Spiegel gegen Turbulenzen

Hinter Flugzeugen entstehen Luftwirbel, die für nachfolgende Maschinen vor allem bei Start und Landung gefährlich werden können. Künftig soll ein Messgerät an Bord solche Turbulenzen erkennen und den Piloten warnen.

Kernstück des neuen Sensors ist ein Laser, der den Luftraum vor dem Flugzeug abrastert. Die Lichtpulse werden gelenkt durch einen neuartigen, superleichten Präzisionsspiegel, der sich innerhalb von Sekundenbruchteilen beschleunigen und abbremsen lässt. Der Spiegel ist auf der Optatec vom 22. bis 25. Juni in Frankfurt am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft Halle 3, Stand D 65 zu sehen.

Der Luftverkehr nimmt zu. Viele Luftstraßen sind bereits überlastet. Bei Starts und Landungen kommt es an großen Flughäfen regelmäßig zu Verzögerungen. Die Verkehrsdichte lässt sich jedoch nicht steigern, denn die Flugzeuge müssen bis zu sechs Meilen, das entspricht 11,1 Kilometern, Sicherheitsabstand halten. Nur so ist sichergestellt, dass das nachfolgende Flugzeug nicht in die »Wirbelschleppe« der vorausfliegenden Maschine gerät. Da ein Kontakt mit diesen Luftturbulenzen zum Absturz ganzer Flugzeuge führen kann, ist der Sicherheitsabstand reichlich bemessen – obwohl die Wirbelschleppe im Einzelfall vielleicht nicht mehr gefährlich wäre. »Wenn man die Position und das tatsächliche Ausmaß der Luftwirbel direkt messen könnte, ließe sich der Sicherheitsabstand an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen und verkürzen. Die Start- und Landefrequenzen auf Flughäfen könnten so erhöht werden«, sagt Thomas Peschel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena.

Im EU-Projekt I-Wake – die Abkürzung setzt sich zusammen aus den englischen Begriffen »Instrumentation« und »Wake«, also »Wirbelschleppe« – entwickelt Peschels Arbeitsgruppe zusammen mit acht Teams aus vier Ländern einen Sensor, der feststellen kann, wann die Luft ruhig genug ist für einen sicheren Start. Der optische Scanner zur Erkennung von gefährlichen Turbulenzen soll künftig an Bord von Verkehrsflugzeugen schnelle und zuverlässige Messergebnisse liefern. Derzeit wird der Prototyp an Bord einer Cessna getestet.

»Das Messprinzip ist relativ einfach«, erklärt Peschel: »Ein Laser schickt Pulse in den Luftraum vor dem Flugzeug, das Licht wird an Aerosolen oder Staubteilchen gestreut und von einem Detektor registriert.« Der Doppler-Effekt sorgt dafür, dass sich die Frequenz der Laserpulse verändert, je nachdem, ob sich die Staubpartikel auf den Strahl zu oder von ihm weg bewegen – ähnlich wie eine Polizeisirene heller klingt, wenn sich das Einsatzfahrzeug auf uns zu bewegt und tiefer, wenn es von uns weg fährt. Aus der Verschiebung der Wellenlänge des gestreuten Laserlichts kann eine Software innerhalb von Sekundenbruchteilen errechnen, ob die Luft nach einem Flugzeugstart noch turbulent oder bereits wieder ruhig ist.

»Für uns lag die Herausforderung bei der Geräteentwicklung darin, mit dem Laserstrahl den Luftraum vor dem Flugzeug in einer relativ hohen Frequenz abzurastern«, erinnert sich Peschel. »Man braucht für die Messapparatur einen relativ großen und steifen Hochpräzisionsspiegel mit einer Kantenlänge von 11 mal 15 Zentimetern, der sich in einer Sekunde siebeneinhalb Mal hin- und herbewegt. Die Kombination aus extremer Oberflächenqualität, großer Spiegelfläche und hoher Geschwindigkeit ist mit herkömmlichen, massiven Spiegeln nicht realisierbar, da die auftretenden Beschleunigungen Trägheitskräfte hervorrufen, die die optisch wirksamen Fläche verbiegen.«

Die Lösung der Fraunhofer-Ingenieure lautete: abspecken. Um die Masse zu minimieren, wurde die Aluminiumplatte durchlöchert, aus der der Spiegel durch Ultrapräzisionsdrehen gefertigt wird. Die Bohrungen verlaufen im Inneren, parallel zur Oberfläche und beeinträchtigen in keiner Weise die optischen Eigenschaften. Gleichzeitig bleibt auch die Rückseite des Spiegels als geschlossene Fläche zur Versteifung erhalten. »Auf diese Weise können wir einen Scanner-Spiegel herstellen, der die gewünschte optische Qualität und Steifigkeit liefert, gleichzeitig aber auch schnell beschleunigt und abgebremst werden kann«, resümiert Peschel.

Interessierte Journalisten sind herzlich eingeladen, den Stand der Fraunhofer-Gesellschaft auf der Optatec zu besuchen. Wir erwarten Sie in Halle 3 Stand 65. Für Terminabsprachen wenden Sie sich bitte an Annedore Munde 03641/807370.