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Die Erfindung betrifft ein Langstreckenverkehrsflugzeug, das im Reiseflugmodus elektrisch angetrieben wird, wobei die dafuer notwendige elektrische Energie mithilfe von Brennstoffzellen erzeugt wird. Diese Auslegungsform zukuenftiger Langstreckenverkehrsflugzeuge (mit Hybridantrieb) wird in Fachkreisen seit langem diskutiert und ist daher bekannt.
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Schaedliche Emissionen des Weltluftverkehrs stellen heute eine Buerde fuer das Leben auf unserem Planeten dar. Negative Auswirkungen auf die Atmosphaere haben dabei nicht nur die unmittelbar umweltschaedlichen Stoffe, die aus den Verbrennungsprozessen der heute ueblichen Flugmotoren (Turbinen und-Kolbenmotoren) resultieren, namens Stickoxide, Russ und Kohlenmonoxid. Gravierendere Konsequenzen drohen vielmehr aus der Emission langfristig klimaverandernder Substanzen, vornehmlich dem Eintrag von CO2 in die Armosphaere sowie der Freisetzung von Wasserdampf in hohen Luftschichten (der auf den Luftverkehr zurueckgehende Klimaerwaermungsanteil dieser, beiden Substanzen betraegt aktuell bereits 3,5%). Insbesondere der Eintrag von Wasserdampf in Flughoehen von ueber 8 Kilometern ist ueberaus schaedlich - da sich ab dieser Hoehe Kondensstreifen bilden, die massiven Einfluss auf das Klimageschehen haben. Denn da Kondensstreifen nach ihrer Entstehung unter Urnstaenden bis zu 17 Stunden lang existieren, bevor sie zerfallen, koennen sie in diesem Zeitraum ihr - den Waermehaushalt der Erde negativ beeinflussendes - Potential voll entfalten..Die zu erwartende Zunahme an Kondensstreifenbewoelkung wird laut einer Untersuchung von Forschern des Deutschen Zentrums fuer Luft und Raumfahrt bis zum Jahr 2050 drei mal so starke Auswirkungen auf das Klima haben, wie im zugrundegelegten Vergleichsjahr 2006. Dies haette dann sogar noch staerkere Klimaauswirkungen zur Folge als die CO2-Emissionen der Flugzeuge (angenommen wurde bei dieser Studie eine Vervierfachung des Luftverkehrs bis 2050, veroeffentlicht wurde diese Studie im Fachblatt Athmospheric Chemistry and Physics im Jahr 2019).
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Die heute bekannten Loesungsansaetze, die zur Reduzierung von schaedlichen Emissionen im Luftverkehr erwogen werden, umfassen z.B. alternative Treibstoffe - die aber nach wie vor in Turbinen verbrannt wuerden. Dazu zaehlen z.B. die sogenannten synthetischen Treibstoffe / e-Fuels (die zwar CO2-emissionsneutral waeren) bei deren Umsetzung aber natuerlich trotzdem weiterhin Stickoxide und selbstverstaendlich auch Wasserdampf emittiert werden wuerde. Das gleiche gilt fuer den Treibstoff Wasserstoff. Denn auch bei seiner Verbrennung (mit Luft, also Stickstoffpraesenz) entstehen infolge der enormen Hitze in den Turbinen nach wie vor Stickoxide und ebenso auch Wasserdampf, eben wie eh und je. Zudem ist Wasserstoff ein sehr kaprizioeses Element, das enorme Probleme bei seiner Speicherung aufwirft - schon alleine deshalb wird Wasserstoff wohl niemals eine bezahlbare und daher akzeptable Option fuer einen zukunftsfaehigen, umweltfreundlichen Langstrecken-Passagierflugverkehr werden. Zudem wird natuerlich naheliegenderweise auch auf rein elektrische Antriebe gesetzt, die allerdings auf Basis elektrochemischer Stromspeicher (Akkus) niemals genuegend Energiedichte anbieten werden koennen, um Langstreckenfluege zu ermoeglichen. Der aus heutiger Sicht einzige gangbare Weg, der sowohl genuegend Energieinhalt anbietet als auch Umweltfreundlichkeit garantiert (da weder eine Stickoxid noch CO2-Problematik besteht), eroeffnen lediglich Brennstoffzellen, bei deren Einsatz Wasserstoff in einer kontrollierten Reaktion umgesetzt wird - woraus dann nichts weiter als Strom und Wasserdampf resultieren. Und selbst die erwaehnten Probleme der reinen Wasserstoffspeicherung lassen sich durch Umstieg auf Methanol loesen - einem Alkohol, der (da fluessig) problemlos in den Flaechentanks von Flugzeugen gelagert werden kann (analog zum herkoemmlichen Kerosin) - der zudem sogar noch sicherer ist als Kerosin - da schwerer entflammbar. Als E-Fuel laesst sich Methanol (da ein sehr kleines Molekuel / CH3-OH) zudem mit weniger Prozessschritten aus sogenanntem methanisiertem Windstrom erzeugen (der Quelle fuer Treibstoffe mit neutraler CO2 Bilanz) als z.B. langkettiges E-Fuel-Kerosin. Zudem ist Methanol auch noch flexibel einsetzbar. Es laesst sich z.B. problemlos in einer Brennstoffzelle umsetzen (mit vorgeschaltetem Reformer, wobei in diesem Falle ein Methanol-Wasser-Gemisch zum Einsatz kommt / Verhaeltnis von 60 : 40). In diesem Anwendungsfalle wird dann per Reformer der Wasserstoff abgespalten und anschliesend in der Brennstoffzelle zu elektrischer Energie und Wasser umgesetzt. Derartige Reformer arbeiten zwar momentan noch bei relativ hohen 300 °C, aber vielversprechende Forschungsergebnisse des Leibniz-Instituts für Katalyse (Likat) lassen erwarten, dass eine Methanolspaltung bald sogar bei ‚milden Bedingungen‘/ unter 100°C moeglich sein wird. Zudem laesst sich Methanol aber auch in konventioneller Art und Weise in herkoemmlichen Turbinentriebwerken verbrennen (denn Gasturbinen koennen problemlos mit Alkohol (also z.B. auch Methanol) befeuert werden, sie wuerden sogar Rasierwasser (da gleichfalls alkoholbasiert) tolerieren. Denn da die perspektivisch zu erwartenden Brennstoffzellenleistungen zunaechst noch nicht ausreichen werden um schon morgen ein komplett per Brennstoffzellenenergie betriebenes Langstreckenpassagierflugzeug konzipieren zu koennen (da die Startleistungen, die derartige Maschinen erfordern, enorm sind) werden zunaechst einmal Muster mit einem sogenannten Hybridantrieb zum Einsatz kommen - die zwar 2 Drittel ihres notwendigen Startschubbedarfs noch per Verbrennungsturbine erzeugen muessen, aber zumindest ihren Reiseflugantrieb bereits ausschliesslich mittels brennstoffzellengenerierter Energie bewaeltigen werden koennen (denn hierfuer reicht schon ein Drittel der Startschubleistung eines derartigen Flugzeuges aus). Ein solches, mit einem Hybridantrieb auf Methanolbasis ausgestattetes Passagierflugzeug muss somit in seinen Flaechentanks nur eine einzige Treibstoffart (Methanol) mitfuehren, die dann in den beiden unterschiedlichen, an Bord zur Anwendung kommenden Energieumsetzungsformen Verwendung findet. Natuerlich emittieren auch Flugzeuge mit einem Hybridantrieb, die im Reiseflug ausschliesslich von brennstoffzellengenerierter elektrischer Energie angetrieben werden, dabei wiederum Wasser in Form von Wasserdampf oder Heisswasser in die Atmosphaere - was oberhalb von 8 km Flughoehe dann unvermeidlich doch wieder zu schaedlicher Kondensstreifenbildung fuehrt (auch wenn diese mit geringerer Wirksamkeit entstehen als bei Verbrennungsmotorenabgasen, da das Kathodenabgas einer Brennstoffzelle keine Russteilchen als Kondensationskeime enthaelt).
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Zumindest einen Teil der Wasserabgabe in die Atmosphaere oberhalb von 8000 Hoehenmeter durch ein solches Hybridflugzeug laesst sich aber vermeiden, indem dieses Wasser zur Brauchwasserversorgung an Bord ver wendet wird. Dies wurde durch die HAW Hamburg bereits im Jahr 2011 in einem Projekt namens ‚Multifunktionale Brennstoffzelle‘ erfolgreich nachgewiesen. Dabei wird der Wasseranteil aus dem Kathodenabgas abgespalten, auskondensiert und abgekuehlt - und dann in Brauchwassertanks im Bereich des Druckrumpfes eingelagert. Dadurch laesst sich das Flugzeugstartgewicht dann in nicht unerheblichem Masse reduzieren (um das vor dem Start dann nicht mehr zu bunkernde Brauchwassergewicht) und infolgedessen dann viel Treibstoff einsparen.
