

Flughäfen abgeschätzt. Ersetzte man nur alle heutigen Flüge

mit Flugzeugen der Airbus A 320- und Boeing 737-Familien von und

nach Deutschland durch den Ce-Liner, würde die Luftfahrt deutschlandweit

einen jährlichen Bedarf von 9.750 GWh an elektrischer

Energie haben, gerade einmal zwei Prozent des jährlichen Gesamtbedarfs.

Wie viele einzelne Batterien für die Bereitstellung dieser En ergie

erforderlich würden, hängt stark von ihrer Aufladezeit ab. Für

seine Analyse hat das Bauhaus Luftfahrt Ladezeiten zwischen einer

und zwölf Stunden untersucht. An einem üblicherweise sehr

betrieb samen Freitag am Flughafen München müssten bei einer

mittleren Ladezeit von sechs Stunden ungefähr 1.230 Batteriecontainer

vorgehalten werden, um eine ausreichende Versorgung

sicherzu stellen.

>

The envisioned advent of electro mobility in commercial aviation

will undoubtedly result in a higher demand for electrical energy.

Pro viding this in interchangeable battery containers will more over

result in additional space requirements for container storage and

re charging at airports. To better understand the implications a

widespread implementation of electric aircraft would have for airports,

Bauhaus Luftfahrt has carried out a detailed projection of the

future electrical energy and battery demand.

Using the Ce-Liner as a possible replacement of today’s single

- aisle aircraft, a replacement potential of 54 per cent for all flights

to and from Germany was determined using scheduled air traffic

data from 2012. Assuming that future regional aircraft would also

use electric propulsion, the replacement potential of today’s fleet

increases to 81 per cent.

In Germany, 541,000 gigawatt-hours (GWh) of electric energy

were consumed in 2011. Transportation only has a share of three

per cent. Scheduled air traffic data from 2012 lead Bauhaus Luftfahrt

to a first estimation of how far E-Aviation would impact electric

energy demand and how many batteries would be required

during operational hours. Replacing all flights operated by Airbus

A320 and Boeing 737 family aircraft in 2012 to and from Germany

would lead to an annual electric energy demand of 9,750 GWh, a

mere two per cent of the overall electric energy consumed in Germany

every year.

A breakdown of the number of battery containers needed for

these flights strongly depends on the required recharging time. For

its analysis, Bauhaus Luftfahrt investigated recharging times between

one and twelve hours. Assuming a typically busy Friday of

operations at Munich Airport and a recharging time of six hours for

each battery container, roughly 1,230 batteries would be needed

on stock to avoid a shortfall in battery supply.

>

58

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

NRN

BRE

HAM

BER (TXL/SXF)

38%

25%

11%

88%

45%

64%

81%

DUS

HAJ

31%

39%

51%

50%

CGN

13%

NUE

73%

40%

51%

HHN

FRA

STR

MUC

18%

51 %

41%

76%

52%

40%

47%

100

Germany

Percentage of annual operations [%]

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Regional aircraft

27%

Single-aisle aircraft

61%

Long-haul aircraft

12%

Regional aircraft

(Range ≤1078 nm)

27%

Single-aisle aircraft

(Range ≤1078 nm)

53%

Long-haul aircraft

12%

Single-aisle aircraft

(Range ≥ 1078 nm)

8%

27%

53%

Regional aircraft (Range ≤ 1078 nm)

Single-aisle aircraft (Range ≤1078 nm)

Operational range ≥1078 nm and long-haul aircraft

Flottenmix in Deutschland und an wichtigen deutschen Flughäfen: Die dunkelund

hellblauen Segmente verdeutlichen die Anteile von Standardrumpf- und Regionalflugzeugen.

Diese beiden Kategorien könnten in der Zukunft möglicherweise

durch elektrisch angetriebenes Fluggerät wie den Ce-Liner ersetzt werden. (Quelle:

OAG 2012)

Fleet mix in Germany and at major German airports: The dark and light blue

sections highlight the percentage of narrow-body and regional aircraft operated,

therein representing the percentage of aircraft that could be replaced by electric

airliners such as the Ce-Liner. (Source: OAG 2012)

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 59


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Mit der besagten Sechs-Stunden-Ladestrategie hätte der Flughafen

München allein für den morgendlichen Hochbetrieb zwi schen

neun und zehn Uhr einen Leistungsbedarf von fast 400 Megawatt

sowie einen täglichen elektrischen Energiebedarf von 5,8 GWh.

Die Studie des Bauhaus Luftfahrt konnte die Erwartung bestätigen,

dass längere Ladezeiten die Anzahl der am Flughafen benötigten

Batterien deutlich erhöhen würden, jedoch auch zei gen, dass sich

die maximale elektrische Leistung zugleich erheblich verringern

würde, was zu einem ausgeglichenen elektrischen Energiebedarf

mit niedrigeren Spitzenlasten führen würde.

Eine einstündige Ladestrategie würde die Spitzenlasten während

des Tages um bis zu sechs Prozent des heutigen Energieverbrauchs

erhöhen. Mit einer Zwölf-Stunden-Ladezeit würde sich der

Applying the aforementioned six-hour recharging strategy, Munich

Airport would need a maximum of nearly 400 megawatts of

electric energy for peak hours between 9am and 10am. The daily

electric energy demand would sum up to 5.8 GWh. Bauhaus Luftfahrt’s

study showed that, as expected, longer charging times

would significantly increase the number of required batteries at

the airport. However, the maximum electric capacity could be decreased

significantly by longer charging times, thus leading to a

more balanced electric energy demand with lower peak loads.

For the one-hour recharging strategy, E-Aviation would signi f-

icantly increase the peak loads during the day by up to six per cent

of actual energy consumption. With a recharging time of twelve

hours, overall electric demand would be increased by up to four

elektrische Gesamtbedarf um bis zu vier Prozent erhöhen. Eine > per cent. Another possibility is the recharging of batteries only >

60

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Case A

Case B

ONC

ONC

12h

12h

6h

6h

1h

1h

Maßstabsgetreue Darstellung der am Münchener Flughafen zur Lagerung

und zum Aufladen der Batterien benötigten Fläche in Abhängigkeit vom Lagerungstyp

(Fall A: ebenerdig, Fall B: Lagerung auf drei Ebenen) sowie für

eine Ladedauer von einer, sechs oder zwölf Stunden und für das Laden über

Nacht (Overnight Charging, kurz: ONC): Die Wissenschaftler sind zuversichtlich,

dass der zusätzliche Platzbedarf der Batterien keinen limitierenden Faktor

für die Einführung einer elektrisch betriebenen kommerziellen Luftfahrt darstellt.

Required base area for battery housing and storage in dependency on recharging

times of one, six or twelve hours or overnight charging (ONC) as

well as stacking type (Case A: One level, Case B: Three levels) for Munich

Airport in right scale to existing infrastructure: Researchers at Bauhaus Luft -

f ahrt are confident that the additional space required for battery containers

would not represent a show-stopper for the introduction of E-Aviation.

wei tere mögliche Lösung ist das Aufladen über Nacht, etwa zwischen

22 und sechs Uhr, wenn der allgemeine Energiebedarf niedrig

ist. Für den Flughafen München würde diese Praxis aber den

Bedarf auf bis zu 3.000 Batterien erhöhen, verglichen mit lediglich

290 Bat terien bei der einstündigen Ladestrategie.

Auch wenn größere Flughäfen schon heute kaum noch Flächen

zur Erweiterung haben, kann man davon ausgehen, dass der

zusätzliche Platzbedarf der Batterien keinen limitierenden Faktor

für die Einführung einer elektrischen Luftfahrt darstellt. Gemeinsam

mit der Energieindustrie und verschiedenen Energieforschungsinstituten

wird sich das Bauhaus Luftfahrt daher zukünftig noch detaillierter

mit optimalen Ladestrategien für eine synergetische Einführung

elektrischer Flugzeuge an zukünftigen Flughäfen auseinandersetzen.

at night, when the electrical energy load is low. For Munich Airport,

such an overnight charging option from 10pm to 6am would

increase the demand to nearly 3,000 batteries compared to a demand

of 290 batteries using the one-hour recharging strategy.

Although already today most major airports are constrained

in their operational area, it can be assumed that even the additional

space required for such higher numbers of battery containers

would not represent a show-stopper for the introduction of

E-Aviation. Supported by discussions with the energy industry and

various energy research institutes, further work at Bauhaus Luftfahrt

aims to determine the optimal recharging strategy for a synergetic

implementation of electric airliners at future airports.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 61


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Flightpath 2050:

Beiträge von Technologien

für die Flugzeugkabine

und den Betrieb am Boden

Flightpath 2050:

Contributions of cabin-related

and ground operation

technologies

Im Angesicht der ambitionierten „Flightpath 2050“-Ziele der Europäischen

Kommission rücken neben alternativen Antrieben oder einer

effizienteren Aerodynamik auch Verbesserungen der Flugzeugstruktur

und -kabine sowie Einsparungen durch verbesserte Bodenabfertigung

immer stärker in den Fokus der Wissenschaftler.

Um zu bewerten, welchen Einfluss verschiedene Verbesserungen in

den beiden letztgenannten Bereichen auf die Emission von Kohlendioxid

(CO 2

) haben können, hat das Bauhaus Luftfahrt mehrere

Sensitivitätsstudien mit einem Kurz- bis Mittelstreckenflugzeug

durchgeführt.

Die Passagiersitze machen mehr als 50 Prozent des Gesamtgewichts

einer Flugzeugkabine aus. Selbst durch die Umrüstung

auf moderne Leichtbausitze lassen sich lediglich CO 2

-Einsparungen

von etwa einem Prozent realisieren. Langfristig gesehen werden

solche marginalen Einsparungen aber von den stetig steigenden

Körpermaßen und -gewichten der Passagiere wieder mehr als

aufgezehrt. Im Jahr 2010 waren amerikanische Männer und Frauen

im Durchschnitt 18 beziehungsweise 19 Prozent schwerer als

im Jahr 1960. Diese Veränderung des menschlichen Körpers führt

demnach zu einem erhöhten Bedürfnis nach Freiraum, der von den

Fluggesellschaften mit breiteren Sitzen und mehr Beinfreiheit beantwortet

werden kann. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, würde

dies zu einer um 2,8 Prozent höheren CO 2

-Emission im Jahr 2050

führen.

Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten, geht der Trend

schon heute in Richtung größerer Rumpfquerschnitte, um Platz für

geräumigere Kabinen zu schaffen. Deren zusätzliches Volumen

kann nicht nur der Bein- und Ellbogenfreiheit der Passagiere zu

Gute kommen, sondern durch neuartige Kabinenkonzepte im Einklang

mit reduzierten Küchen- und Toilettenflächen auch dazu genutzt

werden, eine höhere Anzahl an Sitzplätzen einzubauen. Nur

so lässt sich der aerodynamisch und strukturell bedingte Nach- >

In view of the European Commission’s ambitious “Flightpath 2050”

emissions reduction targets, airframe-related contributions, such

as structural changes of the cabin and fuselage design, as well as

saving potentials in line with improved ground operation processes

are constantly gaining importance in research at Bauhaus Luftfahrt.

In order to estimate the impact improvements may have on

overall carbon dioxide (CO 2

) emissions, the researchers have carried

out several separate sensitivity studies for a short- to mediumhaul

aircraft.

Passenger seats account for over 50 per cent of the total cab

in outfitting weight. Even the installation of modern lightweight

seats provides CO 2

savings of just one per cent, a small advantage

that in the longer term could easily be outweighed by the constant

growth of the passengers’ average body height and weight. In

2010, an average American man was 18 per cent heavier and a

woman 19 per cent heavier compared to 1960. These changes in the

human body result in an increased demand for individual space,

which can be answered by airlines with wider seats and increased

legroom. If these trends continue, this would lead to 2.8 per cent

higher CO 2

emissions by the year 2050.

To keep up with this development, recent trends show increasing

cross-section sizes that allow more spacious cabins. The

additional volume however is rarely used to increase seat width or

legroom for passengers. Instead, new seating concepts aim at the

installation of additional seats, often in line with a reduced number

of lavatories and galleys or a reduced seat pitch. In this way, the

structural and aerodynamic penalties of larger fuselage diameters

of around 1.8 per cent can hence be turned into an advantage in

the CO 2

emission per passenger. In the analysis of Bauhaus Luftfahrt,

such a passenger packing density enhancement represents

the potential to reduce CO 2

emissions per passenger by up to six

per

>

cent.

62

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

CO 2

emissions reduction per passenger kilometre

on mission level, 500 nm off-design [%]

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

10 15 20 25 30

Dispatch towing

Electric taxiing

Taxi-out time

[minutes]

Zwei Alternativen für einen emissionsärmeren Rollvorgang von und zur Startbeziehungsweise

Landebahn: Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte die CO 2

-Einsparpotenziale

bei der Zuhilfenahme von Hochgeschwindigkeits-Flugzeugschleppern

und beim elektrischen Rollen mittels ins Fahrwerk integrierter Elektromotoren.

Abhängig von der Dauer des Rollvorgangs ließen sich mit beiden Strategien spürbare

CO 2

-Einsparungen realisieren.

Two alternatives for lower-emission aircraft taxiing to and from the runway:

Bauhaus Luftfahrt compared the CO 2

reduction potentials of procedures like dispatch

towing with high-speed tow trucks or electric taxiing using electric motors

integrated into the landing gear. Depending on the taxi time, both strategies could

lead to significant CO 2

reductions.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 63


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Cabin interior weight reduction

Future passenger weight

Fuselage diameter enlargement

Cabin concepts for higher density

Fuselage built of carbon-fibre

reinforced plastics

Cabin energy demand reduction

Total cabin and fuselage

On-block Auxiliary

Power Unit substitution

Turnaround time reduction

Electric taxi or dispatch towing

Air traffic management

efficiency improvements

CO 2

emissions reduction

per passenger kilometre [%]

Total operations

4

2

0

–2

–4

–6

–8

–0.96

2.80 1.80

–6.00 –4.00 –0.16 –6.52 –0.60 –0.001 –3.00 –2.60 –6.20

Airframe (cabin and fuselage)

Operations

Breites Spektrum an Verbesserungsmöglichkeiten: Die Analyse des Bauhaus

Luftfahrt konnte in und an der Flugzeugzelle (orange) und im operationellen Bereich

(blau) zahlreiche ungenutzte Potenziale zur Verringerung des CO 2

-Ausstoßes

aufzeigen.

Broad spectrum of possible improvements: The analysis carried out by Bauhaus

Luftfahrt highlighted numerous unutilised CO 2

reduction potentials in the range of

airframe (orange) and operations (blue).

64

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

teil der um bis zu 1,8 Prozent höheren CO 2

-Emissionen eines größeren

Rumpfes in der CO 2

-Bilanz pro Passagier in einen Vorteil umkehren.

Für eine solche Erhöhung der Passagierdichte ergab die

Analyse des Bauhaus Luftfahrt ein Potenzial zur Verringerung der

CO 2

-Emissionen um bis zu sechs Prozent.

Durch operationelle Verbesserungen ließen sich ebenfalls

Einsparungen erzielen. Schon auf dem Weg zwischen Start- oder

Landebahn und dem Gate können Verbesserungen realisiert werden,

wie die Wissenschaftler anhand eines Vergleichs von zwei unterschiedlichen

Ansätzen zeigen konnten: den Ein satz von schnellen

Schleppfahrzeugen, die das Flugzeug bis zum Erreichen der

Startbahn schleppen, und elektrisches Rollen mit im Fahrwerk installierten

Elektromotoren, die ein autarkes Vor- und Rückwärtsmanövrieren

des Flugzeugs ermöglichen. Damit könnten bei einer

Rollzeit von 15 Minuten, in die aber auch das Auf wärmen der Triebwerke

vor dem Start und der Abkühlprozess nach der Landung eingerechnet

werden, bis zu drei Prozent CO 2

eingespart werden.

Mit der Identifikation wichtiger Treiber und CO 2

-Einsparungspotenziale

stellt die Analyse des Bauhaus Luftfahrt eine wertvolle

Hilfe für die Entwicklung zukünftiger Technologie-Roadmaps zur

Erfüllung der „Flightpath 2050“-Ziele dar. Zudem konnte die Studie

aufzeigen, dass sich allein durch Verbesserungen in Flugzeugzelle

und -kabine sowie in der Bodenabfertigung insgesamt mehr als

zwölf Prozent der CO 2

-Emissionen einsparen ließen. Zur Erreichung

der ambitionierten Ziele sind jedoch noch weitaus größere Einsparungen

von Nöten.

In the analysis, operational aspects also yielded room for potential

improvements. Significant savings could even be achieved during

taxiing between runway and terminal, as the analysis on the basis

of two different approaches has proven: dispatch towing with a

high-speed tug until the aircraft reaches the runway and taxiing

with electric motors installed in the landing gear allowing the

aircraft an autarkic forward and backward manoeuvring on the

airfield. Both strategies highlighted a potential to reduce CO 2

emissions

by around three per cent assuming a 15-minute taxi time,

since the engines must be warmed up prior to departure and have

to cool down after landing.

With the identification of significant drivers and CO 2

reduction

potentials, Bauhaus Luftfahrt’s analysis aims to provide a valuable

aid for the development of technology roadmaps leading towards

the fulfilment of the “Flightpath 2050” requirements. Moreover,

the study highlighted that improvements to airframe and

operations could add up to CO 2

reductions of more than twelve per

cent. A fulfilment of the ambitious industry targets would however

require a much greater effort in CO 2

reduction.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 65


66

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Parametrische Entwurfsstudien

für Flugzeugkonzepte mit

„Propulsive Fuselage“

Parametric design studies for

“propulsive fuselage” aircraft

concepts

Das Auflösen der klassischen funktionalen Trennung zwischen

Flug zeugstruktur und -antrieb, beispielsweise durch die verteilte

Erzeugung von Schub entlang wichtiger Komponenten der Flugzeugzelle,

stellt einen Schwerpunkt der Forschung am Bauhaus

Luftfahrt dar. Als eines der vielversprechendsten Konzepte hierfür

wird die Installation eines umlaufenden Schuberzeugers am hinteren

Ende des Flugzeugrumpfes gesehen, wie er erstmals im Jahrbuch

2011 skizziert wurde. Ein solcher „Propulsive Fuselage“, der

die rumpfnahe Grenzschicht einsaugt und beschleunigt, könnte

den Widerstand des Flugzeugrumpfes signifikant senken. Im Jahr

2013 hat das Bauhaus Luftfahrt erstmals konkrete Entwurfsstudien

für diese neue Antriebskonfiguration durchgeführt.

Jeder umströmte Flugzeugkörper verursacht, bedingt durch

Reibungs- und Formeffekte, einen Impulsverlust im Strömungsnachlauf.

Dieser muss, ähnlich wie der restliche Schubbedarf eines

Flugzeuges, durch eine Übergeschwindigkeit im Antriebsstrahl

kompensiert werden. Je geringer diese von den Triebwerken erzeugte

Übergeschwindigkeit ist, desto besser gestaltet sich die

Energieeffizienz des Flugzeugs. Die konkreten Analysen des Bauhaus

Luftfahrt haben nun bestätigt, dass der Propulsive Fuselage

durch die Auffüllung der rumpfnahen Grenzschicht sehr effizient

dazu beitragen kann, diese Übergeschwindigkeit zu reduzieren.

Die technische Umsetzung dieser Idee unterliegt jedoch geometrischen

Einschränkungen, etwa durch die notwendige Bodenfreiheit

beim Abheben. Um diese zu umgehen und gleichzeitig die notwendige

Antriebsredundanz sicherzustellen, schlagen die Wissenschaftler

vor, den Propulsive Fuselage zunächst ausschließlich >

Breaking with the classical separation of airframe and power plant

system is one of the key research areas at Bauhaus Luftfahrt. Synergies

could, for example, be expected from the distribution of

thrust production along the main components of the airframe. One

of the most promising concepts is seen in the concept of a shrouded

propulsor encircling the aft fuselage that was first described in

the 2011 yearbook. A so-called “propulsive fuselage” is aimed at

significantly reducing fuselage drag by ingesting and accelerating

the fuselage boundary layer. In 2013, Bauhaus Luftfahrt conducted

first concrete parametric design studies of this novel propulsion

configuration.

Every aircraft body immersed in a flow field develops a momentum

deficit in the wake flow, mainly emanating from skin friction

and form effects. This deficit needs to be compensated by an

equivalent excess momentum generated by the propulsion system

via an excess velocity. Reducing this velocity would significantly

increase the energetic efficiency of the aircraft. Analyses by Bauhaus

Luftfahrt have confirmed that the principles of boundary layer

ingestion and wake filling could effectively contribute to such a

reduction of excess velocity. In practice, the said reduction is subject

to geometric limitations of the propulsive device such as

ground clearance during take-off rotation. To avoid such limitations

and moreover to ensure propulsion system redundancy, researchers

at Bauhaus Luftfahrt suggested using a fuselage fan

primarily designed to recover the occurring wake momentum deficit,

while all residual thrust required is delivered by conventional

podded power plants.

>

Schematische Darstellung des Prinzips der Grenzschichtauffüllung für ausgewählte

„Propulsive Fuselage“-Konfigurationen im Kontrast zur konventionellen

Triebwerksanordnung: Der Impulsverlust im Strömungsnachlauf des Rumpfes

muss wie auch der restliche Schubbedarf des Flugzeugs durch einen äquivalenten

Impulsüberschuss in Form einer Übergeschwindigkeit ΔV P

aus dem Antriebssystem

aufgewogen werden. Die Nutzung der Grenzschichtauffüllung stellt eine wirksame

Möglichkeit zur Reduktion von ΔV P

und somit zur Verbesserung der Energieeffizienz

des Flugzeugs dar („Propulsive Fuselage“-Fälle B bis D).

Schematic visualisation of the wake-filling principle in selected propulsive

fuselage configurations in contrast to conventional propulsion integration:

The momentum deficit in the wake flow of the fuselage as well as the residual aircraft

thrust requirement needs to be balanced by an equivalent excess momentum

generated by the propulsion system via an excess velocity ΔV p

. The utilisation of

wake filling is an effective means of reducing ΔV P

and thus to improving the overall

energetic efficiency of the aircraft (propulsive fuselage cases B through D).


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 67

V ∞

V w

(X, Z)

V ∞

+ ΔV p

Z

X

Classic podded power plant arrangement without fuselage wake filling

Geometrically unconstrained propulsive fuselage device applied to overall

aircraft thrust requirements including ideal fuselage wake filling

Propulsive fuselage device applied to overall aircraft thrust requirements

including ideal fuselage wake filling under geometric constraints

Propulsive fuselage device applied to ideal fuselage wake filling only,

required residual aircraft thrust provided by podded power plants

Fuselage boundary layer

Propulsion system jet flow field

Jet momentum equivalent for ideal fuselage wake compensation

Jet momentum equivalent for aircraft residual thrust requirement


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Power saving coefficient (PSC) [%]

50

40

30

20

10

0

–10

–20

–30

–40

0 10 20 30 40 50

Ingested drag ratio (ß = D ing

/F N

) [%]

Schaubild des Leistungseinsparpotenzials (PSC) in Abhängigkeit vom Anteil

des relativen eingesaugten Flugzeugwiderstands (ß) und von der relativen

Ver änderung des Antriebswirkungsgrades (Δη rel

): Für die untersuchte „Propulsive

Fuselage“-Ausführung hat das Bauhaus Luftfahrt identifiziert, dass durch die

Grenzschichteinsaugung der Gesamtwiderstand des Flugzeugs um 20 bis 25 Prozent

abnimmt. Damit verbunden wurde abgeschätzt, dass die einhergehenden Verluste

im Antriebssystem eine etwa 15-prozentige Verringerung des Wirkungsgrads

verursachen würden. Beide Effekte zusammengenommen ergeben in der Analyse

für den Propulsive Fuselage ein Leistungseinsparpotenzial von bis zu zehn Prozent

gegenüber dem konventionellen Referenzflugzeug.

Chart of power-saving potentials (PSC) as function of ingested drag ratio (ß)

and relative change in propulsion system efficiency (Δη rel

): For the investigated

propulsive fuselage design, Bauhaus Luftfahrt identified a reduction of overall

aircraft drag between 20 and 25 per cent due to boundary layer ingestion. The corresponding

losses in the propulsion system were estimated to be of the order of 15

per cent efficiency reduction. Taking both effects into account, the analysis yielded

power-saving potentials (PSC) of up to ten per cent for the propulsive fuselage compared

to a conventional reference aircraft.

68 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

zum Zweck der Grenzschichtauffüllung zu nutzen. Der restliche

Schubbedarf würde dann durch konventionell installierte Triebwerke

bedient.

Um bei dieser und anderen Auslegungen des Propulsive Fuselage

zu analysieren, welche Effizienzverbesserungen die Grenzschichtauffüllung

mit sich bringt, nutzt das Bauhaus Luftfahrt

den sogenannten „Leistungseinsparkoeffizienten“ (englisch: Power

Saving Coefficient, kurz: PSC), der vom Triebwerkshersteller General

Electric entwickelt wurde. Damit lässt sich die Verringerung der

erforderlichen Antriebsleistung direkt mit einer konventionellen

Antriebsanordnung vergleichen. Erste Untersuchungen mit dieser

Metrik haben den Forschern verdeutlicht, dass mit einem steigenden

Anteil des eingesaugten Rumpfwiderstands auch das Einsparpotenzial

größer wird. Zudem ermöglicht diese Metrik, die durch

die Einsaugung der Rumpfgrenzschicht zusätzlich im Antriebssystem

auftretenden Verluste mit zu berücksichtigen.

Trotz dieser Verluste konnte das Bauhaus Luftfahrt für das

„Propulsive Fuselage“-Konzept ein Leistungseinsparpotential von

bis zu zehn Prozent gegenüber einer konventionellen Triebwerkinstallation

identifizieren. Unter Berücksichtigung flugzeugseitiger

Kaskadeneffekte konnte dieses Potenzial in Form einer 11,7-prozentigen

Verbesserung der energiespezifischen Reichweite (ESAR)

bestätigt werden. Als Referenz hierfür diente ein technologisch

vergleichbares Referenzflugzeug mit konventionell installierten

Getriebefans und einem Nebenstromverhältnis von 18.

