Wichtige Themen bei der Erforschung neuer Werkstoffe und Bauweisen sind die Entwicklung, Qualifikation und Zulassung von Leichtbaukonzepten. Hier kommen bionische Strukturen durch additive Fertigung oder Kompositbauteile bspw. für Fan oder Hochtemperaturbauteile in Gasturbinen infrage. Zur Realisierung von Gewichtseinsparungen und eine Perfektionierung von Bauteiloberflächen besteht Forschungsbedarf hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Leistungsfähigkeit bei der additiven Fertigung und beim Feinguss.
Die Optimierung von Gasturbinenantrieben erfolgt u.a. durch die Weiterentwicklung von im Einsatz befindlichen Nickelbasislegierungen und intermetallischen Legierungen mit geringerem spezifischen Gewicht (z.B. Titanaluminide). Für neue Triebwerkskonzepte bedarf es der experimentellen und numerischen Bewertung des Langzeitverhaltens dieser Intermetalle unter anspruchsvollen und teils korrosiven Betriebsbedingungen im Triebwerk. Die Definition hochwarmfester und korrosionsbeständiger Werkstoffe sowie die Entwicklung von Herstell- und Beschichtungsverfahren für eine wirtschaftliche Produktion sind ebenso wichtige Forschungsthemen wie die Ableitung von Design- und Auslegungsverfahren zur Berücksichtigung der Lebensdauer und Schadenstoleranzen unter Belastung.
Aufgrund höchster Temperaturbeständigkeit bei geringem Gewicht bieten keramische Verbundwerkstoffe (ceramic matrix composites, CMC) ein bedeutendes Potential für Bauteile in Luftfahrtantrieben. Die Forschung von Siliciumkarbid-basierten sowie oxidkeramischen CMC ist derzeit häufig an Triebwerkhersteller im außereuropäischen Ausland gebunden, sodass eine strategische Weiterentwicklung der Standorte notwendig ist, auch für Anwendung außerhalb des zivilen Sektors.
Überhaupt stellt die Vermeidung kritischer Elemente in Werkstoffen eine große Herausforderung für Triebwerkhersteller dar. Dazu zählen einige wesentliche Legierungselemente für die Herstellung von Nickel- und Titanlegierungen. Ein genereller Forschungsbedarf ergibt sich daher bei der Entwicklung neuartiger Werkstoffkonzepte und -lösungen hinsichtlich der Rückführung von Werkstoffen in eine Kreislaufwirtschaft.
Im Bereich Werkstoff- und Herstellprozessentwicklung ist die computergestützte Simulation ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Die Optimierung von ICME-Werkzeugen (integrated computational materials engineering) ermöglicht die multidisziplinäre Bewertung übergreifender Prozessketten. Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Integration numerischer Simulationen in der frühen Produktentwicklung zur Optimierung von Herstellprozessen und zur Reduzierung von Fertigungskosten.
Im Bereich der neuartigen Antriebe besteht Bedarf zur Entwicklung robuster Werkstofflösungen inkl. Beschichtungen für wasserdampf- und wasserstoffhaltige Umgebungsbedingungen bei hohen Gastemperaturen. Dies betrifft insbesondere die Langzeiteigenschaften, Korngrenzen- und Spannungsrisskorrosion, die Wasserstoffversprödung und mechanische Eigenschaften unter Wasserstoffbelastung. Vor allem bei der Entwicklung luftfahrttauglicher Brennstoffzellen wird ein breites Spektrum von Materialien zum Einsatz kommen, die bis heute keine Anwendung in der Luftfahrt haben. Es ist in diesem Zusammenhang erforderlich, Werkstofflösungen für Elektroden (Anoden, Kathoden inkl. Katalysatoren) und Elektrolyten (Keramiken, Membranen) hinsichtlich ihrer Luftfahrttauglichkeit und Herstellverfahren inkl. Qualitätssicherung zu untersuchen. Neue Werkstoffe und Beschichtungen gegen eine korrosive und versprödende Wirkung der neuen Energieträger müssen gefunden werden. Hinsichtlich der Entwicklung von Tankstrukturen für die Lagerung kryogener Kraftstoffe liegt der Fokus auf der Entwicklung diffusionsdichter und robuster Strukturen sowie auf der Weiterentwicklung von Isolationswerkstoffen und Rohrleitungssystemen für den Transport des Energieträgers unter kryogenen Bedingungen. Dedizierte Testeinrichtungen wie im Rahmen von Uplift bieten in diesem Zusammenhang eine signifikante Unterstützung für aussagekräftige Werkstofftests.