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Bei einem derartigen Langstreckenpassagierflugzeug in Hybridauslegung fallen aber selbst im schubreduzierten Reiseflugmodus (mit reinem Brennstoffzellenbetrieb) derart grosse Mengen an Wasser an, dass an dessen Abgabe in die Atmosphaere kein Weg vorbeifuehrt. Ein Vergleich mit einem heutigen Langstreckenpassagierflugzeug, dem Airbus A 321 XLR (der dabei noch das kleinste Muster am Markt ist und ein relativ geringes Startgewicht von nur ca. 100 Tonnen auf die Waage bringt) macht dies deutlich: Dieses Modell, das mehr als 200 Passagiere transportieren kann, verbraucht im Reiseflugmodus 2,9 Tonnen Kraftstoff pro Stunde - den dessen Turbinen mit einem Wirkungsgrad von um die 40% in Schub umsetzen. Fuer ein Hybridflugzeug mit Methanol-Brennstoffzellenantrieb im Reiseflugmodus wuerden aehnliche Werte gelten (wobei Brennstoffzellen zwar sogar noch einen hoeheren Wirkungsgrad als Gasturbinen aufweisen, das als Treibstoff verwendete Methanol aber einen geringeren Energieinhalt besitzt). Letztlich duerfte bei einem - mit einem Hybridantrieb ausgestatteten - Langstreckenmuster à Ia A 321 XLR, das seine fuer den Reiseflug notwendige Energie alleine mittels Brennstoffzellen generiert, mit einem Kathodenabgas-Wasseraufkommen von mindestens 3 Ton.nen pro Stunde kalkuliert werden (denn obwohl zwar Eingangs, im vorgeschalteten Reformer, CO2 abgespalten wird, was sich gewichtsmindernd auswirkt, wird dann anschliessend - im Zuge der Brennstoffzellenreaktion - Luftsauerstoff in aehnlichem Gewichtsumfang wieder aufgenommen) Theoretisch liesse sich zwar sogar der gesamte Wasseranteil, der sich aus dem Kathodenabgas abtrennen laesst, abkuehlen und umweltentlastend an Bord einlagern - praktisch wuerde sich dadurch aber das Flugzeuggewicht im Reiseflugmodus - ueber den ganzen Flug hinweg betrachtet - derart erhoehen, dass die Reichweitenleistung ‚in den Keller‘ ginge - weshalb sich derartige Ueberlegungen verbieten.
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Nun kann man aber die Flughoehe von Langstreckenverkehrsflugzeugen aus Klimaschutzgruenden auch nicht einfach auf 8 km limitieren, um auf diese Weise dem Problem der Kondensstreifen zu begegnen. Denn um schnell und weit (da zu interkontinentalen Zielen) fliegen zu koennen, ist es erforderlich in Hoehen aufzusteigen, wo die Luft duenn und daher wiederstandsarm ist, d.h. auf mindestens 10 bis 12 km Flughoehe. Zudem ist der Bereich unterhalb von 10 km Flughoehe die wetteraktive, sprich turbulente Flugzone. Es ist Passagieren nicht zuzumuten, sich den Belastungen, die aus diesem Umstand resultieren, ueber die Dauer eines kompletten, interkontinentalen Fluges hinweg, also viele, viele Stunden lang, auszusetzen.
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Aufgabe muss es daher sein, ein Langstreckenverkehrsflugzeug aus Klimaschutzgruenden zwar insbesondere im Reiseflugmodus per Elektromotor anzutreiben, der mit elektrischer Energie gespeist wird, die mithilfe eines Brennstoff-zellen-Verbundes generiert wird, dann aber dafuer zu sorgen, dass von dieser Antriebskonstellation schon ab dem Erreichen einer Flughoehe von 8 km sowie darueber hinausgehend keine Wasserdampf-oder Heisswasser-emissionen mehr in die Atmosphaere abgegeben werden - und somit jeder Kondensstreiferibildungsgefahr vorgebeugt werden kann.
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Diese Aufgabe wird geloest durch das erfindungsgemaesse, neuartige Langstreckenverkehrsflugzeug gemaess den Anspruechen 1-10.
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Dabei werden bei einem Langstreckenpassagierflugzeug, das in einer Auslegungsform mit Hybridantrieb vorliegt und daher seine Energieerzeugung im Reiseflugmodus ausschliesslich mittels Brennstoffzellen generieren kann, zukuenftig ab dem Erreichen einer Flughoehe von 8000 Metern Hoehe komplett alle Wasseranteile, die mit dem Kathodenabgas aus dessen Brennstoffzellenverbund austreten, mittels Waermetauscher innerhalb der Flugzeugzelle auskondensiert und abgekuehlt - also nicht nur der Anteil, der sich an Bord als Brauchwasser einlagern laesst, sondern das gesamte, anfallende Wasseraufkommen. Somit kann sicherfestellt werden, dass anschliessend beim Ablassen des Ueberschusswassers nur kaltes Wasser in die Atmosphaere gelangt, und keinerlei heisses. Denn Heisswasser wuerde sich ja erfahrungsgemaess sofort in winzigste Eiskristalle, sprich Kondensstreifen verwandeln - wohingegen kaltes Wasser nicht mehr ueber dieses Potential verfuegt. Den Grund dafuer bildet ein Naturphaenomen, das ‚Mpemba-Paradoxon‘ genannt wird. Vereinfacht ausgedrueckt, besagt dieses Naturphaenomen, dass heisses Wasser schneller gefriert als kaltes.
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Benannt ist dieses voellig unglaubliche Phaenomen nach einem 13-jährigen Jungen aus Tansania namens Erasto Mpemba, der im Jahr 1963 diesen ueberraschenden Eis-Schnellfrier-Effekt (der heute seinen Namen traegt) entdeckte (weil Erasto 1963 in einem Schulkurs zur Speiseeisherstellung nicht warten wollte, bis seine heisse Milchcremebasis zur Speiseeisproduktion abgekuehlt war - und sie daher - entgegen der Anweisung seines Lehrers - noch warm in den Eisschrank stellte - worauf sich - oh Wunder - ergab, dass seine waermere Mischung schneller gefror als die kuehlen Mischungen seiner Schulkameraden, die diese gemaess Lehrer-Anweisung erst abgekuehlt im Eisfach deponierten).
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Auf Basis dieses ‚Mpemba-Paradoxons‘ laesst sich ein sehr eindrueckliches und aussagekraeftiges Experiment durchfuehren, das neuerdings unter dem Begriff Dubak-Challenge populaer wurde (Dubak ist Russisch und bedeutet umgangssprachlich ‚Saukaelte‘). Dabei wird im kaeltesten Winter Ost-Sibiriens, wenn dort Umgebungs-Tiefsttemperaturen bis hinab zu - 30° C vorliegen (besser noch sind - 40° C) kochend heisses Wasser aus einem Topf so kunstvoll ‚in einem Schwall‘ in die Luft geschleudert, dass sich dieses dort so fein wie irgend moeglich verteilt - und sich dadurch eine groesstmoegliche Oberflaeche erreichen laesst (wodurch sich also ein maximaler Zugang ultrakalter Luft zum kochend heissen Wasser einstellt). Daraufhin passiert etwas beeindruckendes: Das heisse, in die Luft geschleuderte Wasser kristallisiert so rasend schnell zu feinsten Eiskristallen - quasi geradezu explosiv schnell - dass es in der Luft zu einer Art Schleier verpufft - dessen feinste Bestandteile anschliessend dann geraume Zeit ueber dem Boden in der Luft schweben. Man kann diesen Vorgang daher auch als ‚Spontankristallisierung‘ bezeichnen. Und das ganz ueberraschende dabei: Dieser Versuch funktioniert nur, wenn er mit kochend heissem Wasser durchgefuehrt wird. Wird kaltes Wasser verwendet, erreicht dieser Schwall den Boden nach wie vor einfach nur als kaltes Wasser. Die mit kaltem Wasser erreichbare Gefriergeschwindigkeit reicht also (gemaess des ‚Mpemba-Paradoxons‘) offensichtlich nicht aus, um eine Spontankristallisierung herbeizufuehren. Das bedeutet nichts anderes als, dass die Temperaturspanne dabei nicht gross genug ist! Denn waehrend bei der Verwendung von +100 °C heissem Wasser, das in - 30 °C bis - 40 °C kalte Luft geschleudert wird, eine Temperaturspanne von annaehernd 140° C erreicht wird - somit genuegend ‚Spannung‘ zwischen den beiden Temperaturniveaus (‚Ladungsextremen‘) besteht, dass es eben zur Spontankristallisierung kommen kann, wird beim gleichen Vorgang auf Basis von kaltem Wasser nur eine Temperaturspanne von 40° C bis 50° C erzielt (eben der Differenz von kaltem Wasser (von z.B. um die 10° Cbis 15° C) zur kalten Aussenluft von - 30° C bis - 40° C. Diese vergleichsweise geringe Temperaturspanne von nur etwa 50° C reicht ganz offensichtlich also nicht aus, um eine Spontankristallisierung herbeizufuehren, sprich fluessiges Wasser in einer annaehernd explosiven Weise in winzigste Eiskristalle umzusetzen. Und diese Gesetzmaessigkeiten gelten selbstverstaendlich auch bei der Entstehung von Kondensstreifen in Hoehen oberhalb von 8000 Metern. Denn waehrend auf 5000 Metern Flughoehe, wo normalerweise lediglich ein Kaelteniveau / eine Umgebungstemperatur von - 20 °C herrscht, ‚es eben unuebersehbar noch nicht zur Bildung von Kondensstreifen ausreicht‘ (obwohl Wasser ja eigentlich schon ab 0 °C zu Eis gefriert), sind ab 8000 Hoehenmetern und darueber hinaus dann offenbar die Voraussetzungen gegeben, die eine Spontankristallisierung von heissem Wasser ermoeglichen. Die Tatsache, dass auf diesen Flughoehen ja zudem auch noch ein wesentlich geringerer Luftdruck herrscht als am Boden, unterstuetzt den Spontan-Kristallisierungsprozess dann sogar noch zusaetzlich (auf 8.000 Metern Hoehe betraegt der Luftdruck nur noch 35% des Wertes auf Meereshoehenniveau, auf Reiseflughoehe von 12.000 Metern sind es gar nur noch 20%). Der Prozess der Spontankristallisierung kann auf diesen Hoehen daher nicht einmal mehr wirksam durch Luftmolekuele abgebremst werden, da diese ja nur noch in stark reduzierter Anzahl vorliegen - wodurch sich noch feinere und damit laenger schwebefaehige Eis-Kristallstrukturen ausbilden koennen. Zudem treten die Abgase aus den Verbrennungsturbinen der heute am Himmel verkehrenden Passagierjets ja extrem heiss aus - d.h. deren Wasseranteil liegt sogar heissdampffoermig vor, und weist somit eine noch viel groessere Temperaturspanne auf als ‚normales Heisswasser‘ (was den Prozess der Spontankristallisation noch weiter unterstuetzt). Aber letztlich ist es egal, ob das Wasser, wie bei der Dubak-Challenge oder in Form eines Brennstoffzellen-Reaktionsprodukts, nun ‚nur‘ +100° C heiss ist oder ob es (in Heissdampfform aus eine Jet-Turbine) ein noch wesentlich hoeheres Temperaturniveau erreicht, das Resultat am Himmel ist immer dasselbe: Linien aus winzigsten Eiskristallen namens Kondensstreifen, die oft viele, viele Stunden den Himmel bedecken und dort ihr klimaschaedliches Potential voll entfalten koennen - bevor sie sich dann irgendwann aufloesen.
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Ein erfinderisches Langstreckenverkehrsflugzeug, das seinen Reiseflugantrieb / sprich seinen Vortrieb oberhalb von 8000 Hoehenmetern also mithilfe elektrischer Energie bewerkstelligt, die von Methanol-Brennstoffzellen generiert wurde, kann somit durch Abkuehlung / Auskondensierung des Brennstoffzellen-Reaktionsproduktes Wasser, bevor dieses an die Umwelt abgegeben wird, das Mpemba-Paradoxon vermeiden und infolgedessen die Bildung von Kondensstreifen zukuenftig komplett unterbinden. Diese im Luftfahrtsektor voellig neue Perspektive ergibt sich jetzt erstmalig - und eben nur dadurch, dass Brennstoffzellen zur Basis des Flugzeugantriebs oberhalb von 8000 Metern / im Reiseflugmodus werden (und die bisher dort eingesetzten, auf Verbrennung basierenden Gasexpansionsmotoren / Kolben und-Turbinen-Motoren / aufs Altenteil schicken). Denn das Resultat der Kraftgenerierung einer Brennstoffzelle manifestiert sich bekanntlich in elektrischem Strom, weshalb ihrem Abgas keinerlei nutzbare Antriebskraft innewohnt. Ganz anders beim heute in der Luftfahrt ueblichen Turbinenantrieb. Wuerde man bei dieser (konventionellen) Antriebsform, die sich durch schnelle, schubgenerierende Expansion von Verbrennungsabgasen auszeichnet, versuchen, den Wasseranteil auszukondensieren und aufzufangen, waere dies massiv antriebskraftvernichtend - und daher generell unmoeglich.
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Erfinderische Langstreckenverkehrsflugzeuge, die mit einer derartigen Wasserabkuehlungstechnik ausgestattet sind, die also in der Lage sind, auf diese Weise eine Kondensstreifenbildung ab 8000 Metern Flughoehe komplett zu vermeiden, kann man treffenderweise als Care-Liner bezeichen. Diese Wortschoepfung leitet sich dabei nicht nur vom bekannten Begriff ‚Care‘ + Airliner ab (also dem englischen Synonym fuer bewahren - sprich, dem Vermoegen derartig konfigurierter Air-Liner, das Weltklima zu bewahren (wobei auch das Adjektiv ‚konservieren‘/ to conserve mit eingeschlossen ist), sondern verweist zudem auch noch direkt auf die Art der Technologie, mit der dies bewerkstelligt wird, naemlich mittels Kuehlung (engl. Cooling) sowie (Aus-) Kondensierung (engl.Condensation → wobei ein umfangreicher Kondensationsvorgang insbesondere im Hinblick auf zukuenftig projektierte Hochtemperatur-PEFC-Brennstoffzellen mit Heissdampfabgasen stattfinden wird, weshalb dieser Begriff hier bereits mit einfliesst). Zudem schliesst diese Wortschoepfung auch das Vermoegen derartiger, erfinderischer Langstreckenverkehrsflugzeuge mit ein, lediglich kaltes Wasser abzugeben, das nur noch zur Normaleisbildung faehig ist →sprich, der Bildung von Massiveis, also nur langsamer, konventioneller Kryotechnik (engl. Cryotechnology). zu grobpartikulaerem Eis gefriert - und das Phaenomen der ‚explosiven Spontankristallisation‘ vermeidet. All dies zusammen fuehrt dann schliesslich zum Resultat eines ‚klimafreundlichen‘ Air-Liners / sprich, in internationaler/ englischsprachiger Wortdefinition dann zum ‚climatefriendly air-liner‘ = ‚Care-Liner‘.
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Und auch wenn ein derartiger Care-Liner zunaechst noch einen Hybridantrieb aufweisen wird, also ueber 2 unterschiedliche Antriebe in einem Fluggeraet verfuegen wird, seinen Start, Steig und - Landeanflug daher zunaechst noch ueberwiegend auf Basis von Verbrennungsturbinenschub absolvieren wird (→ zwei Drittel der Antriebskraft - welche vorteilhafterweise aber zumindest E-Fuel-Methanol verbrennen, sprich synthetisch erzeugten, CO2-neutralen Kraftstoff) und der Brennstoffzellenantrieb dabei lediglich als ‚Juniorpartner‘ mitwirken wird → ein Drittel der Antriebskraft, wobei er aber den Reiseflugantrieb bereits komplett alleine verantworten wird) ist dennoch klar, dass auf Dauer ein Flugzeug, das 2 verschiedene Antriebe mitfuehrt, nicht die optimale Wahl sein kann - da eine derartige Auslegung immer Zusatzgewicht bedeutet. Daher wird die Brennstoffzellentechnologie ueber kurz oder lang letztlich die einzig verbleibende Kraftquelle bei zukuenftigen Care-Liner Baulinien sein - im Verlauf der Zeit dann also vollumfaenglich fuer alle Betriebszustaende verantwortlich sein und - per Brennstoffzellenstrom getrie-benen Elektro-Impellern - dann auch die Schubkraftbereitstellung fuer Start, Steig und - Lande-anflug uebernehmen. Derartige Care-Liner, also reine Brennstoffzellenmuster, die ihr Reaktionsprodukt Heisswasser ab 8000 Metern Flughoehe kuehlen, bevor sie es an die Umgebung abgeben, werden dann tatsaechlich erstmalig ueber komplette Klimaneutralitaet und Umweltvertraeglichkeit verfuegen - und ohne jegliche schaedliche Emissionen unterwegs sein.
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Besonderer Vorteil: Bei einem Care-Liner ist die Abkuehlung des kompletten Kathodenabgas-Wasseranteils lediglich oberhalb von 8 km Flughoehe notwendig - also nur dort, wo idealerweise ein grenzenloses Kuehlpotential zur Verfuegung steht
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Die ersten Care-Liner Baulinien werden wie erwaehnt ueber einen Hybrid-Antrieb verfuegen, bei dem sich lediglich der Antrieb im Reiseflugmodus komplett auf Basis von brennstoffzellengenerierter, elektrischer Energie abwickeln laesst - da hierfuer nur ein Drittel der Startschubleistung erforderlich ist. In den Flugphasen Start, Steigflug und Landeanflug wird noch die Unterstuetzung herkoemmlicher Verbrennungsturbinen erforderlich sein - die dann z.B. in der Startphase, wenn Maximalschub erforderlich ist, die restlichen 2 Drittel an Schubkraft beisteuern muessen.
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Um also in der Startphase eines Care-Liners das eine, notwendige Drittel an Schubleistung, das mittels brennstoffzellengenerierter Energie zu bestreiten ist, leisten zu koennen, muss der Brennstoffzellenverbund quasi bereits ab ‚Flughoehe 0‘ seine maximal moegliche Leistung abgeben. In diesen niedrigen Flughoehen im Anschluss an den Start (also ‚Flughoehe 0‘ und waehrend des Steigfluges), kann der gesamte, dabei anfallende Wasseranteil des Kathodenabgases dann einfach direkt als Heisswasser, in die Umgebung abgegeben werden. Denn erstens besteht ja unterhalb von 8000 Hoehenmetern keine Gefahr der Kondensstreifenbildung - und zweitens stuende - angesichts der ueblicherweise ‚warmen‘ Umgebungsluft in niedrigen Flughoehen ohnedies noch kein ausreichendes Kuehlpotential zur Verfuegung, um die Brennstoffzellen-Reaktionsprodukte Wasserdampf und Heisswasser auskondensieren sowie abkuehlen zu koennen. Aber bereits im Verlauf des Steigfluges aendert sich diese Sachlage. Da die Aussenluft ab etwa 5000 Hoehenmetern dann bereits Minustemperaturen von - 20° C zur Verfuegung stellt, kann bereits lange vor Erreichen der kritischen Flughoehe von 8000 Hoehenmetern (ab der eine Auskondensierung und Abkuehlung des Kasthodenabgas-Wasseranteils aus klimatischen Gruenden dann unerlaesslich wird) mit der Kuehlarbeit begonnen werden. Man koennte auch sagen: Bereits kurz nach dem Verloeschen der Anschnallzeichen in der Passagierkabine stehen aussenluftseitig Konditionen zur Verfuegung, die z.B. die Wassergewinnung eines Care-Liners (aus dessen Kathodenabgas) zum Auffuellen von dessen Brauchwassertanks moeglich machen. Ein Care-Liner kann also mit nahezu leeren Brauchwassertanks starten - und trotzdem den Passagieren an Bord sofort umfangreichen Brauchwasserzugang (z.B. fuer deren Toilettennutzung) garantieren. Da das Kuehlpotential auf 5000 Hoehenmetern (mit der dort bestehenden Aussentemperatur von ca. -20° C) aber noch relativ klein ausfaellt, waere ohnedies noch nicht viel mehr moeglich als eben diese Minimalleistung ‚Brauchwassergewinnung fuer die Vakuum-Toiletten‘ eines Care-Liners zu exekutieren. Das meiste Wasser geht in dieser Hoehe daher nach wie vor noch in Form von ungekuehltem Ueberschusswasser ueber Bord. Auf Hoehen ab 8000 Metern bis hinauf zur Reiseflughoehe von 12.000 / max. 13.000 Hoehenmetern, aendert sich dann dieses Bild. Denn dort oben besteht dann erstens Zugriff auf das in grenzenlosem Umfang zur Verfuegung stehende, ultrakalte Aussenluftpotential (mit Tiefstwerten von -50° C oder sogar -60° C) und zweitens ist mit dem Uebergang in den Reiseflugmodus dann fuer einen geradezu gigantischen Kuehlluftdurchsatz durch den Waermetauscher gesorgt (angesichts der typischen Geschwindigkeit von um die 1000 km/h, mit der Passagierflugzeuge dabei ueblicherweise unterwegs sind). Dadurch wird dann die Auskondensierung und Abkuehlung des kompletten Kathodenabgas-Wasseranteils eines Care-Liners problemlos moeglich. Da das Auffuellen der Brauchwassertanks relativ schnell abgeschlossen werden kann, geht dann das komplette, produzierte Kaltwasseraufkommen als Ueberschusswasser ueber Bord. Als ein - im Sinne des Klima und-Umweltschutzes - komplett ungefaehrliches Produkt, da von ihm keinerlei Kondensstreifenbildungsgefahr mehr ausgeht.
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Besonderer Vorteil: Das oberhalb von 8000 Hoehenmetern abgelassene Kaltwasser endet als ungefaerliches, kleinpartikulaeres Eis (Graupel):
- Wenn das Brennstoffzellen-Abwasser eines Care-Liners, nachdem es innerhalb von dessen Flugzeugzelle zu kaltem Wasser herabgekuehlt wurde, das Temperaturen von nur noch etwa + 10° C bis +15° C aufweist, dann in die Aussenluft abgelassen wird, zerstiebt es durch den starken Fahrtwind, der bei der anliegenden Reisefluggeschwindigkeit von annaehernd 1000 km/h herrscht, sofort in kleine Troepfchen, die sich daraufhin dann rasch in normales, solides Eis verwandeln - was im Ergebnis zu einer Art Graupelkonsistenz fuehrt. Ein solcher Graupel-Eispartikelzustand ist kompakt und schwer genug, um sich infolge der Gravitation in Form einer Eisgraupel-Schleppe umgehend auf den Weg in Richtung Erdboden aufzumachen - wobei sich die Graupel in dem Moment, in dem sie tiefere, dichtere und waermere Luftschichten erreichen, dann einfach wieder in (dann harmlosen) Wasserdampf ohne klimaschaedigendes Potential aufloesen. Da die Eisgraupel, die auf Reiseflughoehe entstehen, aufgrund des enormen, anliegenden Flugzeugfahrtwindes also nur eine sehr kleine Koernung erreichen koennen, ist auch mit keinerlei Problem zu rechnen, falls sich einmal die Flugwege zweier Flugzeuge, die auf hohen Flugflaechen unterwegs sind, kreuzen sollten - und dabei das eine Flugzeug ein Care-Liner ist, in dessen Eispartikel-Abwurfschleppe dann das andere Flugzeug geraten sollte. Denn von einer derartigen Konstellation ginge keinerlei Eispartikel-Kollissions-Gefahr aus.
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Besonderer Vorteil: Da im Reiseflug nur eine stark reduzierte Antriebsleistung von einem Drittel des Flugzeugmaximalschubs notwendig ist, ist auch das zu kuehlende Wasseraufkommen eines Care-Liners relativ gering
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Das kleinste, heute am Markt verfuegbare Langstreckenpassagierflugzeug, der Airbus A 321 XLR, der 100 Tonnen Startgewicht auf die Waage bringt, benoetigt eine Startleistung von annaehernd 30 Tonnen Schub. Im Reiseflugmodus kommt er dann mit 10 Tonnen Schub aus und verbraucht dabei ca. 2,9 Tonnen Kerosin in der Stunde. Auch ein Care-Liner vergleichbarer Groesse benoetigt vergleichbar grosse Brennstoffmengen - und stoesst daraufhin - als Wasseranteil des Kathodenabgases - ca. 3 Tonnen Wasserdampf und Heisswasser pro Stunde aus (sprich: 500 kg in 10 Minuten 150 kg pro Minute / ca 1 kg pro Sekunde). Angesichts des enormen Kuehlpotentials der Aussenluft (von - 60° C auf 12.000 Metern Flughoehe) stellt das Auskondensieren/ Abkuehlen eines Wasserumfanges von lediglich einem Liter Wasser pro Sekunde um eine Temperaturspanne von nur ca. 90° C eine eher ‚bewaeltigbare‘ Herausforderung dar. (Zur Untermauerung dieser Aussage genuegt ein kurzer, vergleichender Blick auf ein wirklich aufwendiges, flugzeuggestuetztes Waermetauscher-Projekt: Beim britischen Projekt ‚Skylon‘, einem Fluggeraet, das in wenigen Jahren einstufig ins Weltall gelangen koennen soll und dabei ueber ein - in ‚niedrigen Luftschichten‘ aussenluftatmendes - Raketentriebwerk namens ‚Sabre‘ verfuegen soll, muss 1000 °C heisse Triebwerkseingangsluft auf - 196° C herabgekuehlt werden! Es muss dabei eine Temperaturspanne von sage und schreibe 1200 °C ueberwunden werden - denn die Eingangsluft muss dabei ultraschnell (in lediglich einer 20stel Sekunde) in verfluessigte Luft transferiert werden! Dafuer muss wiederum fluessiges Helium (-269 °C kalt) eingesetzt werden, Es muessen dabei quasi Hoechstschwierigkeiten am laufenden Band bewaeltigt werden).
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Die Temperaturspanne, die beim Kuehlprozes innerhalb der Flugzeugzelle eines Care-Liners notwendig wird, betraegt demgegenueber - wie bereits erwaehnt, lediglich 90° C ! Ein Grund, weshalb keinerlei komplexe Kuehltechnik zum Einsatz kommen muss, nur ein simpler Waermetauscher. Keine ultrakalten Hilfsgase, ergo faellt auch keine teure Verwahrtechnik derartiger Gase an, womit auch der Rueckgriff auf superteure Materialien entfaellt usw. usw. Der zusaetzliche Kostenaufwand, der sich im Rahmen der Integration der Kuehltechnik in einen Care-Liner ergibt, mit welchem sich dann der komplette Wasseranteil des Kathodenabgases auskondensieren und abkuehlen laesst, duerfte daher im Vergleich zum Gesamtpreis einer derartigen Maschine geradezu vernachlaessigbar ausfallen.
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Besonderer Vorteil: enormes Kuehlpotential der Aussenluft auf Reiseflughoehe kann problemlos auch zukuenftigen Hochtemperatur-PEFC-Wasserdampf auskondensieren und zu kaltem Wasser herabkuehlen
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Methanol-Brennstoffzellen gehoeren als PEFC's/ Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen zur Klasse der sogenannten Niedrigtemperaturbrennstoffzellen. Deren Reaktionsprodukt Wasser verlaesst diesen Brennstoffzellentyp bei sehr moderaten Temperaturen von etwa 100° C (oder etwas weniger), weshalb Wasseranteile des Kathodenabgases beim Betrieb unter Normalbedingungen (Luftdruck auf Meereshiehe) teilweise sogar bereits in fluessiger Form austreten, Die liegen allerdings im Druckrumpf eines Care-Liners (wo dessen Brennstoffzellen verortet sind) nicht vor. Denn dort herrscht der - bei Passagierflugzeugen uebliche - reduzierte Kabinendruck, der einem Druckniveau entspricht, wie man es auf 2000 Hoehenmetern vorfindet. Unter derartigen Bedingungen geht Wasser bereits bei 93° Celsius in den dampffoermigen Aggregatszustand ueber, weshalb der Wasseranteil des Brennstoffzellen-Kathodenabgases eines Care-Liners ueberwiegend als dampffoermiges Wasser austritt - daher muss zunaechst auskondensiert werden, bevor dann die Fluessigphase abgekuehlt werden kann (auf's angestrebte Kaltwasser-Temperaurniveau von 10° bis 15°C, was aber - wie bereits erwaehnt - bei einer zu bewaeltigenden Temperaturspanne von lediglich 90° C und der dabei gleichzeitig grenzenlos verfuegbaren kalten Aussenluft auf Reiseflughoehe einer ziemlich dankbaren - sprich leichten - Aufgabenstellung gleichkommt).
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Und obwohl es tatsaechlich perspektivisch Plaene gibt, PEFC's in Zukunft als Hochtemperatur-PEFC's arbeiten zu lassen - und damit noch wesentlich effizienter als bisherige Muster dieser Brennstoffzellenklasse - wobei dann hoehere Betriebstemperaturen (von 180° Celsius) erreicht wuerden, aendert auch dies nichts an der nach wie vor komfortablen Kuehlsitation. Denn auch die sich infolgedessen dann neuerdings ergebende Temperaturdifferenz von ca. 170°C, die beim Auskondensieren / Herabkuehlen des anfallenden Brennstoffzellen-Wasserdampfes dann zu bewaeltigen ist, gleicht angesichts des erwaehnten ‚Skylon‘- Beispiels und in Anbetracht des auf 12.000 Hoehenmetern bestehenden, ungemein vorteilhaften Aussenluft-Kuehlpotentials, noch immer einem Kinderspiel.
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Besonderer Vorteil: im Flugzeugheck verorteter Waermetauscher ermoeglicht bei einem Care-Liner Rumpfproportionenen ‚wie ueblich‘, ergo: voll kompatibel zur existenten Flughafeninfrastruktur (sprich Fluggastbrueckenzugang und Flugzeuggepaeckraumlayout ‚wie gehabt‘)
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Die typischen, einen Care-Liner rumpfseitig definierenden Elemente sind der Verbund aus Brennstoffzellen und der Waermetauscher. Die vorteilhafteste Auslegung eines Care-Liners ist dabei die, diese beiden Anlagen im Heckbereich eines Care-Liners unterzubringen. Da der Waermetauscher logischerweise ausserhalb des Druckrumpfes positioniert sein muss (da er ja insbesondere direkten Zufluss von eiskalter Aussenluft benoetigt) bietet sich fuer ihn als vorteilhafteste Position somit natuerlicherweise der sich verjuengende Heckkonus eines Care-Liners an. Da der Brennstoffzellenverbund hingegen innerhalb des Druckrumpfes lokalisiert ist, gebietet es die Logik, ihn so nahe wie moeglich ans Druckschott zu verorten (im Frachtraum oder einem separaten Segment hinter der dort ueblicherweise lokalisierten Galley (Bordkueche) - da sich bei einer derartigen Komponenten-Anordnung dann vorteilhafterweise auch der Weg, den das Brennstoffzellen-Reaktionsprodukt Wasserdampf bis zur Waermetauschereinheit zuruecklegen muss, sehr kurz halten laesst.
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Der Waermetauscher selbst weisst vorteilhafterweise die typischen Konstruktionsmerkmale derartiger Einheiten auf, wobei das zu kuehlende Wasser generell in moeglichst umfaenglichen Kontakt mit den aussenluftgekuehlten Metallwandungen des Waermetauschers gebracht wird. Die vorteilhafteste Konstruktionsweise zum Erreichen dieser Zielsetzung ist dabei die, das Sammelrohr (welches das Kathodenabgas aller Brennstoffzellen aufnimmt) im Waermetauscher in mehrere Kanaele aufzuteilen, die sich zu Hohllamellen mit sehr duennem Querschnitt aufweiten. Diese Hohllamellen, durch die das Kathodenabgas inkl. Wasserdampf gefuehrt wird, werden dabei dann von der eiskalten Aussenluft umspuelt. Die Kuehlluftmenge laesst sich dabei vorteilhafterweise ueber einen verstellbaren Aussenluftzulass (z.B. Nazca-Hutze) regeln. Das Ablassen des herabgekuehlten, kalten Wassers, das nur noch +10° C bis +15° C aufweist, ist bei einer Geschwindigkeit von fast 1000 km/h dann eine mehr oder weniger heikle Aufgabe, da derartiges Wasser beim geringsten Kontakt mit der Flugzeugzelle dort sofort festfrieren wuerde (da die aeussere Oberflaeche der Flugzeigzelle auf Reiseflughoehe ja die selbe Temperatur aufweist wie die Aussenluft, also - 60° C. Deshalb ist es wichtig, den Ablasspunkt an das absolute Care-Liner-Ende zu verlegen, also an die Spitze des Heckkonuses, dort wo bei heutigen Airlinern der Abgasauslass der APU sitzt. Da ein Care-Liner ja aber (wie beschrieben) ja zunaechst einmal als Hybrid-Antriebsversion auf den Markt kommen wird, ist dessen Heckkonusende quasi unvermeidbar mit einem Elektro-Impeller-Antrieb belegt, der den Brennstoffzellen-Strom in Schuberzeugung umsetzt. Unter aerodynamischen Gesichtspunktien ist dies einfach die vorteilhafteste Position fuer ein solches Aggregat, denn am Flugzeugfluegel sitzen ja nach wie vor die (zwei) Verbrennungsturbinen, die in den Flugphasen mit hohem Schubbedarf 1Start! Steigflug/Landeanflug) aktiviert werden und den Hauptschubbeitrag leisten muessen. (Waehrend des Reiseflugs sind sie jedoch inaktiv - und bringen ihre verstellbaren Blaeserschaufeln daher dann in ‚Segelstellung‘ → ein Triebwerk mit derartigen Faehigkeiten wurden von der Firma Rolls-Royce im Programm ‚Ultrafan‘ bereits erprobt).
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Um also den aerodynamischen Gegebenheiten Rechnung zu tragen (sprich, dem Impeller am Heckkonusende den Vorrang zu geben) und trotzdem den Sicherheitserwaegungen im Hinblick auf den besten Kaltwasserablass zu genuegen, ist die vorteilhafteste Loesung dieses Positionierungsproblems eine Fuehrung des Kaltwasser-Ablassrohres durch die Hohlwelle des Elektromotors, der den Impeller antreibt. Aufgrund garantierter, vollkommener Barrierefreiheit bei dieser Kaltwasserablasssituation kann das Kaltwasser dann schon prinzipiell nirgends festfrieren - und wird dabei sogar noch (quasi als zusaetzliche Sicherheit) durch den Mantelstrom an schnell beschleunigter Aussenluft des Impellers umfangen. Alternativ bietet sich vorteilhafterweise auch noch die Moeglichkeit von 2 Impellern am Heck eines Care-Liners an (je einer links und rechts vom Heckkonus), mit dann deshalb unbesetztem Heckkonusende, sprich, frei und problemlos dort installierbarem Kaltwasserablass. Allerdings ist eine einmotorige Impellervariante unter Wiederstandsgesichtspunkten immer die vorteilhafteste aller Loesungen.
