[INTERVIEW] Prof. Beni Cukurel: 3D-gedruckte Düsentriebwerke, eine Revolution der Mikrogasturbinen und die Zukunft der Energie

In einem großen Schritt in Richtung der Zukunft der Stromerzeugung und des Antriebs hat ein Team unter der Leitung von Associate Professor Beni Cukurel am Technion – Israel Institute of Technology, eine Mikrogasturbine mithilfe der additiven Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, entworfen. Diese revolutionäre Entwicklung stellt einen genialen Ansatz für das „Design for Additive Manufacturing“-Prinzip dar und stellt herkömmliche Fertigungsparadigmen deutlich in Frage.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungstechniken nutzten Cukurels Team und das Labor für Turbomaschinen und Wärmeübertragung das Potenzial von AM in seiner reinsten Form. In seinen Worten: „Wenn Sie [AM] nur als eine andere Fertigungstechnik verwenden, können Sie die Vorteile der additiven Fertigung nicht wirklich voll ausschöpfen.“ Anstatt AM einfach als alternatives Tool zu integrieren, hat das Team es als Kernressource neu konzipiert und Entwürfe von vornherein erstellt, um Einschränkungen zu erfüllen und die Vorteile von AM zu nutzen.

Im Mittelpunkt ihrer Forschung stehen Mikrogasturbinen, die für die proportionale Stromerzeugung ausgelegt sind. Cukurel definiert Mikrogasturbinen als Systeme, die in der Lage sind, Strom unter 300 Kilowatt und einen Schub unter zwei Kilonewton zu erzeugen. Mit dem AM-Ansatz startete das Team sein erstes Projekt, eine Mikrogasturbine im 5-cm-Maßstab, die möglicherweise 300 Watt für eine Drohne liefern könnte. Die Mikroturbine bietet aufgrund ihrer höheren Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine deutliche Verlängerung der Flugzeit.

Das Team blieb nicht bei der Mikrogasturbine stehen; Sie haben ihr AM-Wissen während der COVID-19-Krise weiter genutzt. Sie entwickelten ein vormontiertes, selbsttragendes Turbomaschinendesign für medizinische Beatmungsgeräte. „Wir haben dieses Know-how, das wir in vormontierten selbsttragenden Turbomaschinenarchitekturen entwickelt haben, auf Gasturbinen übertragen“, sagte Cukurel.

Der Durchbruch dieser vormontierten, selbsttragenden Mikrogasturbinen hängt von ihrer bedarfsgerechten Verfügbarkeit und Kosteneffizienz ab. Die Hauptkosten beschränken sich auf Maschinenzeit und Stromverbrauch, wodurch sich die Produktionskosten erheblich reduzieren.

Cukurel räumte ein, dass solch innovative Arbeit nur durch eine fruchtbare Zusammenarbeit mit dem von Karman Institute for Fluid Dynamics, der Izmir Katip Celebi University und PTC möglich sei. Bei dem von der NATO finanzierten Projekt brachte jede Partei ihr einzigartiges Fachwissen ein. Das Von-Karman-Institut lieferte hochpräzise Simulationen für Aerodynamik und Verbrennung, die Katip-Celebi-Universität Izmir stellte ihre Fähigkeiten im Bereich der numerischen Strömungsdynamik zur Verfügung, um die Tragfähigkeit hydrostatischer Lager zu bewerten, und PTC stellte sein umfangreiches Wissen in AM-Technologien zur Verfügung, insbesondere durch sein leistungsstarkes CAD Design- und Simulationsframework, Creo.

Leistungsoptimierung durch additive Fertigung

Cukurel geht auf die Designbeschränkungen für die additive Fertigung ein und erklärt, dass sie mit der Entwicklung eines Modells mit reduzierter Ordnung begonnen haben. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich hierbei um ein optimiertes Modell, das die entscheidenden Aspekte des ursprünglichen Systems beibehält, es jedoch zur einfacheren Analyse und Verwendung vereinfacht.

Bei der Konstruktion eines Strahltriebwerks steht traditionell die Aerodynamik im Mittelpunkt. Das Ziel besteht darin, Spitzenleistungen in Bezug auf die Thermodynamik zu erreichen, was sich auf das Schub-Gewichts-Verhältnis und den spezifischen Treibstoffverbrauch, also Leistung und Energiedichte, auswirkt. Dieser Ansatz scheitert jedoch bei miniaturisierten Motoren.

„Was wir geschaffen haben, sind Modelle reduzierter Ordnung, die alle im Motor vorhandenen Disziplinen erfassen. Dazu gehören unter anderem Aerodynamik, Wärmeübertragung, Rotordynamik und Verbrennung“, erklärt Cukurel. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie eine Symphonie zu einer Soloaufführung verdichten – Sie müssen die Essenz des Stücks bewahren und gleichzeitig die Fähigkeiten des Einzelspielers berücksichtigen.

