Bessere Simulationen für die Luft- und Raumfahrt

Beim Bau von Leichtbauflugzeugen, Triebwerken oder Windrädern müssen Ingenieur*innen physikalische Kräfte kennen und exakt vorhersagen. Etablierte Simulationsmethoden können dies jedoch nicht leisten. Malte Krack, Professor an der Universität Stuttgart, entwickelt neue Simulationen, um Dämpfung berechenbar und Antriebe für die Luft- und Raumfahrt sicherer zu machen. Internationale Talente sollen sein Team dabei unterstützen. Als Henriette Herz-Scout nominiert er drei Stipendiat*innen. 

Damit Flugzeugverkleidungen nicht abreißen oder Triebwerksschaufeln brechen, müssen Ingenieur*innen extreme physikalische Kräfte in Schach halten, sogenannte Schwingungen. Die Lösung dafür lautet: Dämpfung.

„Wir müssen verstehen, wie groß Schwingungen ausfallen und wie wir sie durch Reibung und Stöße gezielt dämpfen können. Nur so können wir stabile und betriebssichere Flugzeuge bauen“, erklärt Malte Krack. Der Professor am Institut für Luftfahrtantriebe (ILA) an der Universität Stuttgart beschäftigt sich mit der Strukturmechanik und -dynamik von Triebwerken für Luft- und Raumfahrtkonstruktionen. Sein Fokus liegt dabei auf Kontaktvorgängen und wie man deren Schwingungs- und Dämpfverhalten in Simulationen vorhersagbar machen kann. „Wir forschen auch an zukünftigen Methoden zur Schwingungsprüfung. Unser Ziel ist es, neue Theorien und Methoden bereitzustellen und zu demonstrieren, dass diese funktionieren.“ 

Die Herausforderung liegt im Detail: „Die meiste Dämpfung findet an Fügestellen statt, also sogenannten Kontaktvorgängen, wo Teile reib- oder formschlüssig zusammengebaut werden“, sagt Krack. Die Bewegungen innerhalb dieser Fügestellen sind meist hundertmal kleiner als ein menschliches Haar dick ist. Die Schwingungen, die gedämpft werden sollen, bewegen sich hingegen oft im Millimeterbereich, also Faktor 1000 bis 10.000 größer. „Wir haben es hier mit einem Mehr-Skalen-Problem zu tun“, erklärt Krack. „Für exakte Vorhersagen müssen all diese unterschiedlichen Längenskalen in einem Modell abgebildet werden.“ Doch klassische Simulationen und Messtechniken schaffen das bislang nicht.

Mit seinem Team entwickelt Krack deshalb neue Simulationsmethoden. Eines dieser Tools, wird bereits in der Industrie genutzt, etwa um bessere Triebwerke oder Gas- und Dampfturbinen zu bauen. Besonders im Leichtbau spielen präzise Vorhersagen eine bedeutende Rolle. „Je dünner und je leichter man baut, desto anfälliger sind die Strukturen gegenüber Schwingungen und desto mehr nichtlineare Effekte treten auf“, so Krack. Also physikalische Phänomene, die sich mit linearen Näherungen nicht abbilden lassen. Doch angewandte Simulations- und Messmethoden basieren auf linearen Ansätzen. „Das ist in etwa so als würde ich versuchen, einen Würfel durch ein rundes Loch zu drücken.“

Um dieses Problem zu lösen, nominiert Krack drei internationale Nachwuchsforschende für sein Team. Ausgezeichnet von der Alexander von Humboldt-Stiftung als Henriette Herz-Scout sucht er nun junge Talente mit Know-how in der Reibphysik, Strömungsmechanik oder im Energy Harvesting. Letzteres bietet einen vielversprechenden Forschungsansatz, freiwerdende Energie durch Reibung zu speichern und beispielsweise für den Betrieb von Mikrosensoren zu nutzen. „Das würde unsere Arbeit ideal ergänzen und wirklich auch Forschung ermöglichen, die sonst nicht denkbar wäre“, sagt Krack. Neben der fachlichen Expertise zählt für ihn vor allem eines: „Am meisten begeistert mich, mit jungen Leuten zusammenzuarbeiten, die für ihr Fach brennen. Ich hoffe, dass wir viel voneinander lernen können.“

Das Henriette Herz-Scouting-Programm richtet sich an Forschende verschiedener Karrierestufen und aller Fachrichtungen in Deutschland. Die Voraussetzung für die Funktion als Scout ist eine (Junior-)Professur oder vergleichbare Leitungsposition, zum Beispiel eine Gruppenleitung, sowie ein internationales Kooperationsnetzwerk. Scouts identifizieren exzellente Nachwuchsforschende aus dem Ausland und können bis zu drei internationale, wissenschaftliche Talente für ein zweijähriges Forschungsstipendium nominieren. Nach formaler Prüfung werden im Direktverleihungsverfahren jedes Jahr bis zu 100 Stipendien vergeben.

2020 erhielt die Universität Stuttgart den Henriette-Herz-Preis – eine Auszeichnung für strategisch ausgerichtete Rekrutierung und die Bindung hoch qualifizierter internationaler Nachwuchswissenschaftler*innen.