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Mit der Auslegungsform, alle Komponenten des Brennstoffzellenbetriebs sowie den Waermetauscher und den Kaltwasserablass im Heck eines Care-Liners zu positionieren, kann dann vorteilhafterweise auch sichergestellt werden, dass jede Care-Liner-Baulinie ueber nahezu identische Rumpfproportionen verfuegt, wie sie heute die etablierten konventionellen Flugzeugtypen aufweisen, die noch ueber einen reinen Verbrennungsturbinenantrieb verfuegen. Denn da sich der Treibstoff Methanol eines Care-Liners in gleicher Weise wie das Kerosin bei bisherigen Verbrenner-Mustern problemlos in Fluegeltanks aufbewahren laesst (und nicht wie z.B. bei projektierten Wasserstoff-Flugzeugen in voluminoesen Kryotanks im Rumpf gelagert werden muss), ist bei einem Care-Liner keine wesentlich groessere Rumpflaenge (oder Reduzierung der Passagierkapazitaet) zu erwarten - legt man als Ausgangsbasis bei diesem Vergleich die heutigen, konventionellen Muster an. Daher kann dann auch bei der zukuenftigen Abfertigung von Care-Linern (im Hinblick auf deren Gateplatzbedarf) die gesamte, bestehende Infrastruktur an den Flughaefen dieser Welt unveraendert beibehalten werden.
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Besonderer Vorteil: Ausstattung eines Care-Liners mit einem T-Leitwerk ergibt mehr Platz im Heckkonus eines Care-Liners - und ermoeglicht so volle Positionierungsfreiheit fuer die Waermerauscherintallation
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Bei der Mehrzahl der heute am Markt verfuegbaren Airliner ist das Leitwerk am Heck dieser Flugzeuge in Normalauslegung ausgefuehrt. D.h. das Rumpfheck ist die direkte Traegerstruktur saemtlicher Leitwerke - von ihm gehen beidseitig das Hoehenleitwerk (seitwaerts) sowie das Seitenleitwerk (nach oben) ab. Diese Auslegungsform belegt viel Platz im Heckkonus - insbesondere das Hoehenleitwerk und seine Rumpfverankerung okkupieren daher einen Raum, der in einem Care-Liner sehr wertvoll ist - sind dort doch unvermeidbar Waermetauscher (+Zulufteinlauf sowie Abluftauslass) und EIektromotor-Impeller lokalisiert. Als besonders vorteilhafte Ausfuehrungsform eines Care-Liners stellt sich daher die Verwendung eines T-Leitwerks heraus. Diese Leitwerksform ist zwar konstruktiv etwas aufwendiger, ermoeglicht dann jedoch die nahezu freie Belegung des Heckkonus-Innenraums mit den genannten, unverzichtbaren Care-Liner-Aggregaten Waermetauscher (inkl. Zulufteinlauf+Abluftauslass) und Elektro-Impeller. Ein T-Leitwerk zieht zudem noch einen weiteren Vorteil nach sich: Die Verlagerung des Hoehenleitwerks ans obere Ende des Seitenleitwerks ergibt eine - von Leitwerkskomponenten komplett ungestoerte Einstroemluft-Situation zum Elektrolmpeller hin (der den Reiseflugantrieb eines Care-Liners uebernimmt), der ja quasi unvermeidbar (weil dort sehr vorteilhaft wirksam) an der Heckkonusspitze positioniert ist. Da die Ausstattung eines Care-Liners mit einem mit T-Leitwerk derart vielfaeltige Vorteile nach sich zieht, duerfte diese Ausfuehrungsform daher geradezu zum unverzichtbaren Standard dieser Flugzeugkategorie avancieren.
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Besonderer Vorteil: Eine vom Heckkonusende nach unten abstehende Heckaufprall-Rippe schuetzt den dort angeschlagenen Impeller-Mantel vor Schaeden infolge einer potentiellen Bodenberuehrung
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Ein Care-Liner wird ja - wie bereits beschrieben - zunaechst einmal mit einem Hybrid-Antrieb auf den Markt kommen, welcher einen rein-elektrischen Reiseflugmodus erlaubt (auf Basis von brennstoffzellengeneriertem Strom, der einen elektromotorbetriebenen Impellerantrieb ermoeglicht). Die unter aerodynamischen Gesichtspunkten vorteilhafteste Impeller-Konstellation ist dabei - wie erwaehnt - die Positionierung eines einzelnen Impellers am Heckkonusende. Nun ist es so, dass bei allen Flaechenflugzeugen mit Bugfahrwerk im Moment des Abhebens der Bugbereich per Hoehenruderausschlag angehoben wird, um den Anstellwinkel des Fluegels (und damit dessen Auftriebsleistung) zu erhoehen. Dabei senkt sich zwangslaeufig das Heck in Richtung des Start-und-Landebahn-Bodens ab. In sehr seltenen Faellen/ z.B. bei einem Pilotenfehler / kann es dabei zu einer Bodenberuehrung kommen. Schon bei herkoemmlichen Verbrenner-Passagierflugzeugmustern ist eine derartige Bodenberuehrung extrem riskant. Bei einem Care-Liner waere sie fatal, da am Heckkonusende ja ein Impellerantrieb sitzt, der insbesonders ei-ne stark abstehende Ummantelung aufweist, die im Falle eines Bodenkontakts (ohne jede Schutzvorkehrung) sofort abgerissen wuerde - mit womoeglich drastischen Konsequenzen in punkto Antriebsleistung (speziell in Hinsicht auf einen Defekt im Moment des Abhebens) und zudem der strukturellen Stabilitaet eines davon betroffenen Care-Liners. Um die Folgen eines solchen, sogenannten ‚Tailstrike‘-Pilotenfehlers zu minimieren, ist es sehr vorteilhaft und sinnvoll, an der Unterseite des Heckkonusses eine Heckaufprall-Rippe anzuschlagen, wodurch sich zumindest der Impellermantel im ‚Falle der Faelle‘ (Bodenkontakt beim Start durch zu starken Hoehenruderausschlag) vor einem direkten Kontakt mit der Startbahn schuetzen laesst. So koennte dann zumindest ein Schubverlust in der kritischen Startphase vermieden werden (in dieser speist sich der Hybridantrieb eines Care-Liners zwar zu zwei Dritteln aus dem Schub der (2) Verbrennungturbinen an den Fluegeln, zudem aber immerhin auch noch zu einem Drittel aus dem Schub des Elektromotor-Impellers an seinem Heck).
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Besonderer Vorteil: Sicherheit eines Care-Liners wird von einem Ausfall seines Wasserkuehlsystems nicht tangiert
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Sollte die Waermetauschereinheit eines Care-Liners, die fuer die Kuehlung des Kathodenabgas-Wasseranteils des Brennstoffzellenverbundes zustaendig ist, wegen einer Fehlfunktion (z.B. wegen eines Defekts in der Steuerung der Kuehlluftzutrittsmenge) einmal ausfallen, haette dies keinerlei Einfluss auf dessen Flugtuechtigkeit. Der einzige Effekt waere dann, dass dessen Kathodenabgas Wasseranteil (in Form von Wasserdampf oder nahezu kochend heissem Wasser) dann einfach direkt und ungekuehlt in die Aussenluft abgegeben wuerde - und bei einer Flughoehe oberhalb von 8000 Metern Flughoehe dann eben doch wieder einmal Kondensstreifen entstehen wuerden (wie eben von ‚frueheren Zeiten‘ her bekannt). Da es sich dabei jedoch um eine absolute Ausnahme an Technikversagen handeln wird (die Standards fuer Zulassungsverfahren in der Luftfahrt sind sehr hoch) wird dies somit derart selten vorkommen, dass dieser eine Kondensstreifen, den ein Care-Liner mit funktionsbeeintraechtigtem Wasserkuehlungssystem dann am Himmel hinterlassen wird, praktisch unbedeutend ist im (Hinblick auf seinen Einfluss aufs Klimageschehen). Sind heute doch insgesamt mehr als 10.000 Passagierflugzeuge am Himmel dieser Welt unterwegs. Wenn die Flotte der 9999 anderen Flugzeuge im Luftverkehrseinsatz (die ja hoffentlich alle vom Typus Care-Liner sein werden) alle zuverlaessig funktionieren, wird eine der-artige, einzelne Fehlfunktion letztlich vollkommen unbedeutend bleiben. Die einzige Reaktion, die ein Flugzeug mit Kondensstreifen am Himmel dann tatsaechlich noch ausloesen duerfte, waere die Verwunderung von Kindern ueber den Flieger, der ‚einen Spinnenfaden am Himmel hinterlaesst‘. Diesem Eindruck auf Kinder werden Erwachsene dann wohl lakonisch einfach folgendermassen begegnen: Das Flugzeug, das diesen Kondensstreifen absondert, ‚das ist ein Flugzeug, das kaputt ist‘.