Er erläutert weiterhin ausführlich, wie sie eine multidisziplinäre Optimierungsumgebung geschaffen haben, die alle Einschränkungen der additiven Fertigung von vornherein kennt. Das bedeutet im Grunde, dass sie ein System entwickelt haben, das von Anfang an die Grenzen dessen versteht, was es schaffen kann. Es ist wie bei einem erfahrenen Architekten, der weiß, dass er kein Dach entwerfen darf, dessen Winkel zu steil sind, als dass die Baumaterialien ihn tragen könnten.

Sie haben sichergestellt, dass jede Schicht, die während des Herstellungsprozesses aufgebaut wird, selbsttragend ist und gleichzeitig die Einschränkungen der additiven Fertigung einhält, zu denen unter anderem Überlegungen zu Auslegerwinkeln, Mindestdicken und Porosität gehören.

Auf die Frage nach dem Material des besprochenen Bauteils bestätigt Cukurel, dass es sich um ein Metallteil handelt, das mit einer EOS M 290 gedruckt wurde. „Wir verwenden Lithoz auch für die gesamte Keramikherstellung“, fügt er hinzu. Lithoz ist ein Keramikhersteller, den Cukurel sehr lobt und erklärt, dass er „sehr unterstützend und begeistert von dieser einzigartigen Anwendung der Technologie“ war.

Keramikkomponenten sind zwar schwieriger herzustellen, bieten aber Vorteile wie kleinere Defektgrößen und glattere Oberflächen, was zu einer verbesserten aerodynamischen Leistung führt. Diese Leistung führt zu erheblichen Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch, weshalb die Verwendung von Keramik für bestimmte Komponenten möglicherweise attraktiv ist.

Abschließend betont Cukurel, wie wichtig es ist, das konzeptionelle Designziel zu erreichen, und weist darauf hin, dass eine Abweichung von nur 5 % die Kraftstoffeinsparungen oder den Schub in fast gleicher Weise beeinflussen kann. In der Welt des Triebwerksdesigns können selbst kleinste Prozentpunkte zu großen Veränderungen führen. Die Kompressorleistung der Keramikteile war aerodynamisch etwa drei bis vier Prozentpunkte höher. „Ich weiß, es klingt klein, aber Sie wissen, dass Menschen ihr erstgeborenes Kind für den Leistungsunterschied von 1 % opfern“, sagte Cukurel.

Ist die Zukunft der Energie 3D-gedruckt?

Die Zukunft der Energie könnte durch israelische Forscher und ihre Arbeit an vormontierten Motoren mithilfe der 3D-Drucktechnologie neu erfunden werden. Ihr Projekt, das sich auf die Anwendung von Mikrogasturbinen in der dezentralen Energieerzeugung konzentriert, rüttelt an herkömmlichen Vorstellungen von Energieeffizienz und schafft neue Möglichkeiten für Nachhaltigkeit.

Cukurel bot zwei unterschiedliche Anwendungen für die Technologie an. Zunächst hob er die militärische Nutzung hervor, insbesondere unbemannte Flugsysteme. In diesem Bereich stellen Unterbrechungen der Lieferkette ein erhebliches Problem dar, da wichtige Betriebsabläufe möglicherweise sechs bis neun Monate lang ohne wesentliche Komponenten wie Lager auskommen. Die vormontierte Motorentechnologie umgeht dieses Problem, indem sie eine solche Lieferkette vollständig überflüssig macht.

Die zweite und wohl überzeugendere Anwendung ist die dezentrale Energieerzeugung. Die konventionellen Zentralkraftwerke haben eine Energieeffizienzobergrenze von etwa 65 %, was bedeutet, dass 35 % der erzeugten Energie einfach verschwendet werden. Cukurel schlug eine Lösung vor, die Kraft-Wärme-Kopplung mit verteilten Mikrogasturbinen vor Ort nutzt.

Er erklärte weiter: „Erneuerbare Energien sind unterbrochene Energiequellen. Darauf, ob es heute Wind gibt, will man sich doch nicht verlassen, oder? Sonst gibt es heute Sonne. Sie wollen Ihre Fabrik auf jeden Fall am Laufen halten. Wie können Sie dann ein flexibles, robustes Netz haben, selbst wenn Ihre erneuerbaren Energien produzieren oder nicht?“

Agil bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, über eine Strecke zu sprinten. Es bezieht sich auf die Fähigkeit, sich schnell an Veränderungen im Energiebedarf anzupassen und darauf zu reagieren. In diesem Fall handelt es sich bei diesen Veränderungen um die unvorhersehbaren Ergebnisse erneuerbarer Energiequellen. Herkömmliche zentralisierte Kraftwerke sind in diesem Rennen nicht gerade Usain Bolt – sie sind nicht für schnelle Veränderungen gebaut. Kleine Mikrogasturbinen hingegen schon.

