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Interview mit

Dr. Kai-Daniel Büchter

Technologieradar

In der Luftfahrt werden Abhängigkeiten von Technologien, Einsatzbedingungen und Netzwerkeffekten immer wichtiger.
Dr. Kai-Daniel Büchter

Dr. Kai-Daniel Büchter ist seit April 2011 am Bauhaus Luftfahrt tätig. Der 36-jährige promovierte Physiker ist Mitarbeiter im Forschungsbereich „Technologieradar“ und zuständig für die Themen Photonik, Sensorik sowie Informations- und Kommunikationstechnologien.

Woran forschen Sie gerade, Herr Dr. Büchter?

Im Rahmen der Identifizierung technisch möglicher und zukünftig relevanter Konzepte bin ich an grundsätzlichen Potenzialbewertungen verschiedener Technologien interessiert. Ich untersuche unter anderem „Fliegende Kommunikationsnetzwerke“ (Airborne Ad-hoc Networks, AAHN). Vorteile sind hier die hohen Bitraten durch Einbindung von freistrahloptischen Telekommunikationsverbindungen, die kein Funkspektrum benötigen, sowie neue Möglichkeiten durch die Vernetzung der Flugzeuge untereinander. Für die Untersuchungen haben im Laufe der letzten Jahre mehrere unterwiesene Studenten und ich eine integrierte Simulationsumgebung für die weltweite AAHN-Simulation in einem dynamischen Luftfahrt-Transportnetzwerk aufgebaut. Im kürzlich abgeschlossenen TERA-Förderprojekt („Thermoelectric Energy Recuperation for Aviation“, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogrammes) war ich in einem Forschungskonsortium als Projektleiter tätig und an der Untersuchung einer ganz anderen Technologie beteiligt; es ging hier um die Umwandlung von Triebwerksabwärme in elektrische Energie, um konventionelle Generatoren zu entlasten und das Flugzeug so effizienter zu gestalten. Dies kommt prinzipiell auch dem steigenden Elektrizitätsbedarf neuer Flugzeuggenerationen entgegen.

Welche Relevanz hat Ihre Arbeit für die Zukunft der Luftfahrt?

Die Digitalisierung und Trends der zunehmenden Elektrifizierung im Mobilitätsbereich sind gute Beispiele dafür, dass viele Technologieentwicklungen, die nicht aus der klassischen Luftfahrtforschung stammen, identifiziert und deren Innovationspotenziale im Kontext bewertet werden müssen. Aktuell bin ich z. B. in Projekte zur Überwachung von Flugzeugstrukturen und -systemen eingebunden, die eine Verbesserung der Materialeffizienz in der Wartung sowie eine Erhöhung der Kraftstoffeffizienz und der Verfügbarkeit von Flugzeugen im Flottenbetrieb versprechen. Die Verbesserungen werden durch eine genauere Informationsbasis über das Nutzungsverhalten sowie den Zustand von Bauteilen und -gruppen erreicht. Dabei spielen insbesondere neue Verfahren zur Verarbeitung und Verwertung sehr großer Datenmengen sowie die steigenden Datenverarbeitungs- und Übermittlungskapazitäten durch die wachsende Anzahl von Sensoren schon heute eine wesentliche Rolle.

Welche Methoden beziehungsweise Werkzeuge wenden Sie an?

Der Anspruch von Potenzialanalysen ist es, qualitative und quantitative Ersteinschätzungen unter anderem für den potenziellen Nutzen neuer Konzepte zu erarbeiten. Bei der Bewertung von innovativen Einzeltechnologien oder von Technologien in einem neuen Kontext müssen zunächst geeignete „Leistungsmerkmale“ beziehungsweise Metriken definiert werden, z. B. um konkurrierende Technologien vergleichbar zu machen. Die Methoden zur Auswertung werden in Form von mathematischen Modellen in Software-Umgebungen implementiert. Der Umfang kann für erste Abschätzungen relativ gering sein, z. B. wenn es um die physikalische Beschreibung einer Einzeltechnologie mit analytischen Formeln geht. Bei der Modellierung von Telekommunikationsverbindungen wird es schon komplexer – hier spielt die Systemauslegung eine Rolle sowie z. B. die Bedingungen in der Erdatmosphäre, die modellhaft berücksichtigt werden. Die Simulationen zu fliegenden Netzwerken haben eine recht hohe Komplexität erreicht, da hier Flugbewegungen, Infrastruktur, Netzwerkalgorithmus und Wolken einbezogen werden.

Was sind die Ergebnisse Ihrer Arbeit?

Unsere Simulationen der fliegenden Netzwerke zeigen auf, dass der beteiligten Flotte eine maßgebliche Bedeutung zukommt. Kurzstreckenflugzeuge fliegen oft in sehr dichten Lufträumen, sodass das simulierte Kommunikationsnetzwerk für diese Flugzeuge eine sehr hohe Verfügbarkeit aufweist. Bei Langstreckenflugzeugen wird die Situation schon schwieriger, und die Betrachtung einzelner Fluglinien reicht meist ebenfalls nicht aus, da diese natürlich nicht all ihre Maschinen über ähnliche Routen schicken. Ein Fazit ist, dass es Geschäftsmodelle geben sollte, um die Kooperation von Fluglinien zu unterstützen – denkbar wären z. B. regulatorische Maßnahmen durch internationale Organisationen wie die ICAO, die Beteiligung „Dritter“ als Dienstleistungsanbieter der Kommunikationsinfrastruktur oder auch ökonomische Belohnungsanreize für die Airlines, z. B. durch Anbieter von Datendiensten. Ein weiteres Fazit ist, dass die intelligente Einbindung von Breitband-Satellitenkommunikation Verfügbarkeit und Durchsatz stark verbessern kann. Als weiteres Beispiel wurde im TERA-Projekt der Einfluss der thermoelektrischen Generatoren auf den Kraftstoffbedarf eines Referenzflugzeuges ermittelt. Am konkret betrachteten Einsatzort des thermoelektrischen Generators stellte sich das Einsparpotenzial geringer heraus als ursprünglich erwartet, da insbesondere die lokalen Temperaturverhältnisse und der Wärmetransport über die Grenzschichten einen begrenzenden Einfluss haben. Aus dieser Einsicht und aufbauend auf den entwickelten Methoden konnten so jedoch auch Handlungsempfehlungen für notwendige Schritte in der Technologieentwicklung in Form einer Forschungs- und Entwicklungs-Roadmap abgeleitet werden.

Inwiefern bietet das Bauhaus Luftfahrt das beste Umfeld für Ihre Forschungen?

Das Bauhaus Luftfahrt bietet die Möglichkeit, in einem interdisziplinären Umfeld an aktuellen Fragestellungen zu arbeiten. Darüber hinaus ist der Kontakt zu unseren Industriepartnern für das Verständnis der praktischen Problemstellungen bereichernd und lehrreich – insbesondere wenn man aus einem akademischen Umfeld kommt, in dem der Fokus der Forschungsfragen tendenziell thematisch enger begrenzt und von Gesamtsystemaspekten isoliert war. Der Luftfahrtbezug war hierbei immer reizvoll für mich. Ich habe mich von Beginn an für Luftfahrtthemen interessiert und als Doktorand eine Privatpilotenausbildung absolviert. Meine akademische Ausbildung als Physiker und mein eher privates Luftfahrtinteresse konnte ich somit sehr gut am Bauhaus Luftfahrt zusammenbringen.

Was waren Ihre Stationen vor dem Bauhaus Luftfahrt?

Vor dem Bauhaus Luftfahrt habe ich in Paderborn Physik studiert und im Bereich der integrierten Optik, d. h. der Optik in Wellenleitern und integrierten Bauteilen, promoviert. Ein Anwendungsgebiet meiner Forschung war die Freistrahl-Laserkommunikation, die ich während eines Forschungsaufenthaltes an der Stanford University im Labormaßstab untersuchen konnte. Die damals gewonnenen Erkenntnisse zur Laserkommunikation spielen auch in unserem Konzept der fliegenden Netzwerke eine wesentliche Rolle.