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Resumee:
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Nur auf Basis von Flugzeugen, die eine Kondensstreifenbildung komplett vermeiden koennen, indem sie ihre Wasserdampf / Heisswasser-Emissionen oberhalb von 8000 Hoehenmetern bereits intern, an Bord auskondensieren und abkuehlen (um sie dann entweder als Brauchwasser zwischenzulagern oder sie als kaltes Wasser abzulassen) laesst sich ein klimavertraeglicher und damit zukunftsfaehiger Lanstreckenflugverkehr abwickeln. Es steht daher ausser Frage, dass Flugzeuge, die nach dem Konstruktionsprinzip eines Care-Liners ausgelegt sind, zukuenftig den Himmel beherrschen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt:
- Zeichnung 1 : Die in Teilen aufgeschnittene Hecksektion eines erfindungsgemaessen Care-Liners in perspektivischer Darstellung, mit der numerischen Bezeichnung seiner einzelnen Komponenten
- Zeichnung 2 : Die Gesamtansicht eines Care-Liners in perspektivischer Darstellung aus einem Blickwinkel von schraeg unten, um insbesondere die Anordnung des Kuehlluft-Ein und-Auslasses sowie die Positionierung des Impellers am Heckkonusende zu verdeutlichen
- Zeichnung 3 : 2 mal die Hecksektion eines Care-Liners in perspektivischer Darstellung, mit der sich daraus ergebenden Moeglichkeit, die unterschiedliche Kaltwasserfuehrung ab Waemetauscher in den beiden typischen Betriebs-Modi zu veranschaulichen
- Zeichnung 4: Eine Schnittdarstellung durch das Heckkonusende und den sich daran anschliessenden Impeller eines Care-Liners, um insbesondere den Verlauf des Kaltwasserablassrohres zu visualisieren
- Zeichnung 5 : Die Draufsicht auf 2 unterschiedlich ausgefuehrte Hecksektitionen eines Care-Liners (mit einem einzelnen Impeller sowie mit einer Doppelimpeller-Belegung)
- Zeichnung 6 : Die perspektivische Darstellung eines Care-Liners im Flug, ababgebildet in Blickrichtung von hinten, mit der typischerweise von ihm ausgehenden Graupelschleppe, die sich als Folge seiner Kaltwasserabgabe oberhalb von 8000 Hoehenmetern ergibt
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In Zeichnung 1 ist die in Teilen aufgeschnittene Hecksektion eines neuartigen Care-Liners abgebildet, also eines Langstrecken-Passagierflugzeug das ohne schaedliche Emissionen betrieben werden kann, weil es seinen erforderlichen Schub oberhalb von 8000 Metern Flughoehe (also ueber den gesamten Reiseflugmodus hinweg) ausschliesslich per Elektro-Impellerantrieb erzeugt, wobei die dafuer erforderliche elektrische Energie von einem Brennstoffzellenverbund (1) generiert wird. Dessen Kathodenabgas-Wasseranteil wird dabei mithilfe eines Waermetauschers (2) auskondensiert und zudem soweit abgekuehlt, dass ihm kein Potential zur Kondensstreifenbildung mehr innewohnt. Das herabgekuehlte Wasser kann - anstatt es vollumfaenglich an die Aussenluft abzugeben - alternativ zu Teilen auch in einem oder mehreren Brauchwassertanks (3) an Bord zwischengelagert werden. Die Menge an Kuehlluft, mit der der Wasseranteil des Kathodenabgases abgekuehlt wird, kann dabei ueber einen regelbaren Aussenluftzulass (4) gesteuert werden, der seine Befehle von einem Temperaturfuehler (5) erhaelt, der dem Waermetauscher (2) nachgeschaltet ist. Der auskondensierte und abgekuelte Wasseranteil des Kathodenabgases wird schliesslich ueber ein Klaltwasserabflussrohr (6) an die Umgebung abgegeben, das am hinteren Rumpfende des Flugzeuges, an der Spitze des Heckkonusses (7) endet. Falls an dieser Position ein elektrisch angetriebener Impeller (8) angschlagen sein sollte, wird dieses Kaltwasserabflussrohr (6) vorzugsweise durch dessen Elektromotorhohlwelle gefuehrt. Alle Komponenten des Brennstoffzellenantriebs sowie auch des daran angegliederten Kuehlsystems sind dabei hecknah verortet, sprich, sie gruppieren sich vor oder hinter dem hinteren Druckschott (9). Um fuer diese Komponenten ausreichend Raum im Bereich hinter diesem hinteren Druckschott (9) zur Verfuegung zu haben, ist das Heckleitwerk eines Care-Liners vorzugsweise in Auslegungsform eines T-Leitwerks (10) ausgefuehrt. Ist ein Impeller (8) an der Spitze des Heckkonusses (7) angeschlagen, sorgt eine Heckaufprall-Schutzrippe (11) dafuer, dass der Impellermantel (12) gegen eine potentielle Tail-Strike-Beschaedigungsgefahr geschuetzt ist. Alternativ kann diese Schutzwirkung auch durch einen ausfahrbahren Hecksporn, ein ausfahrbares Heckrad oder eine ausfahrbare Heckkufe sichergestellt werden.
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In Zeichnung 2 ist die Gesamtansicht eines Care-Liners in perspektivischer Darstellung von schraeg unten zu sehen, wobei die einzige wirklich augenfaellige Abweichung zu vergleichbaren heutigen Flugzeugmustern dieser Kategorie, also solchen, welche in herkoemmlicher Technologie ausgefuehrt sind, das dritte (Impeller-)Triebwerk am Ende des Heckkonuses ist. D.h: auf den ersten Blick gibt es tatsaechlich kaum Unterschiede zwischen einem Care-Liner und einem heutigen Single-Aisle Langstreckenpassagierflugzeug. Denn das T-Leitwerk, ueber das ein Care-Liner vorteilhafterweise auch noch verfuegt, ist von bisherigen Mustern (z.B. Boeing 727, McDonell-Douglas DC 9 oder auch der russ/ukrainischen Antonov-148) wohl bekannt. Typisch fuer einen Care-Liner mit seinem Waermetauscher zur Kuehlung des Kathodenabgas-Wasseranteils seiner Brennstoffzellen oberhalb von 8000 Hoehenmetern ist daneben eigentlich nur noch der Ein und-Auslass fuer die Kuehlluft im Bereich seines Heckkonuses. Wenn man nicht gezielt nach diesen kleinen Unterschieden Ausschau halten wuerde, koennte man daher einen Care-Liner im Umfeld diverser anderer, konventioneller Passagierflugzeugmuster dieser Klasse ‚glatt uebersehen‘ - ein groesseres Kompliment im Hinblick auf Kompatibilitaet eines neuartigen Care-Liners zur bestehenden Flughafeninfrastruktur ist kaum denkbar.
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In Zeichnung 3 ist zwei mal eine ‚glaeserne‘ Care-Liner-Hecksektion in perspektivischer Darstellung abgebildet, wodurch Einblicke auf die Positionierung der Komponenten seines Kuehlssystems moeglich werden. Dabei verlaesst das heisse Kathodenabgas inklusive seines ueberwiegend dampffoermigen Wasseranteils (→ gepunktete Rohrfuellung) den Brennstoffzellenverbund (symbolisiert durch den Kreis mit der Kennung FC / Fuelcell/ Brennstoffzelle) und passiert das Druckschott in Richtung des im Heckkonus verorteten Waermetauschers. Der im Waermetauscher per kalter Aussenluft zu Fluessigwasser auskondensierte und zudem abgekuehlte Wasseranteil (gekennzeichnet durch Kreuzschraffur) kann dann in zwei verschiedenen Modi weitergeleitet werden:
- In der oberen Darstellung fliest dieses Kaltwasser - abgelenkt durch ein Rohrventil, das das Kaltwasserablassrohr verschliesst - zurueck durch das Druckschott in den Druckrumpf und wird dann dort in einem oder mehreren Brauchwassertanks (T / Tank) zwischengelagert, um anschliessend den Passagieren zu deren Verwendung zur Verfuegung zu stehen. In der unteren Darstellung laesst das Rohrventil das Kaltwasser in Richtung Flugzeugheck passieren (und verschliesst dabei gleichzeitig den Zugang zum Brauchwassertank (T/ Tank). Dieses Kaltwasser, das zur Verringerung des Flugzeuggewichts schlicht in die Umgebungsluft abgelassen wird, wird dabei durch die Hohlwelle des Impellers gefuehrt, um dann nach dessen Passage erst am hintersten Punkt des Care-Liners ins Freie zu gelangen. Dadurch, dass die Freisetzung dieses Kaltwassers erst am hintersten Punkt eines Care-Liners erfolgt und dieses im Fahrtwind zerstaeubende Kaltwasser dabei zudem noch vom Mantelstrom des Impellers umfangen wird, besteht keine Gefahr, dass es an irgendeiner Stelle in Rumpfkontakt kommen kann. Denn dies wuerde eine grosse Gefahr repraesentieren - da derartiges Kaltwasser an jedem Punkt der eiskalten Rumpfstruktur sofort festfrieren wuerde - herrschen auf Reiseflughoehe eines Passagierflugzeuges doch Tiefsttemperaturen von - 60° Celsius, ein Wert, den im Reiseflugmodus daher auch die aeussere Rumpfstruktur annimmt.
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In Zeichnung 4 ist eine Schnittdarstellung durch das Heckkonusende eines Care-Liners zu sehen (linke Bildseite), das mit einem dort angeschlagenen Elektroimpeller dann vollends seinen Abschluss findet (rechte Bildseite). Das praegnanteste Bilddetail ist das Kaltwasserablassrohr, das von links kommend (vom Waermetauscher / dieser ist nicht im Bild) die ganze Zeichnung von links nach rechts als eine doppelte Gerade durchzieht. Um dieses Kaltwasserablassrohr gruppieren sich folgende Elemente (von links nach rechts verlaufend benannt): Der dem Waermetauscher nachgeschaltete Temperaturfuehler (oberhalb des Rohres) das Rohrventil, das eine Kaltwasserabzweigmoeglichkeit zu dem/den Brauchwassertanks gewaehrt (unterhalb des Rohres), der Elektromotor des Impellers (den das Rohr mittig - sprich durch dessen Hohlwelle - passiert) und der Impeller selbst mit seinen verstellbaren Blaettern/mit seinem Verstellgetriebe (welche das Rohr ebenfalls mittig passiert).
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Durch diese konstruktiv aufwendige Kaltwasserabflussrohrfuehrung ergeben sich gleich zwei wichtige Vorteile fuer einen derart ausgelegten Care-Liner: Er kann einerseits mit der aerodynamisch besten Impellerpositionierung realisiert werden (die eines einzelnen Elektro-Impellers am Rumpfende) ohne dadurch andererseits auf die sicherste Form der Kaltwasserverklappung verzichten zu muessen: Dessen Ablass am hintersten Punkt des Flugzeugs in zentraler Position (sprich einer von allen Seiten gleichfoermig anliegenden Luftstroemung). Dadurch wird trotz wiedrigster Bedingungen (Reisefluggeschwindigkeit von 1000 km/h, Umgebungstemperatur von - 60° C), jede Anfriergefahr an die Flugzeugzelle vermieden, da nicht nur vollkommene Barrierefreiheit besteht sondern das am Rohrende austretende Kaltwasser zudem auch noch vom Mantelstrom des Elektroimpellers umfangen wird.
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In Zeichnung 5 sind 2 unterschiedlich ausgefuehrte Hecksektitionen eines Care-Liners in Draufsicht dargestellt. Weil ein Care-Liner ja zunaechst einmal - wie bereits erwaehnt - noch mit einem Hybridantrieb ausgestattet werden wird, da die Brennstoffzellenleistungen in naher Zukunft noch nicht die enormen Schubkraefte bereitstellen koennen werden, die ein Care-Liner z.B. in seiner Start, Steigflug und Landeanflugphase benoetigt, muessen vorlaeufig noch uebliche Verbrennungsturbinen diese Aufgabe uebernehmen - weshalb die Flugzeugfluegel-Triebwerkspositionen unveraendert durch sie belegt sein werden. Fuer den Elektro-Impeller-Antrieb, der den ausschliesslichen Reiseflugantrieb bereitstellen wird (weil hierfuer nur ein Drittel der Startschubleistung eines Care-Liners aufzubringen ist), bleibt somit nur eine Verortung im Bereich der Flugzeug-Heckposition uebrig.
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Die linke der beiden in der Zeichnung dargestellten Heckversionen zeigt den hintersten Teil eines Care-Liner-Rumpfes (samt Hoehenleitwerk), bei dem nur ein einziger Elektro-Impeller fuer die Schubgenerierung waehrend des Reiseflugmodus' verantwortlich zeichnet. Diese aerodynamisch sehr vorteilhafte Impellerantriebs-Konzeption hat den Nachteil, dass damit Heckkonusende quasi beetzt ist - obwohl dort auch noch der Kaltwasserablass eines Care-Liners verortet sein sollte, da diese Position absolute Barrierefreiheit garantiert - und somit ein Anfrieren des an die Umgebung abzugebenden, abgekuehlten Brennstoffzellenabwassers an irgend-einen Bestandteil der Flugzeugzelle sicher ausgeschlossen werden kann. Durch eine konstruktiv etwas aufwendigere Auslegung, naemlich der Fuehrung des Kaltwasserabflussrohres durch die Impellerhohlwelle, lassen sich aber auch diese beiden, gegeneinander konkurrierenden Erfordernisse, unter einen Hut bringen.
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Die rechte der beiden in der Zeichnung dargestellten Heckversionen zeigt den hintersten Teil eines Care-Liner-Rumpfes (samt Hoehenleitwerk), der ueber eine Doppel-Impeller-Belegung verfuegt (links und rechts vom Heckkomus). Dadurch kann dann das Kaltwasserablassrohr zwar problemlos bis ans Ende des (unbelegten) Care-Liner Heckkonus' gefuehrt werden. Allerdings ist eine derartige Doppel-Impellerantriebskonzeption unter aerodynamischen Gesichtspunkten nur die zweitbeste Loesung. Ein einzelner Impeller stellt immer die wiederstandsaermere, und daher die zu bevorzugende Auslegungsform dar.
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In Zeichnung 6 ist ein Care-Liner im Flug in perspektivische Darstellung von hinten abgebildet. Er besitzt zwei Verbrennungsturbinentriebwerke an gewohnter Position am Fluegel und zudem deutlich sichtbar ein drittes Triebwerk am Rumpfende. Denn ab 8000 Metern Flughoehe, und damit auch waehrend seiner gesamten Reiseflugphase, ist dieser Flugzeugtyp aus Klimaschutzgruenden ausschliesslich mithilfe des Schubs unterwegs, der von diesem dritten Triebwerk erbracht wird, einem per Elektromotor angetriebenen Impeller. Dieser ist - wie dieser Zeichnung zu entnehmen ist - vorzugsweise am Heckkonusende des Runpfes angeschlagen, da dies unter aerodynamischen Gesichtspunkten der guenstigste Punkt fuer dess-en Positionierung ist. Als Stromquelle dieses Elektroimpellers fungiert da-bei ein Brennstoffzellenverbund, der bei der Umsetzung seines Treibstoffes (eines Methanol-Wasser-Gemisches) grosse Mengen an heissem, wasser-haltigem Kathodenabgas produziert, dessen Wasseranteil dann aber mitt-els Waermetauscher abgekuehlt wird, bevor er an die Aussenluft abgegeben wird. Auf diese Weise behandelt, wohnt dem Kaltwasser dann kein Potential mehr inne, um schaedliche Kondensstreifen zu bilden. Da dieses Kaltwasser zur Vermeidung einer Eis-Ansatzproblematik vorzugsweise am hintersten Punkt des Care-Liner-Rumpfes abgelassen werden sollte, einer Position also, die ueblicherweise bereits durch den dort verorteten Elektro-impeller besetzt ist, kommt deshalb eine Loesung zum tragen, die beiden Anforderungen gerecht werden kann: Das an die Aussenluft abzugebende Kaltwasser wird durch die Elektroimpeller-Hohlwelle hindurch bis ans Triebwerksende gefuehrt, welches gleichzeitig den hintersten Punkt eines Care-Liners repraesentiert. In der Zeichnung ist der Austritt dieses Kaltwasseran-teils aus dem hinteren Ende dieser Elektro-Impeller-Hohlwelle gut nachvollzienbar. Als Resultat des Kaltwasserablasses im Reiseflugmodus ergibt sich dann folgendes Szenario: Das Kaltwasser zerstiebt durch den enormen, anliegenden Fahrtwind, der im Reiseflug eines Care-Liners vorherrscht, in kleine Troepfchen, die in der ultrakalten Luft auf Reiseflughoehe (diese weist dort ueblicherweise wie bereits erwaehnt ja um die - 60° C auf) sofort zu graupelartigem, solidem Eis ausfrieren - und sich aufgrund der Schwerkraft dann unmittelbar in Richtung Erdboden aufmachen. Dieser Schwerkrafteinfluss wird in der Zeichnung durch den gekruemmten Verlauf der Graupelschleppe, die der Care-Liner hinter sich herzieht, nachvollzogen. Diese graupelartigen Eispartikel weisen dabei ei-ne derart kleine Koernung auf, dass das Hindurchfliegen von anderen Flugzeugen durch diese Schleppe mit keinerlei Gefahr fuer diese verbunden ist.