Obwohl das transformative Potenzial dieser Technologie offensichtlich ist, liegt ein großes Hindernis in der Kapitalrendite. Derzeit sind die Kosten dieser Mikrogasturbinen zu hoch, um in einem angemessenen Zeitrahmen einen zufriedenstellenden ROI zu erzielen. Dennoch bietet die hier diskutierte Technologie einen potenziellen Durchbruch, da sie die damit verbundenen Kosten drastisch senkt.

Darüber hinaus planen diese Forscher, ihre Arbeit zu kommerzialisieren. Ein Spin-off von Technion ist in Planung und Partnerschaften mit Branchenakteuren und strategischen Investoren sind geplant. Cukurel äußerte sich begeistert über die potenziellen gesellschaftlichen Auswirkungen ihrer Arbeit, insbesondere über die Möglichkeit, Mikrogasturbinen in die Lage zu versetzen, Ammoniak zu verbrennen, das als erneuerbarer, umweltfreundlicher und kohlenstofffreier Brennstoff dienen könnte. Er erklärte leidenschaftlich: „Vergessen Sie die ganze Arbeit, die ich Ihnen gegenüber erwähnt habe. Okay, allein die Möglichkeit, eine Mikrogasturbine zu haben, die Ammoniak verbrennt, ist im Hinblick auf die Nachhaltigkeit ein Durchbruch.“

Ammoniak wurde bereits früher als Brennstoff verwendet, insbesondere während des Zweiten Weltkriegs in Belgien, doch die Brennkammerkonstruktionen für Gasturbinen haben sich seitdem erheblich verändert. Die von Cukurel und seinem Team entwickelte Technologie – eine Brennkammer mit porösen Medien – eignet sich besonders für die Verbrennung von Ammoniak. Obwohl sie die Brennkammer mit porösen Medien nicht erfunden haben, sind sie die ersten, die sie in diesem Bereich anwenden.

Da meine Neugier ausreichend geweckt war, beschäftigte ich mich weiter mit der Mechanik der Ammoniakverbrennung.

Nachhaltige Energie mit Ammoniakmotoren

Die mit Ammoniak betriebenen Motoren aus Kriegszeiten stellten eine Reihe von Herausforderungen dar, vor allem ihre Empfindlichkeit gegenüber Kraftstoff und ein allgemeiner Mangel an Flexibilität. Aus diesem Grund fanden Cukurel und sein Team Gasturbinen als geeignetere Technologie für ihr Projekt.

„Bei Gasturbinen“, erklärte Cukurel, „verwenden die meisten Brennkammerkonstruktionen eine völlig andere Technologie. Sie optimieren die Verdampfung, verfügen dann über diese Verdünnungsrohre, um den Brennstoff zu dosieren und die heißen Gase in die Turbine einzuleiten.“ Was das Technion-Team auszeichnet, ist die einzigartige Anwendung einer bestimmten Technologie – der Brennkammer mit porösen Medien. Dies ist das erste Mal, dass es auf ammoniakverbrennende Mikrogasturbinen angewendet wird, was ihre Arbeit bahnbrechend macht.

Lassen Sie uns den Begriff „Brennkammer für poröse Medien“ entmystifizieren. Dabei handelt es sich um einen speziellen Brennertyp, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem porösen Medium verbrannt wird, wodurch eine hocheffiziente, emissionsarme Verbrennung entsteht. Das ist nichts Neues; Es gibt es schon seit mindestens 50 Jahren. Bei traditionellen Herstellungsverfahren werden Schäume in eine Keramikaufschlämmung getaucht und anschließend gesintert. Allerdings hat man dadurch, wie Cukurel betont, „keine Kontrolle über die Porosität und deren Verteilung in Fließrichtung“.

Der Durchbruch liegt in der Anwendung der additiven Fertigung. Ich hatte das Glück, eine dieser Brennkammern zu beobachten, und was mir ins Auge fiel, war ihre Donutform mit einer organischen, blasenartigen Gitterstruktur im Inneren. Die Porosität dieser Struktur ändert sich in Strömungsrichtung, die in diesem Fall radial nach innen verläuft. Hier kommt der Nutzen des 3D-Drucks ins Spiel, da er eine Kontrolle des Porositätsgradienten ermöglicht, die mit herkömmlichen Herstellungstechniken nicht zu erreichen ist.