Zukünftige Arbeiten des Bauhaus Luftfahrt werden sich auf

eine präzisere Bestimmung der zuvor identifizierten aerodynamischen

Verluste innerhalb der Antriebssystemgrenze konzentrieren.

Ferner werden die Wissenschaftler geeignete Lösungen für die

Integration des „Propulsive Fuselage“-Antriebsstrangs untersuchen,

beispielsweise auf Basis neuartiger, hybridelektrischer Optionen

der Energieübertragung.

To conveniently measure the efficiency improvement due to wake

filling for any propulsive fuselage design, Bauhaus Luftfahrt uses

the so-called “Power-saving coefficient” (PSC) proposed by General

Electric Aircraft Engines. With this metric, the reduction of

the instantaneous power required to operate the aircraft can be

directly compared to conventional propulsion architectures. First

analyses have highlighted that by increasing the relative share of

ingested aircraft drag, the saving potentials improve accordingly.

Moreover, this metric allows researchers to also account for additional

losses in the propulsion stream tube and the associated

reduction of propulsion system efficiency.

Despite the internally incurring losses, Bauhaus Luftfahrt’s

first parametric sizing studies of the propulsive fuselage power

plant system highlighted up to ten per cent power-saving potential

in comparison to conventional podded power plants. The powersaving

and efficiency potentials were found echoed in terms of

vehicular efficiency. Capturing the aircraft-level cascade effects of

reduced propulsive power demand, the aircraft’s Energy Specific

Air Range (ESAR) improved by 11.7 per cent relative to a technologically

similar reference aircraft equipped with under-wing podded

geared turbofans featuring a bypass ratio of 18.

Future work at Bauhaus Luftfahrt will focus on the improved

prediction of aerodynamic losses in the propulsion system stream

tube control volume. Also, suitable solutions for the design integration

of the propulsive fuselage power supply will be explored.

This includes novel ways of power transmission to the large fuselage

propulsor such as hybrid-electric power train options.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 69


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Langfristige Perspektiven

jenseits von Biokraftstoffen

erster und zweiter Generation

Long-term perspectives

beyond first- and secondgeneration

biofuels

Die Verwendung „klassischer“ Energiepflanzen wie Raps oder Mais

zur Kraftstoffproduktion birgt das Risiko einer Konkurrenz zwischen

der energetischen Nutzung und der Produktion von Nahrungs- und

Futtermitteln. Ein weiteres Problem von Biokraftstoffen besteht in

der geringen Effizienz entlang ihrer Produktionsketten. Hierfür ist

zum einen die photosynthetische Umwandlung von Sonnenenergie

in Biomasse mit einer Effizienz von höchstens zwei Prozent und

zum anderen die aufwändige und verlustreiche Konversion der Biomasse

in flüssige Kraftstoffe verantwortlich. Aufgrund dieser Limitierungen

sind Kraftstoffe auf Basis klassischer Biomasseformen

vermutlich nicht geeignet, um die ökologischen Herausforderungen

und Versorgungsprobleme der Luftfahrt langfristig und nachhaltig

zu lösen.

Eine mögliche Lösung besteht daher in der Entwicklung von

Pro duktionswegen, die über die Nutzung herkömmlicher Biomassetypen

hinausgehen oder gänzlich unabhängig von biogenen Rohstoffen

sind. Daher hat das Bauhaus Luftfahrt Optionen wie Mikroalgen

als unkonventionelle Biomassequelle (Seite 34) oder die solarthermisch

getriebene Kraftstoffproduktion (Seite 36) betrachtet.

Weitere interessante Ansätze basieren auf der Nutzung elektrischer

Energie. Hierbei werden, analog zum natürlichen Prozess der Photosynthese,

die anorganischen Verbrennungsprodukte Kohlendioxid

(CO 2

) und Wasser (H 2

O) unter Bildung reduzierter Kohlenstoffverbindungen

„energetisiert“, allerdings durch Zufuhr elektrischer Energie

und ohne Bildung von Biomasse als Energiezwischenspeicher.

Die elektrisch getriebene Reduktion von CO 2

kann auf verschiedene

Arten erfolgen: Auf technischem Wege wird die Elektrizität

direkt zur Elektrolyse von Wasser genutzt. Der gebildete Wasserstoff

(H 2

) wird anschließend mit CO 2

in einer sogenannten „inversen

Wassergas-Shift-Reaktion“ unter Bildung von Kohlenmonoxid (CO)

umgesetzt. Das resultierende Synthesegas, ein Gemisch aus H 2

und

CO, kann in einem Fischer-Tropsch-Prozess zu Kohlenwasserstoffverbindungen

reagieren, die mit etablierten Verfahren auch zu Kerosin

weiterverarbeitet werden können. Obwohl diese Prozesskette noch

nicht kommerziell eingesetzt wird, sind alle Teilschritte für eine mittelfristige

industrielle Implementierung bereits ausreichend entwickelt.

>

Utilisation of “classic” energy plants like rapeseed or maize for fuel

production involves the risk of negative competition between the

energetic use on the one hand and the production of food and fodder

on the other. Another problem associated with biofuels lies in

the low overall efficiency of their production chains. This problem

is primarily caused by the photosynthetic conversion of solar energy

to biomass with its generally low efficiency of two per cent at

most and secondarily by the subsequent complex and loss-making

procedure of converting the biomass into fuels. Due to these limitations,

fuels based on “conventional” biomass are probably not

suit ed for sustainably meeting the long­term challenges of commercial

aviation, namely securing fuel supply and reducing the

ecological footprint.

The development of production pathways that go beyond utilising

conventional biomass or are even independent of biogenic

feedstock represents a conceivable solution. Therefore, Bauhaus

Luft fahrt analyses options like microalgae as an unconventional

bio mass source (page 34) or solar-thermally driven fuel production

(page 36). Other interesting approaches make use of electric energy

to energise the inorganic combustion products carbon dioxide (CO 2

)

and water (H 2

O), converting them, analogous to the natural process

of photosynthesis, into reduced carbon compounds. In contrast to

photosynthesis, electricity is used instead of solar energy and the

formation of biomass as temporary storage is avoided.

There are different ways for the electricity-driven reduc tion of

CO 2

. In a technical approach electricity is used to electrolyse water.

A part of the formed hydrogen (H 2

) is subsequently reacted with CO 2

in a so-called water-gas shift reaction, yielding reactive car bon monoxide

(CO). The resulting mixture of H 2

and CO, often re ferred to as

synthesis gas, is then converted into a complex blend of hydrocarbon

compounds in a Fischer-Tropsch process. These hydrocarbon

compounds can be processed into kerosene and other fuels through

conventional refining techniques. Despite the fact that this process

chain has not been realised at commercial scale yet, the technical

maturity of all individual process steps is suf ficiently far advanced

for a mid-term industrial implementation.

>

70

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Renewable electricity

(electrons)

Electrolysis of water H 2

O + Energy

H 2

+

Reverse water-gas shift

CO 2

+

H 2

CO

+

H 2

O

Fischer-Tropsch synthesis

CO

+

2H 2

„CH 2


+

H 2

O

Renewable jet fuel

Die vom Bauhaus Luftfahrt betrachtete technische Nutzung von Elektrizität

zur Kraftstoffproduktion sieht drei verschiedene Reaktionsschritte vor:

Zuerst wird Wasserstoff (H 2

) durch die Elektrolyse von Wasser (H 2

O) gewonnen.

Dieser wird anschließend in einer sogenannten „inversen Wassergas-Shift-Reaktion“

genutzt, in der Kohlenmonoxid (CO) entsteht. Ein Gemisch aus H 2

und CO,

auch Synthesegas genannt, lässt sich anschließend in einem Fischer-Tropsch-

Prozess zu Kohlenwasserstoffverbindungen umsetzen, die hier allgemein als

„CH 2

“ ausgedrückt werden. Daraus kann durch konventionelle Raffination auch

Kerosin gewonnen werden.

Bauhaus Luftfahrt considered a technical utilisation of electricity for fuel production

which would consist of three reaction steps: Electrolysis of water (H 2

O)

represents the first step. The formed hydrogen (H 2

) is then reacted with carbon

dioxide (CO 2

) in a so-called water-gas shift reaction, resulting in carbon monoxide

(CO). A mixture of H 2

and CO, often referred to as synthesis gas, is subsequently

converted to a blend of hydrocarbon compounds, generally expressed as “CH 2


here, in a Fischer-Tropsch process. The yielded hydrocarbon compounds can be

processed into jet fuel and other fuels through conventional refining techniques.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 71


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Technologisch weit weniger entwickelt ist ein neuartiger Ansatz

zur mikrobiellen Produktion sogenannter „Electrofuels“. Dabei wird

die Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen ausgenutzt, mit Hil fe

elektrischer Energie aus CO 2

reduzierte Kohlenstoffverbindun gen

aufzubauen und abzugeben. Die Reaktion kann auf direktem oder

indirektem Wege ablaufen. Auf letzterem erfolgt die Elektronenaufnahme

nicht durch die Mikroorganismen, sondern indirekt über

eine elektrolytische Reduktion anorganischer Verbindungen an

der Elektrode, hier unter Bildung von H 2

. Bestimmte Mikroben können

diese Reduktionsprodukte metabolisieren und mit Hilfe der so

ge wonnenen Energie aus CO 2

und H 2

O Kohlenwasserstoffverbindungen

synthetisieren. Diese Verbindungen sind nach dem derzeitigen

Stand der Forschung noch nicht unmittelbar als Kraftstoff einsetzbar,

zukünftige Entwicklungen könnten jedoch eine elektrisch

getriebene, direkte mikrobielle Kerosinproduktion ermöglichen.

Mit seiner Methodenkompetenz in der Ökobilanzierung und

Zukunftstechnologieanalyse wird das Bauhaus Luftfahrt die Po tenziale

und Risiken dieser und anderer Konzepte zukünftig de taillierter

untersuchen. Die Prozesse werden dabei auf Basis der ihnen zugrundeliegenden

Technologien und physikalisch-chemischen Prinzipien

analysiert und in einem Multi-Kriterien-Ansatz bewertet.

Far less technologically mature is a novel approach for microbial

production of so-called “electrofuels”. This approach takes ad vantage

of the capability of certain microbes to utilise electric energy

for the formation of reduced carbon compounds from CO 2

. The reduced

molecules are subsequently excreted into the surrounding

medium. The reaction can proceed via a direct and an indir ect pathway.

In case of the latter, the electron uptake occurs not through

the microbes, but via electrolytic reduction of inorganic compounds

at the electrode, forming hydrogen in the illustrated example. Certain

microorganisms are capable of metabolising such reduction

products and channel the thus gained energy into the synthesis of

hydrocarbon compounds from CO 2

and H 2

O. Even though, at the

current stage of research, these reduced compounds are not yet

suitable as blendstock for fuels, future devel opments might enable

an electrically driven direct microbial jet fuel production.

At Bauhaus Luftfahrt, the potential of these and other technologies

is evaluated in detail with a special focus on life-cycle and

future technology analysis. The latter is based on the underlying

technologies, physical and chemical principles as well as a comprehensive

set of criteria.

72

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Direct pathway

Indirect pathway

Renewable electricity

(electrons)

CO 2

H 2

O

H 2

H +

H 2

O

Renewable electricity

(electrons)

CO 2

Renewable jet fuel

Renewable jet fuel

Der mikrobielle Ansatz zur elektrisch getriebenen Kraftstoffproduktion, der

vom Bauhaus Luftfahrt ebenfalls betrachtet wird, eröffnet zwei mögliche

Verfahrenswege: Die elektrische Energie kann zum einen direkt durch die Mikroorganismen

zur Kraftstoffsynthese mittels Reduktion von CO 2

genutzt werden.

Alternativ kann die Elektrizität den Prozess auch indirekt durch eine vorgelagerte

elektrolytische Reduktion antreiben. Die Mikroorganismen metabolisieren dann

die so gebildeten reduzierten Verbindungen, hier: Wasserstoff. Die so gewonnene

Energie wird dann zur Kraftstoffsynthese genutzt.

The electricity-driven microbial fuel production also considered by Bauhaus

Luftfahrt offers two different pathways: In the first pathway, the electric

energy can be utilised directly by the microbes for fuel production via reduction

of CO 2

. Alternatively, the process can be driven indirectly by electricity via an

upstream electrolytic reaction. The microorganisms metabolise the thus formed

reduced species, here hydrogen. The resulting energy is used for fuel synthesis.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 73


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

QuaNaBioL: Untersuchung der

Nach haltig keit entlang der

Lieferkette von Biokerosin

QuaNaBioL: Assessment of

sustainability along the

aviation biofuel supply chain

Eine der größten Herausforderungen bei der Suche nach zukünfti

gen Alternativen zu fossilen Luftfahrtkraftstoffen liegt in der

Si cher stellung einer ökologisch, ökonomisch sowie sozial nachhaltigen

Produktion. Das Bauhaus Luftfahrt hat sich dieser Herausforderung

im Rahmen eines breiten Engagements in diversen

Gremien sowie anhand des vom Bund geförderten Forschungsprojektes

„Qualität und Nachhaltigkeit bei der Bereitstellung von Biokraftstoff

für die Luftfahrt“ (QuaNaBioL) angenommen.

