Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs, Antriebssystem und Flugzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Flug ^¬ zeugs, ein Antriebssystem zum Antrieb eines Flugzeugs sowie ein Flugzeug. Seriell-hybride elektrische Flugzeugantriebe benötigen elekt ^¬ rische Maschinen mit einem besonders geringen Leistungsge ^¬ wicht. Es ist bekannt, zur Minimierung des Leistungsgewichts einen Rotor der elektrischen Maschine aus supraleitendem Material zu bilden und bei einer Temperatur von 20 K zu betrei- ben.

Zur Kühlung des Rotors auf 20 K ist es bekannt, Kühleinrich ^¬ tungen mit Kältemaschinen einzusetzen, die den Rotor von Umgebungstemperatur auf 20 K herunter kühlen.

Allerdings weisen solche Kühleinrichtungen eine große Masse auf, welche folglich die Masse des Flugzeugantriebs und somit des Flugzeugs nachteilig erhöht. Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher

Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs sowie ein verbessertes Antriebssystem anzuge ^¬ ben, mittels welchen jeweils eine Kühlung eines Teils einer elektrischen Maschine eines Flugzeugs verbessert realisiert werden kann. Insbesondere soll erfindungsgemäß eine Kühlung mit einem geringeren Gewicht des Antriebs möglich sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Flugzeug anzugeben . Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einem Antriebssystem mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Flugzeug mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Antrieb eines Flugzeugs wird zur Gewinnung elektrischer Energie ein Brennstoff verbrannt und eine elektrische Maschine genutzt. Bei dem er ^¬ findungsgemäßen Verfahren wird der Brennstoff zur Kühlung zumindest eines Teils der elektrischen Maschine herangezogen und der Brennstoff weist Erdgas auf.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoff, bevor er verbrannt wird, flüssig vorgehalten. Erfindungsgemäß wird also Brennstoff mit oder aus, vorzugs ^¬ weise flüssigem, Erdgas anstelle von lediglich Kerosin als Brennstoff verwendet. Das Erdgas wird vorliegend zum einen als Brennstoff, d.h. als chemischer Energiespeicher, genutzt und zum anderen als Kältespeicher eingesetzt.

Gemäß der Erfindung erfolgt vorteilhaft eine Kühlung des zu ^¬ mindest einen Teils der Maschine mittels insbesondere flüssi ^¬ gen Erdgases. Erdgas wird regelmäßig bei einer Temperatur von 109 K bis 112 K, d.h. ca. 110 K, verflüssigt. Folglich kann mit flüssigem Erdgas der zumindest eine Teil der Maschine auf sehr tiefe Temperaturen, insbesondere auch auf Temperaturen unterhalb von 110 K, zweckmäßig auf Temperaturen von höchs ^¬ tens 50 K, vorzugsweise von höchstens 25 K, gekühlt werden. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Wärmeenergie aus dem zumindest einen Teil in den Brennstoff ge ^¬ pumpt .

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Brennstoff als Reservoir für eine Kältema ^¬ schine herangezogen. Zweckmäßig wird in den vorgenannten Weiterbildungen eine Kühlmaschine genutzt, die nicht die Temperaturdifferenz zwi ^¬ schen der Temperatur des zumindest einen Teils und der Umgebungstemperatur von etwa 300 K überbrücken muss. Vielmehr kann eine deutlich leichtere Kältemaschine genutzt werden, welche lediglich die geringere Temperaturdifferenz von der Temperatur des zumindest einen Teils und der Temperatur flüssigen Erdgases von ca. 110 K überbrücken muss, d.h. Wärme von dem zumindest einen Teil der elektrischen Maschine in den ca. 110 K kalten Brennstoff pumpen muss. Infolge der deutlich leichteren erfindungsgemäß nutzbaren Kältemaschine lässt sich der Antrieb des Flugzeugs und folglich das Flugzeug insgesamt mit deutlich geringerem Leistungsgewicht ausbilden als bislang bekannt.

Weiterhin vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Nutzung eines Brennstoffs mit oder aus vorzugsweise flüssigem Erdgas ist es, dass für flüssiges Erdgas sowohl eine Lagerung an Bord von Flugzeugen leichter möglich und eine hinreichende Verfüg- barkeit am Flughafen leichter gewährleistet werden kann als es etwa bei flüssigem Wasserstoff als Brennstoff möglich wä ^¬ re. Insbesondere ist eine Flüssigwasserstoffinfrastruktur nicht erforderlich, sondern es kann auf eine Versorgung mit flüssigem Erdgas in konventioneller Weise zurückgegriffen werden.

Das Erdgas kann in flüssiger Form getankt werden und bei ca. 110 K an Bord des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens anzutreibenden Flugzeugs gelagert werden. Das Erdgas wird zweckmäßig zum Antrieb einer Brennkraftmaschine, etwa einer Gasturbine oder einer Kolbenmaschine, des Flugzeugs ver ^¬ brannt .

Vorteilhaft wird bei der Verbrennung von Erdgas deutlich we- niger CO ₂ ausgestoßen als bei der Verbrennung von Kerosin.

Insbesondere bei der Verbrennung des Erdgases zum Antrieb ei ^¬ ner Brennkraftmaschine in Form einer Gasturbine wird etwa 30 Prozent weniger Erdgas ausgestoßen als im Falle der Verbren- nung von Kerosin als Brennstoff. Zudem werden bei der Verbrennung von Erdgas weniger Schadstoffe wie NOx, CO oder Ruß ausgestoßen. Zur Verbrennung des Erdgases wird das Erdgas geeigneterweise aus der flüssigen Form in die Gasphase über- führt und auf eine für die Brennkraftmaschine geeignete Tem ^¬ peratur erhitzt. Die dafür notwendige Verdampfungsleistung fällt bei ca. 110 K an. Bevorzugt wird das Erdgas überhitzt, d.h. das verdampfte Erdgas wird erwärmt, sodass die Erwärmung des Erdgases zur Bereitstellung zusätzlicher Kälteleistung nutzbar ist.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der zumindest eine Teil auf eine kryogene Temperatur gekühlt. Alterna ^¬ tiv oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist der Teil zu- mindest ein Bestandteil eines Generators, insbesondere eines Rotors und/oder eines Stators.

Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein thermisch mit dem Teil in Kontakt bringbares Kühlmittel ge- nutzt, mittels welchem der Teil auf eine kryogene Temperatur bringbar ist. Vorzugsweise wird ein solcher Teil herangezo ^¬ gen, welcher bei der kryogenen Temperatur vorteilhaft eine Leitfähigkeit aufweist, die gegenüber der Leitfähigkeit bei Raumtemperatur oder bei 0 Grad Celsius um zumindest einen Faktor 3, vorzugsweise um zumindest eine Größenordnung erhöht ist .

Insbesondere ist unter einen kryogenen Teil im Rahmen dieser Anmeldung ein Teil zu verstehen, welcher für eine Betriebs- temperatur von höchstens 80 K, vorzugsweise von höchstens 30 K und idealerweise von höchstens 23 K, ausgelegt ist. Vor ^¬ zugsweise ist der kryogene Teil mit Aluminium und/oder Kup ^¬ fer, also mit Materialien gebildet, welche bei einer

kryogenen Temperatur von 21 K zwar nicht notwendigerweise supraleitend sind, jedoch einen um drei Größenordnungen geringeren elektrischen Widerstand aufweisen. Idealerweise ist der Teil bei kryogener Temperatur supraleitend. In besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der kryogene Teil ein Bestandteil eines Generators, insbesondere zumindest ein Bestandteil eines Rotors des Generators. Insbesondere ist un ^¬ ter einer kryogenen Temperatur eine Temperatur von höchstens 80 K, vorzugsweise höchstens 30 K und idealerweise höchstens 23 K, zu verstehen.

Vorzugsweise ist der zumindest eine Teil ein Teil eines Ro ^¬ tors der elektrischen Maschine. Gerade die Heranziehung eines mit supraleitendem Material gebildeten Rotors und der Betrieb zumindest eines Teils des Rotos bei einer Temperatur von 20 K erlaubt die Realisierung von Antrieben mit besonders geringem Leistungsgewicht .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt der zumin- dest eine Teil mittels einer Kühleinrichtung mit einem

Wärmeübertrager gekühlt, wobei der Wärmeübertrager mit dem Brennstoff gekühlt wird. Zweckmäßig ist der Wärmeübertrager ein Verdampfer. Teile von elektrischen Maschinen, insbesondere des Stators der elektrischen Maschine, werden in bekannten Antrieben von Flugzeugen bisweilen mit einem Kältemittel oberhalb von Raumtemperatur gekühlt. Das Kältemittel wird dabei über einen Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager mit Umgebungsluft gekühlt. Aufgrund der beim Start des Flugzeugs möglichen hohen Luft ^¬ temperatur von über 50 °C muss der Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager entsprechende groß dimensioniert werden, um in diesem Fall eine ausreichende Kühlung des Teils zu gewährleisten. Infolge der deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur flüssigen Erdgases hingegen lässt sich der Teil, insbesondere des Stators, erfindungsgemäß mit einer deutlich leichteren Kühleinrichtung als bislang bekannt kühlen. Insbesondere wird zweckmäßig eine Verdampfungswärme des Erdgases beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand genutzt. Eine solche Kühleinrichtung lässt sich folg ^¬ lich erfindungsgemäß deutlich kleiner und leichter ausbilden als bislang bekannt. Ferner kann erfindungsgemäß zusätzlich auch eine Aufwärmung des verdampften Erdgases, d.h. eine Überhitzung des Erdgases, zur Bereitstellung von Kälteleistung genutzt werden. Insbesondere lässt sich direkt durch die Verdampfung des an Bord befindlichen flüssigen Erdgases zusätzliche Kühlleistung für den zumindest einen Teil bereitstellen.

Die große treibende Temperaturdifferenz zwischen flüssigem Erdgas und Kühlmittel ermöglicht eine Verwendung eines deut ^¬ lich kleineren Rückkühlers für das Kühlmittel und damit die Verringerung der Masse des Kühlmittelrückkühlers. Zudem kann durch eine Absenkung der Betriebstemperatur des zumindest einen Teils, etwa eines Teils des Stators, dessen Effizienz erhöht und seine Masse weiter gesenkt werden.

Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoff bei einer Temperatur von weniger als 150 K, vorzugsweise höchstens 120 K vorgehalten. In dieser Weiterbil- dung der Erfindung kann der Brennstoff mit dem Erdgas flüssig vorgehalten werden.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist ein Antriebssystem zum Antrieb eines Flugzeugs insbesondere gemäß einem erfin- dungsgemäßen Verfahren wie vorhergehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Antriebssystem weist zur Gewinnung elektrischer Energie mittels Verbrennung eines Brennstoffs eine elektrische Maschine auf, wobei ein Erdgastank vorgesehen ist, der zur Vorhaltung des mit Erdgas gebildeten Brennstoffs ausgebildet und der Teil einer Kühleinrichtung ist, die zur Kühlung zumindest eines Teils der elektrischen Maschine aus ^¬ gebildet ist.

Bevorzugt ist bei dem Antriebssystem gemäß der Erfindung der zumindest eine Teil der Maschine zum Betrieb bei kryogener

Temperatur und insbesondere zum supraleitenden Betrieb ausge ^¬ bildet. Zweckmäßig ist der Teil ein kryogener Teil wie zuvor zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Antriebssystem zur Gewinnung zunächst mechanischer Energie mittels Verbrennung des Brennstoffs eine Brennkraftmaschine auf, welche mecha- nisch mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei die elektrische Maschine zur Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine eine Gasturbine oder eine Kolbenmaschine. Vorteilhaft weist eine mit Erdgas betriebene Brennkraftma ^¬ schine einen deutlich niedrigeren C02~Ausstoß auf als eine mit Kerosin betriebene Brennkraftmaschine. Insbesondere im Falle einer Brennkraftmaschine in Form einer Gasturbine ist der C02-Ausstoß im Falle von Erdgas als Brennstoff um etwa 30 Prozent geringer als im Falle von Kerosin als Brennstoff.

Ferner verbrennt Erdgas als Brennstoff sauberer, d.h. es wer ^¬ den weniger Schadstoffe wie insbesondere NOx, CO oder Ruß, emittiert . In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Antriebssystem eine Kältemaschine auf, welche mit dem Erdgas ^¬ tank und dem zumindest einen Teil der elektrischen Maschine verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Kältemaschine zum Pum ^¬ pen von Wärme von dem Teil in den Brennstoff ausgebildet.

Geeigneterweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Antriebs ^¬ system die Kühleinrichtung einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Verdampfer, wobei der Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme an/in den Brennstoff ausgebildet und angeord- net ist.

Das erfindungsgemäße Flugzeug ist insbesondere ein seriell ^¬ hybrides elektrisches Flugzeug und weist ein Antriebssystem wie vorhergehend beschrieben auf. Vorteilhafterweise lässt sich der Antrieb des Flugzeugs und folglich das Flugzeug selbst mit geringem Leistungsgewicht ausbilden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Antriebs eines erfindungsgemäßen Flugzeugs zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antrieb des Flugzeugs schematisch in einer Prinzipskizze,

Fig. 2 ein zweites zugleich verwirklichtes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Antriebs eines erfin ^¬ dungsgemäßen Flugzeugs zur Ausführung eines weite - ren zugleich verwirklichten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antrieb des Flugzeugs schematisch in einer Prinzipskizze,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Flugzeug mit einem erfin- dungsgemäßen Antrieb gem. Fig. 1 und 2.

Der in Fig. 1 dargestellte Antrieb 10 ist ein seriell ^¬ hybrider Antrieb eines elektrischen Flugzeugs 20 (s.a. Fig. 3) .

Der Antrieb 10 weist eine elektrische Maschine 30 auf, die zur Realisierung eines möglichst geringen Leistungsgewichts einen kryogenen Teil, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen mit einem mit supraleitendem Material gebildeten Rotor 40, aufweist. Der supraleitende Rotor 40 ist zum Betrieb un ^¬ terhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials, hier zum Betrieb bei 20 K, ausgebildet.

Zur Kühlung des Rotors 40 des Antriebs 10 weist der Antrieb ein Kühlsystem 50 auf. Das Kühlsystem 50 umfasst einen

Kaltkopf 60, welcher an dem Rotor 40 anliegt und Wärme infol ^¬ ge des thermischen Kontakts von Kaltkopf 60 und Rotor 40 vom Rotor 40 fortleitet. Eine Antriebsleistung 65 des Antriebs 10 wird zum Betrieb ei ^¬ ner Kältemaschine 70 des Kühlsystems genutzt: Die Kältema ^¬ schine 70 nutzt die Antriebsleistung 65 des Antriebs 10 und pumpt Wärme vom Kaltkopf 60 als Abwärme 80 in ein Wärmebad. Das Wärmebad ist mittels eines einen Treibstoff des Antriebs 10 darstellenden flüssigen Erdgases 90 gebildet, welches in einem Treibstofftank in Form eines Erdgastanks 100 gehalten ist. Die Kältemaschine 70 pumpt folglich Wärme in den Erdgas- tank 100 hinein und erwärmt das im Erdgastank 100 befindliche Erdgas 90.

Das infolge der Erwärmung des Erdgastanks 100 verdampfte Erd ^¬ gas (nicht explizit dargestellt) wird mittels einer Kraft- Stoffleitung 110 zu einer Brennkraftmaschine 120 des Antriebs 10 des Flugzeugs 20 geleitet. Die Brennkraftmaschine 120 ist zur Verbrennung des verdampften Erdgases und zur Wandlung der frei werdenden Verbrennungsenergie in mechanische Energie ausgebildet. Das verdampfte Erdgas bildet folglich den Kraft- Stoff der Brennkraftmaschine 120. Die Brennkraftmaschine 120 ist mechanisch mittels einer Welle 130 mit der elektrischen Maschine 30 gekoppelt, welche zur Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie ausgebildet und eingerichtet ist. Die elektrische Maschine 30 ist zur Speisung elektri- scher Verbraucher, etwa eines Propellers 140 und eines Bord ^¬ stromnetzes des Flugzeugs 20, mit diesen über elektrische Leitungen 150 elektrisch verbunden.

Wie in Fig. 2 dargestellt wird das flüssige Erdgas 90 des Erdgastanks 100 zudem genutzt, um einen Stator 160 der elekt ^¬ rischen Maschine 30 zu kühlen.

Dazu weist die elektrische Maschine 30 einen Kühlmittelkreis ^¬ lauf 170 auf, welcher ausgebildet ist, ein Kühlmittel am Stator 160 entlang zu strömen und infolge des thermischen

Kontakts zu kühlen. Dazu weist der Kühlmittelkreislauf 170 in an sich bekannter Weise eine Pumpe 180 auf, welche das Kühl ^¬ mittel, hier ein Kühlfluid, durch den Kühlmittelkreislauf 170 zu pumpen ausgebildet und angeordnet ist. Das Kühlmittel wird beim Betrieb des erfindungsgemäßen Antriebs 10 durch den Stator 160 aufgeheizt und nachfolgend mittels einer Kühlmit ^¬ telleitung 185 an einen Wärmeübertrager in Form eines Ver- dampfers 190 geleitet. Mittels des Verdampfers 190 ist die am Stator 160 aufgenommene Wärme des Kühlmittels an einen Teil flüssigen Erdgases 90 übertragbar, welches mittels einer Erd ^¬ gasableitung 195 an den Verdampfer 190 geführt wird. Das flüssige Erdgas kann infolgedessen verdampfen und dem Kühl- mittel so Wärme entziehen. Zusätzlich kann das verdampfte Erdgas am Verdampfer 190 überhitzt werden, sodass aufgrund der Überhitzung des verdampften Erdgases zusätzlich Kälteleistung in den Kühlmittelkreislauf 170 eingebracht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Flugzeug 20 sind beide in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsge ^¬ mäßen Antriebes 10 zugleich verwirklicht. Alternativ kann in weiteren Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Flugzeuges 20, welche im Übrigen den dargestellten Ausführungsbei- spielen entsprechen, jeweils lediglich eines der beiden in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele des erfin ^¬ dungsgemäßen Antriebes 10 verwirklicht sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Antrieb des erfindungsge- mäßen Flugzeuges 20 wird wie oben beschrieben durchgeführt, d.h der oben beschriebene Antrieb 10 des Flugzeugs 20 wird bestimmungsgemäß eingesetzt.

Das verdampfte Erdgas wird nachfolgend der Brennkraftmaschine 120 als Brennstoff zugeführt (nicht explizit in Fig. 3 ge ^¬ zeigt) .