Flugzeuginspektionen der nächsten Generation

Bei der Zunahme der Flugzeug-Intelligenz (oder was immer man als solche bei Maschinen bezeichnen mag) im Cockpit gibt es große Bedenken. Andernorts im Flieger aber können Sensoren und intelligente Verbundwerkstoffe durchaus die Sicherheit erhöhen.

An der Luftfahrt-Universität Embry Riddle in den USA testen Forscher, wie man künftig Materialuntersuchungen am fertigen Flugzeug im Einsatz störungsfrei und kontinuierlich durchführen kann. Drahtlose Sensoren, eingebettet in Verbundwerkstoffen, könnten Strukturschwächen oder Materialfehler rechtzeitig vor dem Bruch erkennen.

Die Sensoren sind piezoelektrisch, sie erzeugen also eine spezifische elektrische Ladung als Rektion auf unterschiedliche mechanische Beanspruchungen. Diese Zinkoxid-Nanodrähte, die in Verbundwerkstoffen eingebettet sind, verstärken zudem die Flugzeugmaterialien. Das ist wichtig, da sich die Schichten aus faserverstärkten Kunststoff-Verbundwerkstoffen, die in Flugzeugen verwendet werden, im Laufe der Zeit  auseinanderziehen oder sich delaminieren können.

Die Idee ist, diese Sensoren direkt in die Struktur zu integrieren. Denn die meisten Fehler treten während des Betriebs auf, während die Struktur einer Last ausgesetzt ist. Das klappt natürlich auch bei einer Vielzahl anderer Strukturen, wie Automobile oder Brücken und sogar Sportgeräte, während sie verwendet werden.

Wenn sie das spezifische elektrische Signal berechnen können, das von Zinkoxid-Nanodrahtsensoren unter verschiedenen Lastniveaus erzeugt wird, könnten diese elektrischen „Fingerabdrücke“ mit der genauen Größe eines Materialdefekts korreliert werden, so der Wissenschaftler hinter der Idee: Professor of Aerospace Engineering Marwan Al-Haik.

Fluggesellschaften könnten drahtlos Daten empfangen, um ihre Flotte kontinuierlich zu überwachen. Al-Haik: „Unsere Hoffnung ist, dass, wenn wir diese Korrelation zwischen Defektgröße und elektrischem Signal haben, beispielsweise bei einer Risslänge ab fünf Millimeter ein Signal an eine Bodenstation gesendet wird.

Bestehende Inspektionstechnologien beinhaltet oft „jemanden mit einer Ultraschallpistole“, der um ein Flugzeug auf dem Boden herumläuft und sich auf kritische Bereiche wie Gelenke und Nähte konzentriert, an denen am häufigsten Defekte auftreten. Andere Inspektionsmethoden umfassen das Stauben von Oberflächen mit magnetisiertem Metallpulver, um Risse zu erkennen, oder die Verwendung von Glasfaserkabeln, die in Schichten eines Luftfahrtmaterials eingebaut sind – ein Ansatz, der nach Al-Haik sogar Risse verursachen kann.

Die Technik, die dahinter steckt

Für alle, die sich ernsthaft für die Technologie interessieren, weitere detailliertere technische Informationen (in Englisch):

Forscher Al-Haik veröffentlichte kürzlich mit seiner Doktorandin Suma Ayyagari vorläufige Ergebnisse im Journal of Carbon Research.

Basis dazu sind weitere Veröffentlichungen von Suma Ayyagari:

The research article, “Mechanical and Electrical Characterization of Carbon Fiber/Bucky Paper/Zinc Oxide Hybrid Composites,” published Jan. 18, 2018, describes the mechanical attributes of zinc-oxide enhanced carbon fiber-reinforced composites (CFRPs) versus CFRPs incorporating nanotubes called buckypaper.

“There are certain hybrid composite combinations that could lead to the development of highly multifunctional composites with better strength, stiffness, damping and electrical conductivity,” the authors wrote.

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