Im Gegensatz zum Biokraftstoff für den Straßenverkehr wird

Biokerosin bisher nur in kleinen Mengen produziert. Dabei hätten

vor allem die Fluglinien durchaus Interesse daran, es einzusetzen.

Zum einen, um Ihren Beitrag zur Senkung der Kohlendioxid-Emissionen

zu leisten, zum anderen, um ihr Image zu verbessern und um

sich außerdem im Wettbewerb durch ein entsprechendes Angebot

zu differenzieren. Das Bauhaus Luftfahrt hat im Jahr 2013 untersucht,

wo Hindernisse für die Produktion und Nutzung von Biokerosin

liegen und wie diese beseitigt werden könnten. Im Fokus steht

dabei die Nachhaltigkeit der Produktionsweise. Sie muss wirtschaftlich

sein und darf keine negativen ökologischen und sozialen

Auswirkungen mit sich bringen. Im Gegensatz zu chemisch nachweisbaren

qualitativen Eigenschaften lässt sich die Einhaltung der

Nachhaltigkeitskriterien im Endprodukt jedoch nicht prüfen. Da es

noch keine etablierten Marktstrukturen oder -mechanismen gibt,

wird derzeit ein Zertifizierungssystem herangezogen, das die Einhaltung

der Nachhaltigkeitskriterien über eine mehrstufige globale

Lieferkette hinweg überwacht. Den derzeit vorhandenen Zertifizierern

gelingt dies bisher allerdings nur unzureichend, da sie die

Vielzahl der beteiligten Erzeuger und Verarbeiter von Biomasse nicht

direkt kontrollieren können und meist auf deren Selbstauskünfte

an gewiesen sind.

>

Safeguarding ecologically, economically and socially sustainable

production is a major challenge in the search for sustainable future

alternatives to fossil jet fuel. Bauhaus Luftfahrt is actively tackling

this challenge in numerous notable advisory boards as well as the

research project ”Securing Quality and Sustainability of Aviation

Biofuels” (QuaNaBioL), which is funded by the German federal government.

In contrast to the road sector, biofuels for aviation have so far

been produced only in small quantities. Nonetheless, many airlines

actively seek to use biofuels in order to reduce their carbon emissions,

to enhance their public image and to differentiate themselves

from their competitors in the highly competitive aviation

market. Bauhaus Luftfahrt has examined the barriers for the production

and use of aviation biofuels as well as possible solutions,

with special emphasis on sustainable production. The key challenge

is seen in the enhancement of biofuel production which is

economically feasible without creating negative ecological and social

impacts. However, the compliance with sustainability criteria

is physically not observable as it is the case with fuel quality issues

which are based on chemically verifiable contents. As there are

neither market structures nor established market mechanisms, certification

schemes are the only measures to audit adherence to

sustainability criteria along the global and multi­tiered biofuel supply

chain. The current system of certification schemes is considered

in sufficient as there are many processes in the feedstock production

or conversion which are not directly observable or in which the

auditors are mostly dependent on a disclosure of corporate information

of the respective supply chain actor.

>

74

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

(1) Supply chain management for risk avoidance

» Supplier evaluation

» Environmental and social standards as minimum requirements

Suppliers

(multi-tier)

Focal companies

(such as airlines)

» Supplier development and support

» Increased communication and proactive engagement

(2) Supply chain management for sustainable products

Zwei Teilbereiche für ein nachhaltiges Lieferkettenmanagement, die vom

Bauhaus Luftfahrt untersucht wurden: Die Vermeidung von Risiken ist eine

bereits etablierte Managementmethode in umweltschutzrelevanten Bereichen

(orangefarbene Pfeile). Hier gibt ein Unternehmen Mindestkriterien zur Einhaltung

gewisser Nachhaltigkeitsstandards an seine Lieferanten weiter, um sich

gegen das Risiko der Nichteinhaltung dieser Kriterien vertraglich und juristisch

abzusichern. Ein proaktives Management (blaue Pfeile) geht dagegen einen

Schritt weiter, indem es mit seinen Lieferanten in noch engerem Kontakt steht

und bei der Umsetzung der Nachhaltigkeitsstandards mit ihnen kooperiert. In der

Analyse des Bauhaus Luftfahrt gestaltete sich die proaktive Form des Lieferkettenmanagements

besonders effektiv und sinnvoll, wenn tragfähige Strukturen

und Verfahrensabläufe noch nicht etabliert sind.

Two subdomains for sustainable supply chain management analysed at Bauhaus

Luftfahrt: Risk avoidance (orange arrows) is a well-established method in

the management of environmental concerns. A company passes though minimum

requirements for environmental and social standards to its suppliers in order to

avoid risks of non-compliance and to protect itself against legal action. In contrast,

a proactive supply chain management (blue arrows) takes risk avoidance one step

further by getting in close contact with suppliers to support them in implementing

sustainability standards. In the analyses of Bauhaus Luftfahrt, the proactive form of

sustainable supply chain management proved especially effective and valuable if

viable structures and procedures have not yet been established.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 75


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Price negotiation Price negotiation Price negotiation

Conventional

Market-based

Feedstock

production

Processing

and logistics

Biofuel

production

End user

Initial phase

Patriarchal

cooperation

(mid-term)

Feedstock

production

Negotiation + Command and control

End user Processing

Biofuel

and logistics

End user production

End user

Price negotiation, Command and control

Command and control

Price negotiation

Global coordination:

Determination of supply

chain structure

Bilateral coordination:

Directives / instructions

for supply chain actors

Co-ordination

Advanced phase

Cooperative

market

(long-term)

Feedstock

production

Processing

and logistics

Biofuel

production

End user

Price negotiation

Vom Bauhaus Luftfahrt untersuchte Möglichkeiten zur Einflussnahme eines

Endnutzers (beispielsweise einer Fluggesellschaft) auf die Sicherstellung

von Nachhaltigkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette alternativer

Kraftstoffe: Konventionell entscheidet der Marktpreis über Menge und Qualität

des Zwischen- oder Endproduktes entlang von Lieferketten. Zur Etablierung tragfähiger

Strukturen und Verfahrensabläufe in einer Anfangsphase kann der Endnutzer

mit allen Lieferanten in engen Kontakt treten und sie bei der Umsetzung von

Nachhaltigkeitsstandards unterstützen und kontrollieren. In einer fortgeschrittenen

Phase kann sich der Endnutzer aus dieser sehr aktiven Rolle wieder zurückziehen,

sollte jedoch weiterhin über Verhandlungen mit allen Lieferanten entlang der

Wertschöpfungskette in engem Kontakt bleiben und so einen kooperativen Markt

aufrechterhalten.

Bauhaus Luftfahrt analysed to what extent end users (such as airlines) can

influence sustainability performance along the entire supply chain of alternative

fuels: In a conventional approach, market prices and price negotiations are

used to define quantity and quality of intermediate and final products. In order to

establish reliable structures and procedures in an initial phase, end users can get in

close contact with all suppliers of the supply chain to support and supervise them

in the implementation of sustainability standards. In an advanced phase, end users

can withdraw gradually from these intense support and control activities and confine

themselves to a coordinating role of the upstream process steps for the purpose

of maintaining a cooperative biofuel market.

76

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Da die Fluglinien sich somit nicht darauf verlassen können, dass die

derzeit verfügbaren Biokraftstoffe tatsächlich nachhaltig pro duziert

wurden, bleiben sie im Zweifel bei konventionellen Kraft stoffen zumal

eine falsche Deklarierung die Gefahr eines erheblichen Imageschadens

für sie birgt. Das Bauhaus Luftfahrt untersuchte daher

Möglichkeiten, wie die Airlines selbst Verantwortung für die Lieferkette

übernehmen können. Zum einen könnten sie die bestehenden

Zertifizierungssysteme weiterentwickeln, bei spielsweise durch die

Schaffung einheitlicher Standards und Auswahlverfahren. Pa r allel

dazu müssten die Zwischenlieferanten durch Schulungsmaßnahmen,

Best Practices und Pilot-Projekte in ih rer Entwicklung unterstützt

werden. Sobald tragfähige Strukturen und Verfahrens abläufe

entstanden sind, könnten die Fluglinien sich dann wieder schrittweise

zurückziehen und sich auf eine koordinie rende Rolle beschränken.

Auch der Einfluss der Politik wurde vom Bauhaus Luftfahrt untersucht.

Sie könnte die Verbesserung der Prozesse unterstützen,

indem sie einheitliche Anreiz- und Kontrollmechanismen für die

nachhaltige Produktion definiert und in bi- beziehungsweise multilaterale

Handelsabkommen integriert. Eine Stabilisierung der Rahmenbedingungen

für den Import von Biomasse würde zur Ausweitung

der Produktion beitragen. Somit könnte eine privatwirtschaftliche

Initiative mit staatlicher Flankierung die Entwicklung eines

ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltigen Biokerosinmarktes

effektiv vorantreiben. In einem nächsten Schritt soll dieses Konzept

am Beispiel weniger Länder detailliert untersucht werden.

Hence, airlines eager to make use of biofuels currently cannot rely

on the fact that available biofuels have been produced in a sustainable

way. As a consequence, they might continue using conventional

fuels in order to avoid incorrect certification, which could

cause severe damage to an airline’s public image. Thus, Bauhaus

Luftfahrt has analysed different approaches in which airlines could

take responsibility for the entire supply chain. On the one hand,

they could contribute to further developing certification schemes ,

especially by implementing common standards and selection criteria.

On the other hand, they could assist supply chain actors by

offering support and training measures, establishing best prac tices

and conducting pilot projects. As soon as stable structu res and

procedures are established and working well, airlines could withdraw

gradually from these upstream process steps and confine

themselves to a coordinating role.

Influences by government policy have also been part of Bauhaus

Luftfahrt’s analysis. Policy-makers could support the process

by defining common incentive and control mechanisms for sustainable

production and by ensuring that these are aligned with bilateral

or multilateral trade agreements. A stable environment for the

import of biofuels would play an important role for the expansion

of production. In sum, a private initiative supported by appropriate

government policy can effectively spur the development of an economically,

ecologically and socially sustainable biofuel market. As

a next step, Bauhaus Luftfahrt aims to focus analyses of such concepts

on a small sample of countries.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 77


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Fliegende Kommunikationsnetzwerke:

Analyse der Netzabdeckung

und zukünftiger

Kapazitätsanforderungen

Airborne communication

networks: Analysis of

network coverage and

future capacity demands

Der wachsende Luftverkehr und neuartige Datendienste ziehen einen

stetig steigenden Bedarf an aeronautischer Telekommunikationsbandbreite

nach sich. Bereits in seinem Jahrbuch 2012 hat das

Bauhaus Luftfahrt diese wesentlichen Treiber identifiziert, evaluiert

und in diesem Zusammenhang ein neuartiges Netzwerkkonzept vorgestellt.

Darin bauen Flugzeuge ein lasergestütztes Basisnetz hoher

Bandbreite nach einem Ad -hoc-Prinzip auf, um Flugpassagieren

den Zugang zum Breitband-Internet bereitzustellen. Um die

Ausfallsicherheit aufgrund von atmosphärischen Einflüssen wie

Wol ken und starken Turbulenzen zu verbessern und die Dienstzugänglichkeit

zu maximieren, würde das Basisnetz lokal durch komple

mentäre Funksysteme erweitert.

Im Jahr 2013 hat das Bauhaus Luftfahrt in Zusammenarbeit

mit dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme an der Technischen Universität

München erstmals ein solches Kommunikationsnetzwerk von

Linienmaschinen am Computer simulieren können, um die Machbarkeit

zu verifizieren und zukünftige Potenziale abzuleiten. Die

Si mu lation bildete den Nordatlantischen Flugkorridor ab, wobei

reale Flug routen und Flugleistungsdaten berücksichtigt worden

sind. Die maximale Übertragungsreichweite der in den Flugzeugen

verbauten Telekommunikationssysteme wurde anhand verschiedener

Betrachtungen fest gelegt, wobei sowohl geometrische Begrenzungen

durch die Erdkrümmung und Bewölkung als auch fundamentale

Abschätzungen zum Potenzial der Daten-Übertragung mit

Laserlicht berücksichtigt wurden.

Die Simulation zeigte, dass sich über dem Nordatlantik schon

heute eine ausreichende Anzahl an Flugzeugen in der Luft befindet,

um mit den angenommenen Übertragungsreichweiten eine kontinuierlich

hohe Netzabdeckung von über 97 Prozent zu gewährleisten.

Darüber hinaus konnte das Bauhaus Luftfahrt aus der Simulation

Sta tistiken generieren, die zeigen, dass der durchschnittliche

Abstand zwischen den Flugzeugen die verfügbare Laser-Reichweite

deut lich unterschreitet.

Um zu ermitteln, welche Bandbreiten mit dieser Technik im

Jahr 2035 nötig wären, haben die Wissenschaftler kontinuierlich

stei gende Passagiervolumina in ihre Simulation einbezogen. Damit

gehen ein Anstieg der Flugzeugdichte und eine wachsende

The demand for aeronautical telecommunication capacity is rising

due to increasing air traffic and novel data services. In its 2012

yearbook Bauhaus Luftfahrt reported about the identification and

evaluation of these main drivers and presented a novel network

concept. In this concept aircraft are connected in an ad hoc fashion

via a high­capacity photonic backbone link in order to pro vide

broadband Internet access to passengers. Furthermore, a hy brid

concept is pursued in which complementary radio-frequency technology

is utilised in order to achieve robustness under atmospheric

influences such as clouds and turbulences, and to maximise accessibility.