Cukurel ist außerdem Mitautor eines kürzlich erschienenen Artikels, der eine umfassende Analyse des Designs, der Produktion, der Montage und der Hochgeschwindigkeitstests monolithischer Rotoren unter Verwendung von Techniken der lithographiebasierten Keramikherstellung (LCM) und des selektiven Laserschmelzens (SLM) bietet. Mit dem Titel „Keramik- und Metalladditive Fertigung monolithischer Rotoren aus Sialon und Inconel und Vergleich der aerodynamischen Leistung für Mikroturbinen im 300-W-Maßstab“ ist dies die erste Studie, die Mikroturbomaschinenkomponenten, die mit diesen Methoden hergestellt wurden, unter Verwendung aerodynamischer und fertigungstechnischer Qualitätssicherungsdiagnostik direkt vergleicht. Der Artikel untersucht die aerodynamischen Auswirkungen des unterstützungsfreien Kompressor- und Turbinendesigns, formuliert detaillierte Fertigungsüberlegungen und Prozessparameter sowohl für LCM als auch für SLM und führt eine Qualitätsanalyse der Teile durch Oberflächen- und CT-Scans sowie REM-Mikrofotografie durch. Die Ergebnisse zeigen, dass LCM-Rotoren im Vergleich zu SLM-Rotoren höhere geometrische Details, eine bessere Oberflächengüte, weniger herstellungsbedingte Oberflächenartefakte und eine geringere Porosität aufweisen.

Diese bahnbrechenden Konzepte und zukünftigen Anwendungen könnten die Welt, wie wir sie kennen, verändern. Angesichts der existenziellen Bedrohung durch den Klimawandel sind Innovationen wie diese nicht nur faszinierend; Sie können für unser Überleben von entscheidender Bedeutung sein.

Lesen Sie hier mehr in unserer Interviewreihe:

Peter Hansford, CRO bei Wayland Additive, löst ein 20-jähriges Problem

Ali Forsyth, CEO von Alloy Enterprises, über additive Metallfertigung und Störungen

Katie Snediker, CEO Jett3D, findet eine profitable Nische im 3D-Druck

Paul Powers, Gründer von Thangs and Physna, über die Transformation des File-Sharing-Marktes für 3D-Design

Nadav Goshen, CEO von UltiMaker über Thingiverse, KI-Tools und eine Botschaft an die 3D-Druck-Community

Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks aus?

Welche technischen Herausforderungen müssen im kommenden Jahrzehnt im Bereich der additiven Fertigung bewältigt werden?

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Die oben genannten Projekte wurden wie folgt unterstützt:

Ultramikrogasturbine im 5-cm-Maßstab (UMGT)Die Aktivität wurde vom US Army Research Laboratory finanziertAdditiv gefertigtes vormontiertes Mikro-Turbostrahltriebwerk (APE)

Das Turbomaschinen- und Wärmeübertragungslabor des Technion-Israel Institute of Technology leitete in Zusammenarbeit mit PTC, dem von Karman Institute for Fluid Dynamics und der Katip Celebi University Izmir den multidisziplinären Designprozess für Turbomaschinen. Die Aktivität wurde teilweise durch das NATO-Programm „Wissenschaft für Frieden und Sicherheit“ finanziert.

Die Forschungsideen wurden durch digitale Modellierung und simulationsgestütztes Design der gesamten Motortopologie in Creo, einer CAD-Software von PTC Technology, umgesetzt. Darüber hinaus trug EOS Systems durch die Implementierung des effizienten Prozesses für die additive Fertigung dazu bei, den digitalen Faden zu vervollständigen. Unter Verwendung von Inconel 718-Pulver wurden die endgültigen geometrischen Proof-of-Concept-Demonstratoren vom Israel Institute of Materials Manufacturing Technologies, das der Forschungs- und Entwicklungsstiftung des Technion angeschlossen ist, auf EOS M290 und von EOS Systems auf EOS M300-Druckern gedruckt.

Verbrennung von Ammoniak in porösen Medien

Zusammenarbeit mit Asst. Prof. Joe Lefkowitz

Die Aktivität wurde vom israelischen Energieministerium finanziert

Das Bild zeigt den geometrischen Technologiedemonstrator eines additiv gefertigten vormontierten Mikroturbostrahltriebwerks. Foto vom Technion Turbomachinery and Heat Transfer Laboratory.

Michael Petch ist Chefredakteur bei 3DPI und Autor mehrerer Bücher zum Thema 3D-Druck. Er ist regelmäßiger Hauptredner auf Technologiekonferenzen, wo er Vorträge wie 3D-Druck mit Graphen und Keramik und den Einsatz von Technologie zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit gehalten hat. Michael interessiert sich vor allem für die Wissenschaft hinter neuen Technologien und die damit verbundenen wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen.