Hochleistungs- und leichtgewichtiger Graphen-CFK Tank für die Speicherung von komprimiertem Wasserstoff für Anwendungen im Bereich Luft- und Raumfahrt

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Adelung; Professor Dr.-Ing. Udo Wagenknecht; Professor Dr.-Ing. Matthias Ziegenhorn
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279121074

Komprimierter Kraftstoff wird für Luftfahrtanwendungen seit langem als exzellenter, dauerhafter und schadenstoleranter sowie auch als zuverlässiger Kandidat für eine umweltfreundlich nachhaltige Zukunft gesehen. Seit den ersten Studien ist das Design von leichten aber hochgradig isolierenden Tanks für Druckwasserstoff als eine der möglichen Schlüsseltechnologien eingestuft worden.Dieser Antrag zeigt im Detail die Pläne des Konsortiums zur Entwicklung und Design eines auf Graphen basierenden Demonstrators für einen hochleistungsfähigen und leichtgewichtigen Wasserstoffdrucktank für Luftfahrtanwendungen. Dieser Tank wird aus folgenden Komponenten bestehen:a) Einer Nanomaterial verstärkten, schmelzgeschichteten (FDM, 3D gedruckten) Polymerwerkstoffschicht als Auskleidung,b) einer niedrigpermeable Graphenschicht undc) einer mit Graphen und ähnlichen Kohlenstoffnanomaterialien verstärkten Kompositmatrixummantelung.Der Demonstrator soll den Technologiereifegrad 3 (TRL 3) erfüllen.Der beantragte Tank erfordert die Erforschung der Materialeigenschaften von Graphen verstärkten Materialien wie Gasundurchlässigkeit, struktureller Stärke und hoher elektrischer Leitfähigkeit um einen Demonstrator mit folgenden Eigenschaften zu entwickeln:1. Hoher Stärke und geringem Gewicht2. Niedriger Gasdurchlässigkeit3. Hohe Zuverlässigkeit und Schadenstoleranz unter statischem Druck, Ermüdung, Selbstverfestigung und Stoßbelastung4. Hohe Zuverlässigkeit im Bezug auf den Herstellungsprozess, das Material, und der geometrischer Form 5. Hohe elektrische Leitfähigkeit zum Blitzschutz6. Stabilität unter extremen Bedingungen wie z.B. unter Luftfahrtbedingungen mit einer umgebenden Temperatur von -55 °C bis +55 °C, einer Umgebungsdruckvariation von 0.3 Bar bis Atmosphärendruck und ca. 10.000 Start- und Landezyklen innerhalb von 5 Jahren.Das vorgeschlagene Projekt soll die folgenden Designentwicklungspunkte durchlaufen:- Nanomaterialauswahl und Analyse- Probenentwicklung für die einzelnen funktionalen Tankkomponenten: Auskleidung, Membran und Ummantelung- Experimentelle Analyse der Proben im Bezug auf Gasdurchlässigkeit sowie ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften - Abgleich zwischen numerischem Modell und experimentellen Ergebnissen- Design und numerische Analyse des gesamten Demonstrators - Sicherheitsanalyse des Tanksystems- Herstellung von Demonstratoren - Experimente zur Leckratenbestimmung (unter Verwendung von Wasserstoff bei niedrigen Drücken) sowie mechanische als auch elektrische Tests am Gesamtsystem- Zertifizierungsmöglichkeiten und WirtschaftsplanungDas Gesamtprojekt verwendet einen Systemintegrationsansatz: Der Ingenieurwissenschaftliche und technische Herstellungsprozess wird Hand in Hand iterativ durchgeführt mit der Sicherheitsanalyse und der Zertifizierung, um die Einfachheit einer Markteinführung des finalen Produktes in den Luftfahrtmarkt sicherzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Portugal
• Kooperationspartner: Dr. Philippe Lalande; Dr. André Godinho Luz