In 2013, Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the Institute

of Aircraft Design at Technische Universität München for the first

time simulated such a communication network of commercial aircraft

for feasibility testing of the concept and to quantify future

bandwidth potentials. The simulation was confined to the North

Atlantic corridor, based on a routing scheme along North Atlantic

Tracks and using real flight schedule databases and aircraft performance

data. The maximum communication distance of the simula t-

ed telecommunication systems considered limitations originating

from line-of-sight transmission, including the geometric range

limit due to earth curvature and cloud density, and by fundamental

assessments of laser­based free­space transmission system performance.

It was found that already the present number of aircraft in

the North Atlantic Corridor has reached a level that enables network

coverage of over 97 per cent. Furthermore, Bauhaus Luftfahrt

obtained simulation results that show that the average aircraft-toaircraft

distance in the communication network clearly lies within

the available range of laser-based communication.

The evaluation of bandwidth demand of such a network in a

2035 scenario included growing passenger numbers, increasing

aircraft densities and expanding use of in-flight Internet services.

In addition, bandwidth demand per user is expected to rise due to

services and content that require larger data volumes, such as

high-resolution video streaming. Based on these assumptions, Bauhaus

Luftfahrt derived individual transmission capacities on > >

78

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Access point to

terrestrial Internet

Aircraft density

Communication

connection

Data traffic

Aircraft density

25

20

15

10

To watch the simulation as

an animated sequence on

your smartphone, please

scan the QR code below.

5

Simulation eines fliegenden Datennetzwerks über dem nordatlantischen

Korridor: Die Flugzeugdichte ist in der unteren Grafik dargestellt. Die obere Grafik

verdeutlicht das voraussichtlich im Jahr 2035 entstehende Datenaufkommen durch

die Leuchtintensität der einzelnen Kommunikationsverbindungen, während Zugangspunkte

zum terrestrischen Internet entlang der Küsten und Inseln als rote

Punkte dargestellt werden.

Simulation of an airborne data-transport network over the North Atlantic Corridor:

Aircraft density is represented in the bottom image. In the top image, the

generated traffic loads for the year 2035 are indicated by the illumination intensity

of individual communication links. The red dots represent access points to ground

Internet along continental coasts and islands.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 79


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Nutzung des Internets an Bord einher. Zudem steigt der Kapazitätsbedarf

pro Nutzer durch eine stärkere Verbreitung datenintensiver

Dienste wie beispielsweise hochauflösendes Video-Streaming. Aus

diesen Rahmenbedingungen konnte das Bauhaus Luftfahrt eine

zukünftige Anforderung an die Datenübertragungskapazitäten im

Basisnetz von Hunderten von Gigabits pro Sekunde (Gbits / s) ableiten.

Theoretische Betrachtungen unter realistischen Annahmen

legen nahe, dass die Entfernungen, wie sie im simulierten fliegenden

Netzwerk auftreten, diesen Anforderungen nicht im Wege

stehen würden. Über kürzere Entfernungen werden entsprechende

Bitraten bereits heute mit Laserkommunikationssystemen übertroffen.

Die zukünftige Forschung am Bauhaus Luftfahrt wird unter

anderem die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf das beschriebene

Ad-hoc-Netzwerk stärker untersuchen. Zudem müssen Faktoren

wie das Wetter kritisch betrachtet werden, um Einflüsse auf

die technologische Umsetzung und auf die Notwendigkeit von

Redundanzen im Konzept zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck

und zur Auslastungsoptimierung werden die Wissenschaftler auch

das Daten-Routing im fliegenden Netzwerk detaillierter betrachten,

um ein besseres Verständnis für das realistische Potenzial dieses

Ansatzes zu erhalten.

the order of hundreds of Gigabits per second (Gbits / s) for such a

network in the photonic backbone. Fundamental analysis shows

that the observed aircraft­to­aircraft spacings do not inhibit achieving

such capacities using laser-based data transmission.

Future research at Bauhaus Luftfahrt will evaluate the transferability

of these results to the dynamic, ad hoc networking environment.

The impact of weather must be critically assessed in order

to derive special technology requirements for implementation and

to develop suitable mitigation strategies, such as built-in redundancies

and safety margins. To this end, and in order to improve network

load distribution, the ad hoc routing algorithm can be optimised

in order to generate a profound understanding of the technological

potential of the concept.

80

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


2

Innovative Lösungsansätze

Innovative solutions

Bitrate [Gbps]

250

Observed occurrence

(Communication demand)

1,001 – 10,000

200

101 – 1,000

11 – 100

150

1 – 10

100

50

Laser link, wavelength 1.67

Radio frequency, 30 GHz

Radio frequency, 5 GHz

m

0

0 200

400 600

Distance [km]

Verbindungsstatistik, die aus der vom Bauhaus

Luftfahrt durchgeführten Simulation berechnet

wurde: Die farblich abgestuften Kästen verdeutlichen

die Häufigkeit, mit der bestimmte Übertragungsanforderungen

über bestimmte Entfernungen

auftreten. Die Kurven zeigen die mit drei verschiedenen

Technologien erreichbare Datenübertragungska

pazität in Abhängigkeit von der Entfernung. Die

Über lagerung beider Darstellungen zeigt, dass die

zukünftige Anforderung für 2035 mit den Möglichkeiten

einer Infrarot-Laserverbindung erfüllt werden

kann. Durch Verfahren zur Signalbündelung könnte

die Kapazität der Laserverbindung sogar noch weiter

gesteigert werden.

Communication-link statistics from the simulation

conducted by Bauhaus Luftfahrt: The coloured

boxes represent the frequency of different communication

demands over certain distances. The graphs

depict the available bitrates of three different communication

technologies in regard to distance. The

combined plot shows that the future demand of 2035

is well within the bitrate-distance capability of an

infrared laser link. Its capacity could even be further

increased by using multiplexing techniques.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 81


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Neue Wege in Methoden und Prozessen

New ways in methods and processes

Ecological awareness

Currency exchange rates

Ways of living and orientation

towards leisure time

Population development

and structures

Population growth

Ageing society

Urbanisation

Emerging megacities

82

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Air travel

Resources

3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Climate change

Technology

Supply

Economic developments

GDP growth

Available income

Global middle class

Costs

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 83


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

84

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Innovationspotenziale erkennen: Eine wesentliche

Orientierungskompetenz für die Zukunft

Identifying innovation potentials: An essential skill

for navigating the future

Sehr geehrte Damen und Herren,

„Technologische Innovation ist bekanntermaßen ein riskantes

und hart umkämpftes Geschäft”, schreibt F. P. Boer, Autor

von „Technology Valuation Solutions”, und ergänzt, dass die

Schaffung von Wohlstand durch technologische Innovation eines

der wichtigsten wirtschaftlichen Phänomene der modernen

Welt ist. Offensichtlich haben führende Innovatoren einzigartige

Navigationsfähigkeiten für dieses riskante Umfeld.

Die Aufgabe des Teams „Zukunftstechnologien, Ökologie

der Luftfahrt und Wissensmanagement” ist es, ergänzende Orientierungshilfen

für die ferne Zukunft der Luftfahrt und Mobilität

insgesamt zu liefern, indem zukünftige Innovationspotenziale,

Zukunftstechnologien, nachhaltige Lösungen und wissensba

sierte Prozesse identifiziert werden.

Unser einzigartiger Ansatz ist, neben der nötigen Kompetenzvielfalt,

der vorrangige Nachweis jener Potenziale, die eine

vielversprechende Richtung vorgeben – damit anschließend die

beste Vorgehensweise für die Erschließung dieses Potenzials

verfolgt werden kann. Zum Beispiel sind wir in der Forschung an

solaren Flugkraftstoffen mit wissenschaftlicher Gründlichkeit

und außerhalb der traditionellen Luftfahrtforschung unterwegs

und haben dabei ein akademisch-industrielles Netzwerk von

Weltrang gewonnen.

In diesem Jahrbuch finden Sie Fortschritte in Energie-,

Material- und Informationstechnologien wie die Analyse von

Innovationspotenzialen von Kommunikationstechnologien. Als

etablierte Forschungseinrichtung arbeiten wir weiterhin an der

Entwicklung unserer speziellen Fähigkeiten zur Navigation mit

Weitsicht in diesem riskanten und umkämpften Terrain der

technologischen Innovation.

Dear Sir or Madam,

“Technological innovation is a notoriously risky and competitive

business”, writes F. P. Boer, author of “Technology Valuation

Solutions”, and adds that creation of wealth through technological

innovation is one of the most important economic

phenomena of the modern world. Obviously, innovation leaders

have unique skills in navigating this risky territory.

The task of the team “Future Technologies, Ecology of

Aviation and Knowledge Management” is to provide complementary

navigation skills on a long-term scale by identifying

future innovation potentials, future technologies, sustainability

solutions and knowledge-based processes for aviation and

mobility as a whole.

The uniqueness of our approach, besides the combination

of diverse competences, is that we establish those potentials

that show a promising direction – for later resource allocation

to find promising ways how to exploit this potential. For

example, in solar aviation fuels research we identified those

innovation potentials with scientific scrutiny and capabilities

from outside the field of aviation, and attracted a world-class

academic and industrial network in the process.

As you browse this yearbook for recent advances you will

also find new insights in the future of energy, materials and

information technologies, such as the analysis of innovation

potentials for communication technologies. As a well-established

research entity we further develop our unique strengths

in our special role as navigators with a far-sighted vision in the

risky and competitive terrain of technological innovation.

Ihr / Your

Dr. Andreas Sizmann

Leiter Zukunftstechnologien und Ökologie der Luftfahrt /

Head of Future Technologies and Ecology of Aviation

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 85


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Szenario-basierte Bewertung

der Lebenszykluskosten

zukünftiger Flugzeugkonzepte

Scenario-based life-cycle

cost assessment of future air

transport concepts

Die Luftfahrtbranche stellt ein volatiles Marktumfeld dar. Aufgrund

der langen Lebenszyklen von Flugzeugen ist eine frühzeitige Analyse

ihrer Lebenszykluskosten (LCC) entscheidend für ihre Bewertung.

Bei aktuellen LCC-Modellen variiert eine Vielzahl von Annahmen

über die zukünftige Entwicklung die Ergebnisse. Um den da mit

verbundenen Unsicherheiten methodisch entgegenzuwirken, verbindet

das Bauhaus Luftfahrt die LCC-Analyse mit der Szenariomethodik,

die ein etabliertes Werkzeug für die Beschreibung möglicher

zukünftiger Entwicklungen darstellt.

Um diese Verbindung herzustellen, wurden Beziehungen zwischen

den Schlüsselfaktoren mehrerer Szenarien und ergänzenden

LCC-Parametern im Rahmen eines Experten-Workshops identifiziert.

Jede Beziehung innerhalb des so entstandenen Netzwerks

aus Faktoren und Parametern wurde individuell untersucht, wobei

Regressionsgleichungen auf Basis historischer Werte die Abhängigkeiten

quantifizierten. Das daraus resultierende Modell erlaubt

die Bewertung von Flugzeugkonzepten für zukünftige Szenarien.

Die Methode wurde vom Bauhaus Luftfahrt zunächst für ein

Kurzstreckenflugzeug angewendet, um seine Wirtschaftlichkeit mit

neuen Antriebsvarianten in drei Zukunftsszenarien zu beurteilen.

Letztere umfassten Einflüsse wie Wachstum, Klimawandel oder

Re ssourcenmangel und offenbarten signifikante Auswirkungen auf

die direkten Betriebskosten. Mit der Identifizierung von Kos ten treibern

ist es möglich, alternative und quantitative Ergebnisse über

die LCC zu erhalten, die einen frühzeitigen Ausblick auf die spätere

Wirtschaftlichkeit eines zukünftigen Flugzeugs schon während der

Konzeptphase ermöglicht.

Aviation industry stakeholders operate in a volatile environment.

Because of long life cycles, consideration of future developments

is vital for the life-cycle cost (LCC) assessment of aircraft concepts.

Using current LCC models, a multiplicity of assumptions about the

future development manipulates the results to a varying degree. In

order to methodically address the current uncertainties, Bauhaus

Luftfahrt has linked LCC models to the well-established scenario

method for describing possible future developments.

In order to establish this link, the relations between key scenario

factors and scenario-driven LCC input were mapped out during

an expert workshop. Each relation of the resulting network was

investigated individually and regression equations based on historical

values described the dependencies. The resulting model allows

the evaluation of aircraft concepts for a variety of future scenarios.

Bauhaus Luftfahrt first applied this method to a short-haul

aircraft to assess the economic efficiency and new engine options

in three future scenarios. Focusing on the influences of steady

growth, climate change and lack of resources, significant differences

in direct operating costs could be revealed. By identifying cost

drivers for future environments, it is possible to provide more alternative

and quantitative results about future costs of operations.

The established linkage is therefore a major step in determining

future net present values of new aircraft concepts already during

the conceptual design phase.

