Als Schlüsseltechnologie in der globalen Wirtschaft nimmt die Luftfahrt eine bedeutsame Rolle in der Forschungslandschaft ein. Sie ist Treiber technologischer Innovationen und gleichzeitig geprägt von komplexen Herausforschungen in Bezug auf Sicherheit und Umweltwirkungen.
Die Luftfahrtindustrie ist ein wesentlicher Bestandteil der deutschen Wirtschaft und Gesellschaft, der sowohl wirtschaftliche als auch soziale Auswirkungen hat. Die Herausforderungen der nächsten Jahre, in Hinblick auf Nachhaltigkeit, Technologieentwicklung und sich ändernden Kundenbedürfnissen, fordern eine dynamische und flexible Anpassungsfähigkeit dieser Industrie.
Während die zuletzt veröffentlichte Luftfahrforschungsstrategie aus 2014 in einem stabilen Luftfahrt-Umfeld entwickelt wurde, das wesentlich durch stetiges Wachstum und evolutionäre Weiterentwicklung der Technologie geprägt war, stehen nun neue, sich rasch verändernde Herausforderungen im Fokus.
Das enorme Marktwachstum auf globaler Ebene bietet dem Wirtschaftsstandort Deutschland ein großes Potential für Wertschöpfung, Arbeit und Beschäftigung, bringt jedoch auch hohe gesellschaftliche Verantwortung mit sich, die Umweltwirkungen der Luftfahrt noch stärker als bisher zu reduzieren.
Ausgehend von einem aktuellen Flugzeugbestand von 24.000 Flugzeugen wird ein Bedarf von 43.000 neuen Flugzeugen in den kommenden 20 Jahren erwartet.
Der zusätzliche Bedarf an Flugzeugen bietet ein enormes Potential für den Arbeitsmarkt in der Luftfahrtindustrie. Heute sind in Deutschland ca. 100.000 Arbeitsplätze in der Luftfahrtbranche mit einem Wertschöpfungsvolumen von ca. 40 Mrd. € vorhanden. Die Verdopplung der Luftfahrt bis 2050 eröffnet grundsätzlich die Chance, dass auch in Deutschland ein kräftiger Aufwuchs an Arbeitsplätzen sowie Wertschöpfung stattfinden kann. Damit diese Chance ergriffen werden kann, sollen im Rahmen der Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo die dafür notwendigen technologischen Fähigkeiten entwickelt werden. Insgesamt ist ein Aufwuchs der Arbeitsplätze in den kommenden 15 Jahren auf 140.000 Arbeitsplätze möglich. Einberechnet sind hierin die notwendigen Produktivitätssteigerungen im zivilen Sektor sowie der Ausbau im militärischen Bereich.
Der starke Anstieg der Produktionsmengen in kurzer Zeit (Ratenhochlauf) bringt jedoch auch zahlreiche Herausforderungen mit sich, da sich dieses ambitionierte Ziel nur durch eine kostengünstige, automatisierte Fertigung und die Festlegung von globalen Standards umsetzen lässt.
In der heutigen vernetzten und dynamischen Welt wird für die Auslegung der Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo ein wesentlich breiterer Ansatz als bisher benötigt. Für die Förderung neuer Technologien ist es beispielsweise wichtig, ob die deutsche Luftfahrtindustrie befähigt werden kann, im internationalen Umfeld wettbewerbsfähig zu bleiben und die Wertschöpfung in Deutschland zu erhalten und zu stärken.
Viele Technologien der zivilen Luftfahrt sind Dual Use-fähig. Ein regelmäßigerer Abgleich mit EU-Partnern ist geboten, um Doppelförderung zu vermeiden. Insbesondere für Dual Use-Technologien ist es notwendig, die Neuausrichtung des LuFo von Anfang an mit europäischen Partnern abzustimmen, um zu verhindern, dass an bestimmten Themen doppelt geforscht wird, um anschließend bei der Auftragsvergabe zu konkurrieren. Hier sind starke internationale Partnerschaften von Beginn an in die Technologiebetrachtungen einzubinden, um zu verhindern, dass ganze Technologien und somit auch Arbeitsplätze in Deutschland verloren gehen.
Die Luftfahrt in Deutschland ist geprägt von einer vielfältigen Industrie und einer stark aufgestellten Forschungslandschaft, die sowohl die Großindustrie als auch KMU, Forschungseinrichtungen und Universitäten umfasst. Weltweit bietet die Luftfahrt 65 Millionen Menschen hochwertige Arbeitsplätze. Bei allen Herausforderungen, wie Klimawandel und veränderten politischen Rahmenbedingungen, wollen wir die Wertschöpfungspotentiale erhalten und diese sogar stark ausbauen.
Der Standort Deutschland hat die Chance, die Luftfahrt von morgen mitzugestalten. Dies wollen wir nutzen. Deutschlands Lieferketten bergen das Potential, die Geschwindigkeit, Innovationskraft und flexible Skalierbarkeit zu realisieren, die derzeit so dringend gefragt ist, um die Herausforderungen von heute und auch der Zukunft anzugehen.
Klassische Forschungsthemen der Luftfahrt waren beispielsweise die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen, insbesondere die des Fluglärms, die Verringerung des Energiebedarfs und die Senkung von Herstellungskosten. Diese Themen sind weiterhin wichtig. Daneben gewinnen neue Forschungsfelder, wie beispielsweise fossilfreie Antriebstechnologien, der Einsatz von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz (KI), die Entwicklung von unbemannten Flugsystemen und Integrated Air Mobility (IAM), stark an Bedeutung.
Die Aktualisierung der bisherigen Strategie entwickelt einen Fahrplan, um diese wichtigen Themen für den Standort Deutschland zu verankern und bereits in der Entwicklung und Zulassung gezielt Akzente zu setzen. Das Ziel ist die Sicherung und der Ausbau von Arbeitsplätzen und die Wertschöpfung in der deutschen Luftfahrt.
Der Einsatz von SAF in der Luftfahrt ist technologisch bereits bestens durch inzwischen fertig gestellte Forschungsprojekte des Luftfahrtforschungsprogramms vorbereitet. Lediglich die Herstellung, die Infrastruktur und die Luftverkehrssysteme müssen noch auf den flächendeckenden Einsatz von SAF in der Luftfahrt umgestellt werden. Aus diesem Grund stellt sich die Frage, weshalb es dennoch dringend notwendig ist, Technologien zu entwickeln, um Wasserstoff statt SAF für den Antrieb von Fluggeräten einsetzen zu können.
Neben batterieelektrischen Antriebssystemen, die jedoch aufgrund ihrer noch zu geringen Leistungs- und Energiedichte auf absehbare Zeit nicht für größere Flugzeugklassen geeignet sein werden, stellen vor allem wasserstoffbasierte Antriebe mittel- bis langfristig die vielversprechendste Option für einen auch lokal CO2-freien Flugverkehr dar. Wasserstoff ist insbesondere aufgrund der hohen gravimetrischen Energiedichte als Kraftstoff für Flugzeuge geeignet und bringt als Reaktionsprodukt nur Wasser hervor, das je nach Konzept dampfförmig oder flüssig an die Umgebung abgegeben werden kann. Technische Herausforderungen liegen unter anderem in der vergleichsweise niedrigen volumetrischen Energiedichte des Wasserstoffs, der Speicherung bei kryogenen Temperaturen sowie in der Gewährleistung eines sicheren Betriebs.
Die FlyZero-Studie des Aerospace Technology Institute (ATI) kommt dennoch zu dem Ergebnis, dass Wasserstoffflugzeuge das Potential haben, perspektivisch auf 100% der Kurzstrecken sowie 93% der Langstreckenflüge konkurrenzfähig zu mit SAF betriebenen Flugzeugen desselben Technologie-Levels betrieben zu werden. Hintergrund hierfür ist unter anderem die vergleichbare Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung der Treibstoffe. Während Wasserstoff unter Verwendung erneuerbarer Energien durch Elektrolyse hergestellt wird, schließen sich für die Produktion synthetischer Flugkraftstoffe (SAF) weitere Prozessschritte (Fischer-Tropsch-Verfahren) unter Hinzunahme einer Kohlenstoffquelle (z.B. CO) sowie zusätzlichem Energieeinsatz an. Unter der Voraussetzung, dass die Gesamtmenge regenerativ erzeugter elektrischer Energie weiter begrenzt bleibt und dass perspektivisch die Verfügbarkeit von Kohlenstoff aus Industrieprozessen immer weiter zurückgehen wird, und somit auf Kohlenstoff zurückgegriffen werden muss, der zuvor aus der Atmosphäre extrahiert wurde, stellt die Nutzung von Wasserstoff als Flugkraftstoff langfristig die wirtschaftlichere Option im Vergleich zu SAF dar. Laut einer Einschätzung der EASA zur ReFuelEU Aviation-Verordnung der EU sind die Produktionskosten pro Tonne für Wasserstoff vergleichbar mit denen synthetischer Flugkraftstoffe, wobei jedoch der Energiegehalt im Fall von Wasserstoff deutlich höher liegt.
Vor diesem Hintergrund ist davon auszugehen, dass sich Wasserstoff langfristig als Energieträger für große Teile des Luftverkehrs durchsetzen wird. Da es weiterhin große technische Herausforderungen für das Flugzeug, insbesondere für das Antriebssystem, gibt, stellt SAF jedoch eine kurzfristige Lösung dar, um die Erreichung der nationalen und europäischen Klimaziele zu erreichen und die Phase bis zur Verfügbarkeit von Wasserstofftechnologien am Markt zu überbrücken.
Die Komplexität der Luftfahrt erzeugt ein ebenso komplexes System an Herausforderungen, die es in der Luftfahrtforschung zu beachten gilt. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, diese Themen vernetzt zu betrachten und ein ineinandergreifendes System an Themenbereichen und Technologiebausteinen abzuleiten, die es zu erforschen gilt.
Für eine elektrische Luftfahrt muss das gesamte Ökosystem der Elektrifizierung und Automatisierung zusammenhängend erforscht werden, von der kleinen Drohne bis hin zur Business Aviation. Dazu zählen unter anderem Steuerung, Ladeinfrastruktur, Batterietechnologien und die Bodeninfrastruktur am Flughafen.
Der Klimawandel macht es notwendig, Nicht-CO2-Effekte, insbesondere kondensstreifeninduzierte Wolkenbildung und die damit einhergehende Klimawirkung, durch neue Technologien weitestgehend zu vermeiden. Hierfür muss das Gesamtsystem Luftraum und nicht nur die Einzelflüge betrachtet werden.
Aufgrund der langen Lebensdauer einer Flugzeugflotte werden in den nächsten Jahrzehnten weiterhin eine große Anzahl an Flugzeugen einer Gasturbine auf Kerosin-Basis als Antriebstechnologie in Betrieb sein. Durch neue Technologien für Wartung, Reparatur und Überholung gilt es, diese Flugzeuge hinsichtlich einer Emissionsreduzierung zu optimieren. Darüber hinaus bietet der Einsatz von synthetischen, nachhaltig produzierten Kraftstoffen (SAF) über eine mit der Zeit ansteigende Beimischungsquote zum Kerosin die Möglichkeit, den Anteil an fossilen Emissionen in der Luftfahrt auch in der Bestandsflotte zu reduzieren.
Die zunehmende Komplexität des Flugverkehrs und die steigenden ökologischen, ökonomischen und sozialen Anforderungen erfordern neben regulativen Änderungen auch technologische Lösungen im Bereich der Flugführung.
Alternative Kraftstoffe wie SAF oder Wasserstoff bieten ein enormes Potential. Während bei SAF die Herausforderung in der Beschaffung ausreichender Mengen des Kraftstoffes liegt , benötigen die wasserstoffbasierten Antriebstechnologien jedoch bis zur Umsetzung noch einen großes Forschungs-, Organisations- und Investitionsbedarf sowohl in der Infrastruktur als auch in der technischen Realisierung am Flugzeug.
Durch die Entwicklung innovativer Software am Boden und in den Fluggeräten, sowie der informationstechnologischen Infrastruktur kann ein Schutz von Cyberangriffen ermöglicht werden.
Die Ansprüche der Mitreisenden hinsichtlich Komfort, Entertainment und Sicherheit haben sich stark gewandelt, sodass nun durch schwerere Boardelektronik wiederum weiterer Forschungsbedarf zu Gewichts- und Platzeinsparungen entsteht.
Der Einsatz von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz ist ein übergeordnetes Themenfeld in der Luftfahrtforschung, das plattformunabhängig und ganzheitlich für die den gesamten Lebenszyklus der Fluggeräte hinsichtlich der optimalen Anwendung untersucht und Produktionsprozesse erforscht werden muss.
Durch die Etablierung von Drohnen im Luftraum entsteht ein neuer Markt. In diesem gilt es, neben regulatorischen Aspekten insbesondere auch die Entwicklung von Drohnendetektion und -abwehr , sowie Dual Use-Entwicklungen einen sicheren und zuverlässigen Einsatzraum zu schaffen.
Im Themenfeld Fluglärm konnten in den letzten Jahren hervorragende Innovationen geschaffen werden, jedoch ist die Weiterentwicklung eines leisen Luftverkehrs weiterhin notwendig, um die Natur und die Gesellschaft vor Lärmemissionen zu schützen.
Elektrisches Fliegen
Für eine elektrische Luftfahrt muss das gesamte Ökosystem der Elektrifizierung und Automatisierung zusammenhängend erforscht werden, von kleiner Drohne bis hin zur Business Aviation (z.B. Steuerung, Ladeinfrastruktur, Batterietechnologien, Bodeninfrastruktur am Flughafen).
Der Klimawandel macht es notwendig, durch neue Technologien die Nicht CO2-Effekte, insbesondere kondenstreifeninduzierte Wolkenbildung und die damit einhergehende Klimawirkung, weitestgehend zu vermeiden. Sie müssen als Gesamtsystem Luftraum und nicht nur als Einzelflüge betrachtet werden.
Aufgrund der langen Lebensdauer einer Flugzeugflotte werden in den nächsten Jahrezehnten noch eine große Anzahl an Flugzeugen einer Gasturbine auf Kerosin-Basis als Antriebstechnologie in Betrieb sein. Durch neue Technologien für Wartung, Reparatur und Überholung gilt es diese Flugzeuge hinsichtlich einer Emissionsreduzierung zu optimieren. Darüber hinaus bietet der Einsatz von synthetischen, nachhaltig produzierten Kraftstoffen (SAF) über eine mit der Zeit ansteigende Beimischungsquote zum Kerosin die Möglichkeit den Anteil an fossilen Emissionen in der Luftfahrt auch in der Bestandsflotte zu reduzieren.
Die zunehmende Komplexität des Flugverkehrs und die steigenden ökologischen, ökonomischen und sozialen Anforderungen erfordern neben regulativen Änderungen auch technologische Lösungen im Bereich der Flugführung.
Alternative Kraftstoffe wie SAF oder Wasserstoff bieten ein enormes Potential. Während bei SAF die Herausforderung in der Beschaffung ausreichender Mengen des Kraftstoffes liegt , benötigen die wasserstoffbasierten Antriebstechnologien jedoch bis zur Umsetzung noch einen großes Forschungs-, Organisations- und Investitionsbedarf sowohl in der Infrastruktur als auch in der technischen Realisierung am Flugzeug.
Durch die Entwicklung innovativer Software am Boden und in den Fluggeräten, sowie der informationstechnologischen Infrastruktur kann ein Schutz von Cyberangriffen ermöglicht werden.
Die Ansprüche der Mitreisenden hinsichtlich Komfort, Entertainment und Sicherheit haben sich stark gewandelt, sodass nun durch schwerere Boardeletronik wiederum weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich Gewichts- und Platzeinsparungen entsteht.
Der Einsatz von Digitalisierung und künstlicher Intelligenz ist ein übergeordnetes Themenfeld in der Luftfahrtforschung, das plattformunabhängig und ganzheitlich für die den gesamten Lebenzyklus der Fluggeräte hinsichtlich der optimalen Anwendung untersucht und Produktionsprozesse erforscht werden muss.
Durch die Etablierung von Drohnen im Luftraum entsteht ein neuer Markt. In diesem gilt es, neben regulatorischen Aspekten insbesondere auch die Entwicklung von Drohnendetektion und -abwehr , sowie Dual Use Entwicklungen einen sicheren und zuverlässigen Einsatzraum zu schaffen.
Im Themenfeld Fluglärm konnten in den letzten Jahren hervorragende Innovationen geschaffen werden, jedoch ist die Weiterentwicklung eines leisen Luftverkehrs weiterhin notwendig, um die Natur und die Gesellschaft vor Lärmemissionen zu schützen.
Auf der Basis dieser Entwicklungen lassen sich folgende Themen für die Neuausrichtung des Luftfahrtforschungsprogramms ableiten:
