Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Die Luftfahrt steht vor einem grundlegenden Wandel: Klimaneutrale Antriebskonzepte rücken zunehmend in den Fokus. Eine Schlüsselrolle spielt dabei flüssiger Wasserstoff (LH₂) als Energieträger. Seine sichere Speicherung stellt jedoch eine erhebliche technische Herausforderung dar – insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen von unter 120 Kelvin. Genau hier setzt das Verbundprojekt SEHRKALT an.
Problemstellung
Für eine klimaneutrale Luftfahrt ist der Einsatz von flüssigem Wasser stoff (LH₂) als Energieträger zentral. Die sichere Speicherung in CFK-Kryotanks (CFK: carbonfaserverstärkter Kunststoff) bei Temperaturen unter 120 K stellt jedoch hohe Anforderungen an Werkstoffe, Fügetechnologien und Überwachungssysteme. Konventionelle Sensorik ist für diese extremen Bedingungen nur eingeschränkt geeignet oder nicht ausreichend integriert. Es fehlt insbesondere an kryotauglichen, strukturell integrierbaren Sensorsystemen sowie an standardisierten Prüf- und Bewertungsmethoden für deren Einsatz in sicherheitskritischen Tankstrukturen. Dies limitiert die zuverlässige Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) und verzögert die industrielle Einführung wasserstoffbasierter Luftfahrtsysteme.
Projektziel
Ziel des Verbundprojekts SEHRKALT ist die Entwicklung, Integration und Validierung kryotauglicher Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Sensoren zur Überwachung von CFK Kryotanks für flüssigen Wasserstoff. Die Sensoren sollen im Temperaturbereich von 20 K bis 120 K hochpräzise Temperatur- und Dehnungsmessungen ermöglichen und dauerhaft in CFK-Strukturen integrierbar sein. Neben der Sensorauslegung werden geeignete Integrations- und Anbindungskonzepte entwickelt sowie Richtlinien zur Bewertung und Kryoalterung faseroptischer Sensorsysteme erarbeitet. Damit schafft SEHRKALT die Grundlage für ein zuverlässiges SHM-System für LH₂-Tanks und unterstützt die Einführung wasser stoffbasierter Antriebstechnologien in der Luftfahrt.
Durchführung
Das Vorhaben ist in vier Hauptarbeitspakete strukturiert:
- HAP1: Entwicklung kryotauglicher FBG-Sensoren
- HAP2: Charakterisierung und Kalibrierung unter kryogenen Bedingungen
- HAP3: Entwicklung der Sensoranbindung und Integration in CFK Tankstrukturen sowie
- HAP4: Technologievalidierung im Labormaßstab.
Meilensteine sichern die Verfügbarkeit erster Sensoren (M11), validierter Kalibrierkurven (M27) und eines umsetzbaren Integrationskonzepts (M33). Die Partner FBGS, FIBRE, IFAM und INVENT bündeln Kompetenzen in Sensorentwicklung, Materialcharakterisierung, Strukturintegration und industrieller Umsetzung. Die Validierung erfolgt an repräsentativen Funktions mustern unter realitätsnahen Bedingungen im Laboratorium.
Beitrag des Fraunhofer IFAM
Das Teilvorhaben vom Fraunhofer IFAM mit dem Titel »Materialseitige Untersuchung von der Sensoranbindung und Integration unter kryogenen Bedingungen« im Verbundprojekt SEHRKALT beschäftigt sich mit der Entwicklung und Erprobung von Konzepten zur Integration Faser Bragg Gitter Sensoren in CFK-Tankstrukturen für den Einsatz bei extrem niedrigen Temperaturen. Im Mittelpunkt stehen die materialseitige Ausgestaltung der Sensoranbindung, geeignete Integrationsstrategien und die Funktion der Sensoren unter kryogenen Bedingungen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Gestaltung und Optimierung der Faserübergänge an Strukturgrenzflächen, um mechanische und thermische Kopplungsprobleme zu verringern und gleichzeitig Oberflächenkompatibilität und strukturelle Stabilität der CFK-Bauteile sicherzustellen. In enger Zusammenarbeit mit dem Partner INVENT werden Versuche auf Coupon Ebene durchgeführt, die schrittweise zu einem Integrationskonzept der Sensorik für CFK-Tankstrukturen ausgearbeitet und experimentell validiert werden. Die im Teilvorhaben gewonnenen Erkenntnisse und Technologien sind auf weitere Anwendungen mit kryogenem Wasserstoff übertragbar und schaffen die Grundlage für neue Einsatzfelder kryogentauglicher Sensorik über die Luft und Raumfahrt hinaus.