86

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

++

Navigation charges

+

Stage length

Air traffic development

+

Fuel price

+

+

– –

Aircraft technology

development


++

Globalisation

++

Depreciation

++

Gross domestic product

emerging markets


Credit availability

++

Political instability

Scenario factor

Life-cycle cost parameter

New factor

Beispielhaftes Netzwerk von verbundenen Szenario-Faktoren und Parametern

für Lebenszykluskosten (LCC): In der Untersuchung der LCC zukünftiger Flugzeugkonzepte

verbindet das Bauhaus Luftfahrt die Standardparameter mit ergänzenden

Faktoren aus der bewährten Szenariomethodik. Deren Einfluss variiert von

stark (++) und moderat (+) positiv bis hin zu moderat (–) und stark (– –) negativ.

Gemeinsam mit neu identifizierten Faktoren aus einem Experten-Workshop hilft die

Verknüpfung verschiedenster Faktoren den Wissenschaftlern, die zu erwartenden

Lebenszykluskosten zuverlässiger zu bestimmen.

Exemplary network of connected scenario factors and life-cycle cost (LCC)

parameters: In its analyses on the LCC of future aircraft concepts, Bauhaus Luftfahrt

linked standard LCC parameters to factors based on well-established scenario

methods. Their influence varies from strongly (++) and moderately (+) positive to

moderately (–) and strongly (– –) negative. Together with newly identified factors

derived from an expert workshop, this linkage of different influence factors helps

researchers in the achievement of higher reliability in their analyses of future LCCs.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 87


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Kombination verschiedener

Szenariostudien zu

Meta-Szenarien

Aggregation of numerous

scenario studies to

form meta-scenarios

Die Luftfahrtindustrie sieht sich in Zukunft vielen Unsicherheiten

ausgesetzt, beispielsweise der Entwicklung des Treibstoffpreises

und des Luftverkehrsvolumens. Es ist deshalb wichtig, Geschäftsmodelle

oder technische Konzepte frühzeitig im Hinblick auf diese

Entwicklungen bewerten zu können. Heutige Ansätze konzentrieren

sich häufig auf die Analyse einzelner Szenariostudien, um Auswirkungen

für verschiedene Interessengruppen abzuleiten. Die Ar -

beiten am Bauhaus Luftfahrt gehen darüber hinaus, indem sie meh -

rere Szenariostudien kombinieren, um damit einen fundierten Ausblick

auf mögliche Ausprägungen zukünftiger Entwicklungen zu

gewinnen.

Als Erstes wählen die Wissenschaftler aus bekannten, qualitativ

hochwertigen Studien nur diejenigen aus, die einen identischen

Zeithorizont haben. Zudem müssen alle Einzelszenarien ein

breites Spektrum an möglichen zukünftigen Entwicklungen abbilden

und einen speziellen Mobilitätsfokus aufweisen. Um die Studien

vergleichen zu können, zerlegt das Bauhaus Luftfahrt ihre Inhalte

zunächst in Einzelbestandteile und überführt sie anschließend

in eine gemeinsame Struktur. Darin werden die Informationen nach

sozialen, technologischen, ökonomischen, ökologischen, politischen

und Mobilitäts-Faktoren (STEEP-M-Schema) unterteilt. In Be zug auf

zukünftige Investitionen in Forschung und Entwicklung zeigt diese

Agglomeration beispielsweise in mehr als 25 Szenarien einen Anstieg,

während nur fünf eine Reduzierung oder Stag nation erwarten.

Auf dieser Grundlage entstehen sogenannte Meta-Szenarien,

welche für die Analyse der Auswirkungen zukünftiger Entwicklungen

auf technische Konzepte oder Geschäftsmodelle herangezogen

werden.

Stakeholders in the aviation industry face a high level of future uncertainty

regarding for example fuel price development, or the direction

and volume of global traffic flows. It is hence important to

evaluate future technical concepts and business opportunities in

light of these changing conditions. Current approaches often only

focus on a specific development, or consult a single scenario study,

to assess the effects for various stakeholders. To attain a more comprehensive

and thorough picture of possible future environments,

Bauhaus Luftfahrt developed a methodology that aggregates a variety

of scenario studies.

First, researchers select high-quality studies with the same

time horizon, a wide range of possible future paths and a specific

mobility focus. To be able to compare the different studies Bauhaus

Luftfahrt first disaggregates them into single pieces and then

re-aggregates them in a uniform structure. A well-known scheme

representing Social, Technological, Economic, Environmental and

Political factors complemented by Mobility aspects (STEEP-M) was

identified to effectively cluster the gathered information. In regard

to future investment in research and development, for example, the

aggregation shows that more than 25 scenarios expect this as pect

to grow compared to less than five scenarios considering decreasing

or stagnating future investments. Drawing on this data base,

researchers derived a number of possible future environments –

the so-called meta-scenarios. These serve as a robust basis for the

evaluation of effects on possible future operational parameters,

technical concepts and business environments.

Übersicht beispielhafter Faktoren, die vom Bauhaus Luftfahrt in einem sogenannten

Meta-Szenario genutzt werden: Die Länge des Balkens repräsentiert

die Anzahl der Studien, die von einer Zunahme, Abnahme oder Konstanz des

jeweiligen Faktors ausgehen. Sind die Balken für Zu- und Abnahme etwa gleich

groß, spricht dies für eine hohe Unsicherheit. Dagegen herrscht ein relativ starker

Konsens, dass die Investitionen in Forschung und Entwicklung weiter zunehmen

werden. Die Kombination vieler Einzelszenarien hilft dem Bauhaus Luftfahrt daher,

die Untersuchung zukunftsweisender Konzepte oder Geschäftsmodelle zuverlässiger

zu gestalten.

Overview of key factors used by Bauhaus Luftfahrt in a meta-scenario: The size

of the bars indicates the number of studies in which factors have been estimated as

increasing, decreasing or stable. If a given factor is seen as increasing or decreasing

by a similar number of studies, the future seems to be uncertain. On the other hand

there is a lot of consensus that research and development investments are likely

to increase in the future. Hence, the aggregation of multiple scenario studies helps

Bauhaus Luftfahrt to further improve the evaluation of future technical concepts

and business opportunities.

88

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Number of scenario studies

0

5 10 15 20 25

30

Environmental awareness

Population

Aging population

Individualisation and lifestyle

Investment in technology (R&D)

New innovations

Green technology

Global interest / collaboration

Gross domestic product (GDP)

Demand

Productivity

Strong competition

Emissions

Energy demand

Climate change

Changing values

Green policies

International cooperations

Safety and security problems

Global conflicts

Infrastructural quality

Infrastructural quantity

Transport demand

Global urbanisation

Increasing factor

Decreasing factor

Status quo

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 89


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Einsatz von

semantischen Technologien

im Flugzeugentwurf

Application of

semantic technologies

in aircraft design

Der integrierte Flugzeugentwurf erfordert die Zusammenarbeit von

Experten aus unterschiedlichen Fachbereichen. Dabei werden Entwurfsmodelle

aus unterschiedlichen Disziplinen integriert, ausgetauscht

und konsolidiert. Dieser Vorgang ist heute bestenfalls teilweise

automatisiert und somit aufwändig und fehleranfällig. Eine

verbesserte Automatisierung erfordert, dass die Bedeutung und

der Kontext der zu integrierenden Modelldaten formal und maschinenlesbar

repräsentiert sind. In der Informatik werden daher

„Ontologie“ genannte Datenstrukturen genutzt, um Wissen über

verschiedenste Konzepte durch logische Verknüpfungen zwischen

diesen formal zu erfassen und auszuwerten.

Das Bauhaus Luftfahrt nutzt diesen Ansatz für den Flugzeugentwurf

und entwickelte im Jahr 2013 eine entsprechende Ontologie,

die für Modelldaten in unterschiedlichen Formaten eine semantische

Referenz zur Verfügung stellt. Die Wissenschaftler konnten

dazu bereits ein entsprechendes Vorgehensmodell evalu ieren

und Erfahrung mit Entwurfsprinzipien und -werkzeugen sammeln,

die speziell für Ontologien entwickelt wurden. Die enge Zusammenarbeit

von Experten aus Flugzeugentwurf und Informatik, wie

sie am Bauhaus Luftfahrt möglich ist, hat sich dabei als vorteilhaft

erwiesen.

Mit den bisherigen Arbeiten hat das Bauhaus Luftfahrt eine

solide Basis für die Anwendung von semantischen Technologien

im Flugzeugentwurf gelegt. Zukünftig werden die Wissenschaftler

weiter daran arbeiten, diese direkt in vorhandene Software-Werkzeuge

zu integrieren, um die Effizienz im Flugzeugentwurf durch

wissensbasierte Verfahren zu verbessern.

An integrated aircraft design process requires the collaboration of

experts from numerous different disciplines in which data models

need to be integrated, consolidated and exchanged frequently.

This process is, however, currently at best only partly automated,

resulting in a time-consuming and error-prone process. To further

improve the automation of model integration, a formal and machine-readable

representation of model data is required. In computer

science, ontologies are used to formally capture knowledge

about concepts by logical links between them, enabling automated

evaluation.

Bauhaus Luftfahrt has adopted this approach for aircraft design

and in 2013 developed an ontology in order to provide a semantic

reference for existing aircraft models in different data formats.

The researchers evaluated a process model as well as design

principles and tools specifically developed for ontologies. The close

collaboration between aircraft designers and computer scientists

at Bauhaus Luftfahrt turned out to be beneficial for the success of

the ontology development project.

With these efforts Bauhaus Luftfahrt laid a solid basis for the

application of semantic technologies in aircraft design. In the future,

researchers will continue to integrate them into existing software

tools in order to improve the practice of aircraft design towards

efficient, truly knowledge-based techniques.

90

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Aircraft

Aircraft

has fuselage

has fuselage

has wing

has wing

has engine

has engine

is connected to

is connected to

Engine

Engine

is connected to

is connected to

Fuselage

Fuselage

Wing

Wing

is an

is an

is an

is an

is an

is an

Aircraft

Aircraft

subcomponent

subcomponent

Vereinfachter Auszug aus der Flugzeug-Ontologie:

Verschiedene Konzepte, wie sie im Flugzeugentwurf

am Bauhaus Luftfahrt verwendet werden, sind

hier durch logisch-semantisch definierte Eigenschaften

miteinander verknüpft. Die vollständige am Bauhaus

Luftfahrt entwickelte Ontologie wurde unter

https://github.com/astbhltum/Aircraft-Ontology

veröffentlicht und steht somit anderen Entwicklern

unter einer Open-Source-Lizenz zur Verfügung.

Simplified excerpt of the aircraft ontology: Various

concepts used by aircraft designers at Bauhaus

Luftfahrt are linked by semantically-defined properties.

Bauhaus Luftfahrt released the entire ontology

at https://github.com/astbhltum/Aircraft-Ontology.

Thus, other developers can re-use it under an Open-

Source license.

Model owner Model owner B

Knowledge matching

Knowledge matching

Reference

Reference

ontology

ontology

Model owner Model owner A

Knowledge matching

Knowledge matching

Ontology

Ontology A

Knowledge

Knowledge

extraction

extraction

Model

Model A

Model transformation

Model transformation

Ontology-based

Ontology-based

model

model

integration

integration

Model transformation

Model transformation

Ontology

Ontology B

Knowledge

Knowledge

extraction

extraction

Model

Model

B

Anwendung der Referenzontologie bei der wissensbasierten

Modellintegration: Aus zwei unterschiedlichen

Modellen wird das darin enthaltene

Wissen automatisch extrahiert und durch die je weiligen

Modellautoren mit Konzepten der Referenz ontologie

verknüpft. Ausgehend von diesen Ver knüpfungen

können die Inhalte der Modelle getreu ihrer

Bedeutung konsolidiert und ausgetauscht werden.

Application of a reference ontology in knowledgebased

model integration: The knowledge of two

models is automatically extracted and matched with

the reference ontology by the respective model

owner. By exploiting these matchings, contents of

the models can be con solidated and ex changed true

to their meanings.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 91


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

92

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


3

Methoden und Prozesse

Methods and processes

Podiumsdiskussion anlässlich des 1. Bauhaus Luftfahrt Symposiums im Juni

2013: Vor etwa 200 internationalen Gästen diskutierte Professor Mirko Hornung (1.

von rechts) gemeinsam mit Vertretern aller Mitglieder des Bauhaus Luftfahrt über

wichtige Weichenstellungen für die kommenden Herausforderungen der Luftfahrtindustrie.

Panel discussion during the first Bauhaus Luftfahrt Symposium in June 2013:

In front of around 200 international guests, Professor Mirko Hornung (right) together

with representatives of Bauhaus Luftfahrt’s partners actively discussed important

strategic decisions for future challenges of the aviation industry.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 93


Munich Aerospace: Bauhaus Luftfahrt wieder

aktiv an Meilensteinen der Entwicklung beteiligt

Munich Aerospace: Bauhaus Luftfahrt again

actively engaged in recent development milestones

Im Jahr 2013 konnte Munich Aerospace seine Position in der bayerischen

Luftfahrtlandschaft weiter stärken. Am 22. Juli fand die

Un terzeichnung einer Absichtserklärung statt, welche die Kooperation

zwischen Munich Aerospace e.V. und der neu gegründeten

Ludwig Bölkow Campus GmbH regelt. Die beiden Partner bilden

damit die Säulen des neuen Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn,

der bisher als Bavarian International Campus Aerospace and Security

(BICAS) firmierte.

Im Rahmen der 4. Mitgliederversammlung wurde am 15. November

ein neuer Vorstand berufen. Als Nachfolger für Dr. Anita

Linseisen vertritt nun Dr. Thomas Röhm, Leiter Ökonomie und Verkehr,

das Bauhaus Luftfahrt in diesem Gremium.

Auch in der wissenschaftlichen Arbeit konnten wichtige Fortschritte

erzielt werden. Bereits im Januar trafen sich Stipendiaten,

Forschergruppenmitglieder und -leiter im Universitätszentrum Obergurgl

in Österreich zur ersten „Munich Aerospace Winter School“.

Hier stellten die Teilnehmer ihre Forschungsgebiete vor und diskutierten

angewendete Methoden und erzielte Ergebnisse.

Die Forschergruppe „Operationelle Modellierung, Simulation

und Optimierung intermodaler Knoten im Luftverkehr“ hat im Juni

an der „17. Air Transport Research Society World Conference“ im

italienischen Bergamo teilgenommen. An der Forschergruppe beteiligte

Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt präsentierten aktuelle

Forschungsergebnisse in Fachvorträgen und diskutierten ihre

Ergebnisse mit internationalen Luftfahrtexperten.

In 2013 Munich Aerospace further strengthened its position in the

aerospace community in Bavaria. On July 22 a Memorandum of

Understanding outlining the co operation between Munich Aerospace

e.V. and the newly founded Ludwig Bölkow Campus GmbH

was signed. Based on this document, these two partners will form

the pillars of the new Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn, formerly

known as Bavarian Internati onal Campus Aerospace and

Security (BICAS).

During the organisation’s fourth general meeting on November

15 a new Executive Board was elected: Dr Thomas Röhm, Head

of Economics and Transportation, now acts as representative of

Bau haus Luftfahrt, succeeding Dr Anita Linseisen.

Great progress was also made in terms of research activities.

In January the first Munich Aerospace Winter School took place at

the University Center in Obergurgl, Austria. Scholarship holders,

re search group fellows and leaders took part in the event, presenting

their areas of research to one another and discussing applied

meth ods as well as achieved results.

In June, members of the research group “Modeling, simulation

and optimization of the operational aspects of intermodal

nodes in air transportation” successfully participated in the 17th Air

Trans port Research Society World Conference in Bergamo, Italy.

Re searchers of Bauhaus Luftfahrt presented recent findings at this

conference and actively engaged in discussion with international

aviation experts.

94

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Alte und neue Vorstände von Munich Aerospace:

Bei der Vorstandswahl am 15. November

übernahm Dr. Thomas Röhm (3. v. l.) die Vertretung

des Bauhaus Luftfahrt im obersten Gremium

der „Fakultät für Luft- und Raumfahrt“. Er trat damit

die Nachfolge von Dr. Anita Linseisen (4. v. l.)

an, die nach zwei Amtszeiten aus dem Vorstand

ausgeschieden ist.

Former and current members of Munich Aerospace’s

Executive Board: As a result of the

elections on November 15, Dr Thomas Röhm

(third from the left) took over as representative

of Bauhaus Luftfahrt in the supreme committee

of the “Faculty for Aerospace”. In this position

he succeeds Dr Anita Linseisen (fourth from the

left), who withdrew from her position as Executive

Board Member after two terms in office.

Übergabe der Förderbescheide als Startschuss

für die ersten drei Verbundforschungsvorhaben

am Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn:

An zwei dieser Projekte ist auch das Bauhaus

Luftfahrt aktiv beteiligt. Zum einen ist dies das

Projekt „AlgenFlugKraft“, das die Gewinnung von

Flugkraftstoffen aus Mikroalgen erforscht, zum

anderen das Projekt „PowerLab“, das sich mit hybriden

und vollelektrischen Antrieben für zukünftige

Luftfahrzeuge befasst.

Handover of the grant notification documents

for the first three research projects to be conducted

at the Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn:

Bauhaus Luftfahrt actively engages in

two of these projects, namely “AlgenFlugKraft”,

which looks for a sustainable production of jet

fuel from micro-algae, and “PowerLab”, which

deals with hybrid and fully electric propulsion

archi tectures for future aircraft.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 95


Bauhaus Luftfahrt treibt Nachhaltigkeitsthemen

bei aireg und ihren Partnern voran

Bauhaus Luftfahrt spurs sustainability issues

at aireg and its partner initiatives

Als Mitgründer der „Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany

e.V.“ (aireg), als Mitglied in sämtlichen Arbeitskreisen sowie

in der Rolle als Vorsitzender des Arbeitskreises „Nachhaltigkeit“

hat sich das Bauhaus Luftfahrt auch im Jahr 2013 wieder aktiv in

die Entwicklung von aireg eingebracht.

Die Experten im Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ untersuchen

schwerpunktmäßig die Wertschöpfungskette für alternative Flugkraftstoffe

und erarbeiten Vorschläge zur Förderung der Produkti -

on und Verbreitung von Biokraftstoffen. Im abgelaufenen Jahr hat

aireg erfolgreich eine fundierte Stellungnahme zur kontroversen

Frage indirekter Landnutzungsrechte in die öffentliche Diskussion

eingebracht. Außerdem unterstützt das Bauhaus Luftfahrt aireg in

einem Forschungsprojekt, in dem der Einsatz von Biokraftstoffen

untersucht und ihr Beitrag zur Senkung der Kohlendioxid-Emissionen

im Luftverkehr abgeschätzt wird. Dieses Forschungsprojekt

wird seit Ende 2012 durch das Bundesministerium für Verkehr und

digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert.

Mehrfach vertrat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 die Interessen

von aireg auch bei der US-amerikanischen Schwesterinitiative

Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative (CAAFI),

mit dem Ziel, den transatlantischen Wissenstransfer zu alternativen

Flugkraftstoffen weiter voranzutreiben und gemeinsam nach

globalen Lösungen zu suchen. In den nächsten Jahren sollen Forschungseinrichtungen

und Partner aus weiteren wichtigen Ländern

in den Dialog miteinbezogen werden.

As a founding member represented in all five working groups and

as leader of the “Sustainability” group, Bauhaus Luftfahrt again

played an active part in the development of the “Aviation Initiative

for Renewable Energy in Germany e.V.” (aireg) in 2013.

Experts in the working group “Sustainability” focus their analyses

on the value creation chain for alternative aviation fuels and

develop proposals for the advancement of production and dissemination

of biofuels. In the past year, aireg successfully contributed

to the controversial discussion of indirect land use change (iLUC)

with a substantiated statement.

Additionally, Bauhaus Luftfahrt is supporting aireg in a research

project aiming to estimate the impact of biofuels to carbon

emissions reductions in aviation. This project is funded by the Federal

Ministry of Transport and Digital Infrastructure (BMVI) since

the end of 2012.

On several occasions, Bauhaus Luftfahrt represented aireg’s

views towards its US counterpart “Commercial Aviation Alternative

Fuels Initiative” (CAAFI), aiming to spur a transatlantic transfer of

knowledge in the field of alternative aviation fuels and to collaboratively

search for global solutions to a global market. The aim is to

extend this dialogue to additional research institutions and partners

from certain focus countries in the coming years.

96

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Food production

Food production

Food production

Biofuel production

Biofuel production

Food production

No bioenergy

dLUC

(direct land use change)

iLUC

(indirect land use change)

Schematische Darstellung der Umwandlung von Waldfläche für den Anbau

von Biomasse zur Kraftstoffherstellung: Im Fall einer direkten Landnutzungsänderung

(dLUC) wird die für den Biokraftstoffanbau benötigte zusätzliche Ackerfläche

aus der verfügbaren Waldfläche direkt umgewandelt. Bei einer indirekten

Land nutzungsänderung (iLUC) wird Anbaufläche von Nahrungsmitteln für den Biokraftstoffanbau

umgewandelt. Um den Flächenverlust für den Nahrungsmittelanbau

zu kompensieren, weicht dieser auf verfügbare Waldfläche aus. Deren Umwandlung

ist demnach nicht direkt auf den Anbau von Biomasse für Kraftstoffe zu rückzuführen,

jedoch indirekt dafür verantwortlich. Inwieweit iLUC die Lebenszyklusanalyse

eines Kraftstoffes beeinflusst, ist derzeit Gegenstand der Forschung, unter

anderem am Bauhaus Luftfahrt.

Schematic illustration of land use change from forest area to arable land

in order to grow biomass for fuel production: In the case of direct land use

change (dLUC) available forests are directly converted into arable land. In contrast,

indirect land use change (iLUC) means that biomass for biofuels is cultivated

on arable land which had been used to grow foods. To compensate the loss of

ar able land for food production, the latter will fall back on available forest area.

Thus, this land use change cannot be directly credited to biomass production

even though it is indirectly liable. The impact of iLUC on the life-cycle analysis of

certain fuel production pathways is subject to current research activities, including

at Bauhaus Luftfahrt.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 97


98

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 99


Zahlen und Fakten

Facts and figures

100

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 101


Finanzen

Financial figures

Das Bauhaus Luftfahrt konnte im Geschäftsjahr 2013 seine Umsatzerlöse

um 777.000 Euro steigern, ein Plus von 19,4 Prozent.

Dabei sind die Erträge aus Aufträgen und Kooperationen mit den

Industriepartnern um 287.000 auf 1,77 Mio. Euro angestiegen.

Vor allem bei Drittmittelförderprojekten konnten die Erträge von

149.000 auf 639.000 Euro entscheidend gesteigert werden. Dieser

Anstieg ist besonders auf neue Projekte innerhalb des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms

und zwei neue Forschungsvorhaben

zurückzuführen, die aus der Zusammenarbeit der Ludwig Bölkow

Campus GmbH und Munich Aerospace e.V. entstanden sind.

Für das Jahr 2014 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer weiteren

Zunahme bei den Drittmitteleinnahmen aus Förderprojekten

auf rund 861.000 sowie mit konstanten Industrie-, Kooperationsund

Verbundforschungsprojekten von rund 1,75 Mio. Euro.

In its fiscal year 2013, Bauhaus Luftfahrt could raise its revenue by

777,000 euros, or 19.4 per cent. Earnings from research cooperations

with industry partners rose to 1.77 million euros, an in crease

of 287,000 euros. Moreover, funding from third-party projects

climbed significantly from 149,000 to 639,000 euros. This gain is

mainly linked to new projects within the European Union’s seventh

research framework programme as well as two research undertakings

from the cooperation with Ludwig-Bölkow-Campus GmbH and

Munich Aerospace e.V.

For the year 2014, Bauhaus Luftfahrt plans another increase

in third-party funds to around 861,000 euros. Funding from industry

and integrated research projects is expected to remain constant

at around 1.75 million euros.

Finanzmittel / Funds

5.000.000

4.500.000

4.000.000

3.500.000

3.000.000

2011

2012

2013

2.500.000

2.000.000

1.500.000

1.000.000

Forschungsaufträge

Research contracts (€)

Bund/EU

Federal/European funds (€)

Mitgliedsbeiträge

Membership fees (€)

1.436.420

338.202

750.600

1.480.204

148.956

875.600

1.767.070

638.987

875.600

500.000

0

2011

2012

2013

Zuschüsse Freistaat Bayern

Grants from the

Free State of Bavaria (€)

1.500.000

1.500.000

1.500.000

102

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Personal

Personnel

Die stabile finanzielle Entwicklung ermöglichte es dem Bauhaus

Luftfahrt, die Zahl der beschäftigten Wissenschaftler im Jahr 2013

erneut leicht zu erhöhen. Durch diesen personellen Aufwuchs waren

im Jahresdurchschnitt 45 Mitarbeiter bei der Institution beschäftigt.

Der Anteil der Wissenschaftlerinnen stieg dabei auf rund

23 Prozent. Hinzu kamen insgesamt 26 Studenten, die als wissenschaftliche

Hilfskräfte beschäftigt waren oder ihre Semester-, Bachelor-,

Master- oder Diplomarbeit in Zusammenarbeit mit dem

Bauhaus Luftfahrt verfassten. Erstmals verstärkte zudem ein Doktorand

aus dem Promo tionsstipendien-Programm von Munich Aerospace

das interdiszipli näre Team, dessen Kompetenzspektrum

damit abermals erweitert wurde. In Abhängigkeit von der finanziellen

Entwicklung des Bauhaus Luftfahrt soll auch im Jahr 2014 ein

moderater Personalaufbau vorangetrieben, sprich es sollen selektiv

wissenschaftliche Nachwuchskräfte und weitere Stipendiaten

gewonnen werden.

The solid financial development allowed Bauhaus Luftfahrt to moderately

increase the number of researchers in 2013. Taking this recent

growth into account, a total of 45 staff members were employed

by the institution on average over the year. The percentage

of female scientists saw a slight increase to around 23 per cent.

Moreover, a total of 26 students worked as student assistants or

completed their term papers or bachelor, master or diploma theses

in cooperation with Bauhaus Luftfahrt. In addition, the first doctoral

student from Munich Aerospace’s PhD scholarship programme

reinforced the interdisciplinary team, helping to further expand its

spectrum of competences. De pending on the funding situation,

Bauhaus Luftfahrt is planning another moderate growth in personnel

fig ures due to a selective acquisition of junior researchers and

scholars in 2014.

Mitarbeiter (Jahresdurchschnitt) / Employees (annual average)

2011 2012

Vorstand

Executives 2 2

Verwaltung

Administration 6 9

Wissenschaftler

Scientists 21 29

2013

2

11

31

Munich Aerospace Stipendiaten

Munich Aerospace scholarship-holders

Studenten (Kopfzahl)

Students (head count)

0 0

29 25

1

26

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 103


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013

Scientific publications / Patents 2013

Zeitschriftenaufsätze / Journal articles

03.2013 International Journal of Aviation Management | Vol. 2, No. 1/2

Identification of Key Aircraft and Operational Parameters Affecting Airport Charges

K. O. Plötner, P. Wesseler, P. Phleps

04.2013 Zeitschrift für Verkehrswissenschaft | 84. Jahrgang, 2013, Heft 1, S. 78–80

Buchrezension: R. Conrady, F. Fichert und R. Sterzenbach (2013), Luftverkehr – Betriebswirtschaftliches

Lehr- und Handbuch, 5., vollständig überarbeitete Auflage 2013

A. Paul

07.2013 Journal of Intelligent Material Systems and Structures | DOI: 10.1177/1045389X13502869

An Integrated Conceptual Design Study Using Span Morphing Technology

R. M. Ajaj, M. I. Friswell, A. T. Isikveren, W. G. Dettmer, G. Allegri

08.2013 International Journal of Nanoscience | Vol. 12, No. 3, 1350015-22

Size Effects on the Efficiency of Neutron Shielding in Nanocomposites – a Full Range Analysis

L. Koops (L.Schrempp)

09.2013 Journal of Engineering for Gas Turbines and Power | DOI: 10.1115/1.4025066

Unified Applicable Propulsion System Performance Metrics

O. Schmitz, M. Hornung

Konferenzbeiträge / Conference contributions

04.2013 AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials and Co-located Conferences | Boston

Variable Wing Span Using the Compliant Spar Concept

R. Ajaj, M. Friswell, E. I. Saavedra Flores, A. T. Isikveren, H. Chaouk

06.2013 ASME Turbo Expo | San Antonio

Unified Applicable Propulsion System Performance Metrics

O. Schmitz, M. Hornung

06.2013 First Bauhaus Luftfahrt Symposium “Future of Aviation – Perspectives for 2050” | Munich

Global Bioenergy Potential – A Geographical Assessment

F. Riegel

New Pathways for the Production of Renewable Jet Fuel

A. Roth

Ce-Liner: From Market to the Concept

M. Hornung, A. Sizmann, A. T. Isikveren

eAviation Energy and Power Systems

H. Kuhn

Relative Merits of Advanced Gas-Turbine and Hybrid-Cycle Propulsion

A. Seitz

104

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Collaborative Design Process

D. Seider, S. Ziemer

The Passenger’s View – The Air Transport System in 2050

A. Paul

Setting the Scene: Future Transport Processes

M. Cole

06.2013 SAE 2013 Aerospace Alternative Fuels and Associated Impacts Symposium | Brussels

Solar Thermochemical Fuels – Economic Impact and Perspectives

V. Batteiger, C. Falter, C. Jeßberger, A. Sizmann

06.2013 17th Air Transport Research Society World Conference | Bergamo

Scenario-Based Life-Cycle Cost Assessment of Future Air Transport Concepts

M. Schmidt, K. O. Plötner, G. Öttl, A. T. Isikveren, M. Hornung

Air Traffic Growth, Energy and the Environment 2040: Drivers, Challenges and Opportunities for Aviation

N. Randt, C. Jeßberger, K. O. Plötner, A. Becker

Tackling the Future – Opportunities and Challenges in the Air Cargo System

A. Paul, M. Cole

European Hub Airport Development in the Face of Increasing Competition

A. Paul

07.2013 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference | San Jose

Pre-Concept Performance Investigation of Electrically Powered Aero-Propulsion Systems

A. Seitz, A. T. Isikveren, M. Hornung

08.2013 2013 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference | Los Angeles

Operating Cost Estimation for Electric-Powered Transport Aircraft

K. O. Plötner, M. Schmidt, D. Baranowski, A. T. Isikveren, M. Hornung

Methodology for Sizing and Performance of Hybrid Energy Aircraft

C. Pornet, C. Gologan, P. Vratny, A. Seitz, O. Schmitz, A. T. Isikveren, M. Hornung

Ce-Liner – Case Study for eMobility in Air Transportation

M. Hornung, A. T. Isikveren, M. Cole, A. Sizmann

09.2013 9th International Workshop on Structural Health Monitoring | Stanford

Structural Health Monitoring and an Enabling Technology for Active Compliant Systems

L. Lorenz, K.-D. Büchter, O. Boegler, U. Kling, A. T. Isikveren

09.2013 62. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress | Stuttgart

Impact of Electrically Powered Transport Aircraft on Energy and Battery Demand for Germany

K. O. Plötner, P. C. Vratny, M. Schmidt, A. T. Isikveren, M. Hornung

Aeroelastic Investigations of a Self-Trimming Non-Planar Wing

U. Kling, C. Gologan, A. T. Isikveren, M. Hornung

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 105


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013

Scientific publications / Patents 2013

Contributions of Cabin-Related and Ground Operation Technologies Towards Flightpath 2050

M. Schmidt, K. O. Plötner, C. Pornet, A. T. Isikveren, M. Hornung

Methods for Simulation and Analysis of Hybrid Energy Propulsion Systems

O. Schmitz, M. Hornung

Comparative Assessment of Transient Characteristics of Conventional and Hybrid Gas Turbine Engines

G. Wortmann, O. Schmitz, M. Hornung

Biofuels for Aviation: Incentives for a Sustainable Supply Chain

C. Jeßberger, S. Wolf

Assessment Framework for Sustainable Lightweight Materials in Aviation

O. Boegler, A. Roth, L. Lorenz, A. Sizmann

Capacity Scaling in Airborne Communication Networks Based on Air Traffic Scenario Modeling

K.-D. Büchter, N. Randt, A. Sizmann

Hybrid Power Systems for Radical Emission Reduction in Aviation

H. Kuhn, A. Sizmann

Hybrid Power Trains for Future Mobility

L. Lorenz, A. Seitz, H. Kuhn, A. Sizmann

Creating an Ontology for Aircraft Design

M. Ast, M. Glas, T. Röhm

Facilitating Knowledge Sharing in an Aircraft Design Project

S. Ziemer, M. Glas, P. Schurk

09.2013 4th CEAS Air & Space Conference | Linköping

Battery Pack Modeling Methods for Universally Electric Aircraft

P. C. Vratny, C. Gologan, C. Pornet, A. T. Isikveren, M. Hornung

Parametric Design Studies for Propulsive Fuselage Aircraft Concepts

A. Seitz, C. Gologan

Sustainable Alternative Fuels for Aviation: International Emission Targets vs.

Corporate Sustainability Aspirations

C. Jeßberger, S. Wolf

10.2013 Avionics, Fiber-Optics and Photonics (AVFOP) Conference | San Diego

Feasibility of High-Speed Transparent Photonic Links in Airborne Free-Space Optical Communication

K.-D. Büchter, A. Sizmann

11.2013 Workshop on Human Computation and Machine Learning in Games at HComp 2013 | Palm Springs

Gameful Markets for Collaboration and Learning

S. Leutenmayr, F. Kneissl, S. Ziemer, F. Bry

11.2013 3rd International Conference on Social Eco-Informatics SOTICS | Lisbon

Decision Markets for Continuously Reflected Collective Decisions

S. Leutenmayr, S. Ziemer, F. Bry

106

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Studienarbeiten / Diploma or bachelor theses and term papers

Dissertationen / Dissertations

> Bachelorarbeit / Bachelor thesis (Hochschule Pforzheim)

Airport Service Vehicles for 2035

J. Wolko / 2.2013

> Diplomarbeit / Diploma thesis (Technische Universität München)

Development of an Operating Cost Model for Electric-Powered Transport Aircraft

D. Baranowski / 2.2013

> Masterarbeit / Master thesis (Technische Universität München)

Development of a Tool for Landing Gear Kinematics and Actuation Power Estimation

U. Kling / 3.2013

> Bachelorarbeit / Bachelor thesis (Technische Universität München)

Elastic Instability Analysis and Integration for a Non-Linear Structural Design Tool

D. Eisenbarth / 5.2013

> Semesterarbeit / Term paper (Technische Universität München)

Development of a method to cover several aircraft layouts through the same fuselage to cabin interfaces

P. Bosch / 07.2013

> Bachelorarbeit / Bachelor thesis (Technische Universität München)

Advanced Engine Direct Maintenance Cost Models for Future Aircraft Concepts

P. Osterrieder / 8.2013

> Semesterarbeit / Term paper (Technische Universität München)

Development of a Finite Element Tool Box in MATLAB for Landing Gear Structural Analysis

M. Götz / 9.2013

> Diplomarbeit / Diploma thesis (Technische Universität München)

Flight Technique Optimization for Conventional and Hybrid-Energy Aircraft

C. Hargitai / 9.2013

> Semesterarbeit / Term paper (Technische Universität München)

Case Study at Munich Airport: Impact of electrical powered transport aircraft on airport infrastructure and

ground operations

P. Zimmerhakl / 10.2013

> Bachelorarbeit / Bachelor thesis (Technische Universität München)

Development of Object-Oriented Methods for Visualization of Aero Engines

A. Heilmann / 12.2013

Technische Universität München

Ontology-based Model Integration for the Conceptual Design of Aircraft

M. Glas / 5.2013

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 107


Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013

Scientific publications / Patents 2013

Patente / Patents

EP 1964774 A2

> Europäisches Patentamt, München

> „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und / oder Vortrieb“

> Erfinder / Inventor: J. Seifert

DE 102007009951 B3 > Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und / oder Vortrieb“

> Erfinder / Inventor: J. Seifert

DE 102008022452 A1 > Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Flugzeug mit aktiv steuerbaren Hilfsflügeln“

> Erfinder / Inventor: J. Wittmann

DE 102008024463 B4

DE 102012015104.7

> Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Flugzeugantriebssystem“

> Erfinder / Inventor: A. Seitz

> Deutsches Patent- und Markenamt, München

> „Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk und Verfahren zum Betrieb dieses

Fahrzeugtriebwerkes“

> Erfinder / Inventor: O. Schmitz

108

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Medien / Vorträge

Media / Lectures

Medienberichterstattung / Media coverage

Pressemitteilungen des Bauhaus Luftfahrt

Press releases issued by Bauhaus Luftfahrt

Medienberichte über das Bauhaus Luftfahrt

Media reports on Bauhaus Luftfahrt

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2011

2012

2013

Printmedien

Print media

Online-Medien

Online media

Audiovisuelle Medien

Audiovisual media

0 10 20 30 40 50 60

2011

2012

2013

Expertenvorträge (exkl. Konferenzen) / Expert lectures (excl. conferences)

National

International

0 2 4 6 8 10 12

2011

2012

2013

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 109


110

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


Impressum

Imprint

Bauhaus Luftfahrt

Jahrbuch 2013

Herausgeber / Publisher

Bauhaus Luftfahrt e.V.

Lyonel-Feininger-Straße 28

80807 München

www.bauhaus-luftfahrt.net

Redaktion / Editor

Michael Lagemann

Autoren / Authors

Dr. Valentin Batteiger

Oliver Boegler

Dr. Kai-Daniel Büchter

Mara Cole

Christian Endres

Christoph Falter

Dr. Martin Glas

Dr. Askin T. Isikveren

Dr. Christoph Jeßberger

Dr. Lily Koops

Dr. Holger Kuhn

Dr. Larissa Lorenz

Annika Paul

Dr. Kay Plötner

Florian Riegel

Dr. Thomas Röhm

Dr. Arne Roth

Michael Schmidt

Dr. Arne Seitz

Dr. Andreas Sizmann

Marcia Urban

Dr. Sven Ziemer

Bildnachweise / Picture Credits

Seiten 6, 9, 12 / 13, 41, 98 / 99, 110: Romy Bonitz, München

Seite 10: Andreas Heddergott, München

Seite 19, 92 / 93: Petra Rödl, Ingolstadt

Seite 35 (Hintergrund): Jacques Descloitres / MODIS Rapid

Response Team, NASA, GSFC

Seite 63 (oben): Eric Drouin / SAFRAN

Seite 63 (unten): Gregor Schläger / Lufthansa Technik AG

Seite 85: Kubinska & Hofmann, München

Seite 95 (oben): Petra Rödl / Munich Aerospace

Seite 95 (unten): Jürgen Dannenberg / Bilfinger HSG FM AS GmbH

Gestaltung / Layout / Grafiken

ediundsepp Gestaltungsgesellschaft mbh, München

Lektorat / Lectorate

Deutsches Lektorat / Korrektorat: Textpur

Englisches Lektorat / Korrektorat: Verbalis

Druck / Print

Druckerei Joh. Walch GmbH & Co., Augsburg

Auflage / Circulation

500 Exemplare / 500 copies

Wir bitten um Verständnis, dass wir aus Gründen der Lesefreundlichkeit

in diesem Jahrbuch auf die explizite Nennung der weiblichen

Form verzichtet haben. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern

die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen

gemeint.

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 111


112

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.


112

Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine