Inhalt Contents 2 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Die drei Säulen des Bauhaus Luftfahrt The three focus areas of Bauhaus Luftfahrt 1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Neue Wege für innovative Lösungsansätze 2 New ways for innovative solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3 Neue Wege in Methoden und Prozessen 3 New ways in methods and processes . . . . 82

Inhalt Contents 4 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. 1 Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt 1 New ways through the drivers of aviation 20 Herausforderungen und Entwicklungsperspektiven für Drehkreuzflughäfen in Europa Challenges and development perspectives for European hub airports 22 Anforderungen an Konzepte für personalisierte Mobilität im Luftverkehr des Jahres 2050 Requirements for concepts of personalised mobility in air transport of the year 2050 24 Das Luftverkehrssystem in Jahr 2050: Ein reibungsloses Passagiererlebnis The air transport system in 2050: Towards a seamless passenger experience 26 Strahlungsabschirmung im Luftverkehr: Nanomaterialien und Synergieeffekte für Wasserstoff-Flugzeuge Radiation shielding in air traffic: Nanomaterials and synergy effects from cryoplane technology 28 Nachhaltige Leichtbau mate rialien für die Luftfahrt: Erneuerbare Faserverbund werkstoffe Sustainable lightweight materials for aviation: Renewable fibre composites 30 Untersuchung einer Strukturüberwachung für formadaptive Systeme Exploration of structural health monitoring for active compliant systems 32 Quantifizierung des globalen Bioenergiepotenzials: Jatropha curcas und Plantagenholz Quantification of the global bioenergy potential: Jatropha curcas and short-rotation coppices 34 Kerosin aus Algen: Lebens zyklusanalyse und wirtschaft liche Machbarkeit Jet fuel from algae: Life cycle analysis and eco nomic feasibility 36 Perspektiven für eine umfangreiche Versorgung mit „solaren“ Kraftstoffen Perspectives for a large-scale supply with “solar” fuels

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Über das Bauhaus Luftfahrt About Bauhaus Luftfahrt Das Bauhaus Luftfahrt ist eine interdisziplinäre Forschungseinrich- tung, getragen von den vier Luft- und Raumfahrtunternehmen Air- bus Group, Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft (IABG), Liebherr- Aerospace und MTU Aero Engines sowie einer Förderung durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie . Der gemeinnützige Verein ist eine inter- national ausgerichtete Ideenschmiede, die sich mit ihrem Team aus rund 50 Mitarbeitern mit der Zukunft der Mobilität im Allgemeinen und mit der Zukunft des Luftverkehrs im Besonderen befasst . Ziel der Forschungsarbeit ist es, das komplexe System der Luftfahrt aus vielerlei Blickwinkeln zu betrachten: Bei allen Projekten werden technische, wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologische As- pekte ganzheitlich berücksichtigt . In Anlehnung an die Tradition des „Bauhaus“, Deutschlands historischer Hochschule für Gestaltung, versteht sich auch das Bauhaus Luftfahrt als fachübergreifender „Think Tank“ . Im Dessau der 1920er-Jahre wirkten unter der Leitung von Walter Gropius Ar- chitekten, Maler und Bildhauer eng zusammen . Auf diese Weise ent stand ein breit gefächertes Kompetenzspektrum . Genau das realisiert das Bauhaus Luftfahrt für die europäische Luftfahrtbran- che, und zwar nicht nur im interdisziplinären Dialog von Ingenieu- ren, Ökonomen, Informatikern, Physikern, Chemikern, Geographen, Kultur- und Sozialwissenschaftlern, sondern auch in enger Koope- ration mit Industrie, Wissenschaft und Politik . Das Bauhaus Luftfahrt arbeitet unabhängig und im öffentli- chen Interesse . Innovative Ideen müssen dort nicht per se markt- orientiert reifen . Vielmehr gibt das Bauhaus Luftfahrt Antworten auf die Frage, welche Alternativen für die Anforderungen der Zu- kunft denkbar sind . Dabei bestehen für die Wissenschaftler des Kre ativzentrums kaum gedankliche Tabus . Allerdings wird streng darauf ge achtet, dass visionäre Konzepte und Strategien stets auch anwendungsorientiert und technisch machbar sind . Grund- lage zur Entwicklung tragfähiger Lösungen bilden somit immer die klassischen Disziplinen der Physik und der Ingenieurwissenschaft . Bauhaus Luftfahrt is an interdisciplinary research institution funded by the four aerospace companies Airbus Group, Industrieanlagen- Betriebsgesellschaft (IABG), Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well as through grants from the Bavarian Ministry for Economic Affairs, Media, Energy and Technology. The non-profi t association is an internationally oriented think tank . Its team of around 50 employees deals with the future of mobility in general and with the future of air travel in particular . The goal of the re- search work is to consider the complex system of aviation from different points of view . In every project, the technical, economic, social and ecological aspects are considered holistically . In keeping with the “Bauhaus” tradition, Germany’s once re- nowned School of Design, Bauhaus Luftfahrt has set out to be a multi disciplinary think tank . In Dessau in the 1920s, architects, painters and sculptors worked closely together under the direction of Walter Gropius, leading to the emergence of a widely diversifi ed spectrum of expertise . This is exactly what Bauhaus Luftfahrt is achieving within the European aviation industry – not only in the interdiscip linary dialogue between engineers, economists, com- puter scientists, physicists, chemists, geographers, cultural experts and social scientists, but also in close cooperation with industry, science and politics . The registered association works independently and in the interest of the public . Here, innovative ideas do not need to be developed to commercial maturity . Rather, Bauhaus Luftfahrt pro- vides answers to the question of which alternatives could conceiv- ably meet tomorrow’s requirements . Scientists at the creative cen- tre are virtually unconstrained by notional taboos . However, strict attention is paid to the fact that visionary concepts and strategies are also always application-oriented and technically feasible . Thus, the traditional disciplines of physics and engineering science in- evitably create the foundation for the development of sustainable solutions . 8 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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Neue Wege in der Luftfahrt – drei Forschungsschwerpunkte New ways in aviation – Three focus areas Die Arbeiten am Bauhaus Luftfahrt orientieren sich an den drei wesentlichen Forschungsschwer- punkten: Treiber der Luftfahrt, innovative Lösungsansätze sowie neue Methoden und Prozesse. The research at Bauhaus Luftfahrt is oriented along three main focus areas: drivers of aviation, innovative solutions, and new methods and processes. 1 Treiber der Luftfahrt 1 Drivers of aviation Unter den Treibern der Luftfahrt werden äußere Einflüsse wie die sozialen und ökonomischen Randbedingungen des Luftverkehrs verstanden, aber auch singuläre Technologien, die das Potenzial eines radikalen Entwicklungsschritts in der Luftfahrt versprechen . Dies sind zum Beispiel alternative Kraftstoffe, aber auch technolo- gische Fortschritte bei elektrischen Speichern . Drivers of aviation represent movements in the external influences, such as the social and economic developments affecting air trans- port, as well as singular technologies indicating the potential for radical development steps in aviation . For the latter, alternative fuel solutions as well as technological developments in electrical storage are only two examples . 14 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Neue Wege durch die Treiber der Luftfahrt New ways through the drivers of aviation 16 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Herausforderungen und Entwicklungsperspektiven für Drehkreuzfl ughäfen in Europa Challenges and development perspectives for European hub airports Europäische Drehkreuzfl ughäfen sehen sich einem zunehmenden globalen Verkehrsvolumen und somit einer erhöhten Nachfrage bei gleichzeitigen Kapazitätsengpässen gegenübergestellt. Dies führt immer häufi ger zu Flugverspätungen und langen Wartezeiten bei der Abfertigung. Zugleich stehen Flughäfen stärker im Wettbewerb zueinander, da Passagiere eine größere Auswahl an Airlines und Flugverbindungen haben. Letzteres ist unter anderem auf schnell wachsende Flughäfen im Nahen Osten zurückzuführen sowie auf die Strategie der Fluggesellschaften, mehrere Knotenpunkte zu eta- blieren. Analysen am Bauhaus Luftfahrt identifi zierten mögliche Stra- tegien zur Begegnung dieser Herausforderungen durch eine stär- kere Zusammenarbeit von Flughäfen und Netzwerk-Airlines. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine engere Kooperation durchaus zur Optimierung der luft- und landseitigen Prozesse von Airlines führen kann. Da Zeitersparnis ein wichtiges Entscheidungskriterium für Passagiere ist, könnten zum Beispiel kürzere Umsteigezeiten die Wett- bewerbsposition beider Partner stärken und die Nachfrage erhö- hen. Flughäfen könnten zudem Synergieeffekte durch die Bildung von Allianzen kreieren: Amsterdam Schiphol und Paris Charles de Gaulle zum Beispiel sind bereits eine Kooperation eingegangen, um zusätzliche Einnahmen und Kosteneinsparungen zu generieren. Zu- sätzlich soll diese Zusammenarbeit das Netzwerk der Skyteam-Al- lianz um Air France-KLM stärken. Weitere Forschung am Bauhaus Luftfahrt wird sich mit den Auswirkungen des Wettbewerbs auf die Preissetzung am Flughafen oder die zukünftige Netzwerkkonfi - guration von Airlines befassen. European hub airports face continuously growing global traffi c vol- umes and at the same time capacity shortages, congestion and delays. Competition for these airports has also become stronger as passengers can choose from an increasing number of airlines, con- nections and frequencies. Major airlines have adopted multi-hub strategies to become less dependent on a single hub. New hubs have been growing over the last years, especially in the Middle East, taking an increasing share of global traffi c fl ows. Research at Bauhaus Luftfahrt identifi ed possible strategies to meet these challenges taking into account the strong linkage between hub airports and network carriers. First results show that more intensive cooperation can help them to make airline hub pro- cesses such as the minimum connecting time faster and more ef- fi cient. As passengers are eager to save time, shorter connecting times can be a real competitive advantage and create additional demand for the services of both the airport and the airline. Hub airports can also strengthen their competitive position by cooper- ating directly with each other: for example, Amsterdam Schiphol and Paris Charles de Gaulle have recently formed an alliance to ge n- erate cost and revenue synergies as well as to better support the Skyteam airline alliance network of Air France-KLM. Further re- search at Bauhaus Luftfahrt will evaluate the effects of increasing airport competition on airport pricing strategies or airline network confi gurations. 20 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Anforderungen an Konzepte für personalisierte Mobilität im Luftverkehr des Jahres 2050 Requirements for concepts of personalised mobility in air transport of the year 2050 Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme der Techni- schen Universität München und Airbus hat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 eine Szenariostudie zum Thema „Personalisierter Luftverkehr“ durchgeführt. Unter Anleitung erfahrener Experten bün delten die teilnehmenden Studenten verschiedene Ausprä- gungen politischer, technologischer, gesellschaftlicher und ökolo- gischer Faktoren in drei unterschiedlichen Szenarien. Daraus ent- wickelten sie Anforderungen an zukünftige Mobilitätskonzepte für einen komfortableren Transport. In einem der Szenarien wird der Verkehr stärker durch den Staat reguliert. Die öffentliche Infrastruktur entwickelt sich über Stadtgrenzen hinaus zu einem eng verknüpften, standardisierten Verkehrsnetz. Die Bevölkerung akzeptiert dies, da neue automati- sierte technische Systeme effiziente Verkehrsflüsse ermöglichen. Ausgehend von diesen Rahmenbedingungen entwickelten die Stu- denten ein neues Mobilitätskonzept auf Basis eines neuartigen Kabinenmodules. Dies könnte über standardisierte Schnittstellen in sämtliche Verkehrsmittel implementiert werden. Die Passagiere sparen sich das Umsteigen, kommen schneller am Reiseziel an und können die Reisezeit freier nutzen. Durch eine arbeitsplatz ähnliche und besonders komfortable Ausstattung der Kabine kann das An- gebot an die persönlichen Bedürfnisse verschiedener Zielgruppen angepasst werden. Auf dieser Grundlage sollen zukünf tige Mo bi - li tätslösungen weiter konkretisiert und detailliert ausgearbeitet werden. Together with the Institute of Aircraft Design at Technische Uni- versität München and Airbus, Bauhaus Luftfahrt carried out a scenario study on the topic “personalised mobility” in 2013. Under guidance from experts, participating students bundled different characteristics of political, technological, social and environmen tal factors into three different scenarios. This allowed them to derive important requirements for future mobility concepts and develop solutions for comfortable transportation. One of the scenarios is characterised by increasing polit i cal regulation. The public infrastructure extends well beyond existing city boundaries and emerges to a closely connected, standardised transport network. The new system is accepted by the public as automated, technical systems enable efficient traffic flows. Based on this framework the students developed a new mobility concept envisioning innovative cabin modules. Through standardised inter- faces, this could be implemented into various means of transport. Passengers economise transfer processes, reach their destination in a shorter period of time and are able to utilise the entire travel time more freely. A particularly convenient cabin configuration that resembles a work place enables a transport service supply accord- ing to the personal needs of diverse target groups. On this basis, new solutions for mobility shall be substantiated and further de- veloped. Mögliche Mobilitätskonzepte, die von den Studenten aus den verschiedenen Anforderungen der drei Szenarien zu personalisierter Mobilität entwickelt wurden: Mit solchen Konzepten könnte der Transport für die gesamte Bevölkerung effizienter abgewickelt werden. Außerdem würden die individuellen Bedürfnisse der Passagiere stärker berücksichtigt. Possible mobility concepts that have been developed of the students in re- gard to the different requirements of the three scenarios to personalised mobility: Using such concepts, transportation could increase its efficiency for the entire population. Moreover, individual needs of the passengers could be incorpo- rated and better fulfilled. 22 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Das Luftverkehrssystem im Jahr 2050: Ein reibungsloses Passagiererlebnis The air transport system in 2050: Towards a seamless passenger experience Die steigende Passagiernachfrage, eine zunehmende Urbanisie- rung und breit gefächerte Passagierbedürfnisse erhöhen bereits heute den Druck auf die Transportsysteme. Da deren Kapazität und Infrastruktur jedoch nicht einfach erweitert werden können, analy- sierte das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013, wie bestehende Struk- turen effi zienter genutzt werden können, um eine problemlose und komfortable Reise für die Passagiere zu ermöglichen. Diese sehen sich Unterbrechungen und Verspätungen beson- ders häufi g ausgesetzt, wenn sie zwischen verschiedenen Verkehrs- mitteln wechseln müssen. Um Passagieren stattdessen ein durch- gängig angenehmes Reiseerlebnis zu bieten, untersuchte das Bau- haus Luftfahrt gezielt Schnittstellen und mögliche Kooperationen zwischen verschiedenen Verkehrsträgern und analysierte die Aus- wirkungen auf heutige Geschäftsmodelle. Erste Erkenntnisse deu- ten bereits an, dass sich Effi zienzgewinne für Reisende und andere Interessengruppen im Transportsystem durchaus realisieren ließen, indem modulare Transportprozesse angepasst und relevante Daten, beispielsweise zu Passagierströmen und - präferenzen, über die ge- samte Transportkette hinweg verfügbar gemacht werden. Die in- volvierten Parteien würden sich somit die Verantwortung für den Transportprozess teilen und Passagiere hätten einen einzigen Be- zugspunkt über die ganze Reise hinweg. Da dieser Ansatz aber auch bestehende Geschäftsmodelle der verschiedenen Anbieter obsolet machen kann, will das Bauhaus Luftfahrt zukünftig weitere Studien durchführen, um Anreize für eine proaktive Beteiligung der Ver- kehrsdienstleister zu identifi zieren und somit zu einem nahtlosen zukünftigen Transportsystem beizutragen. Growing demand, continued urbanisation and diversifi ed personal needs already put additional strain on existing transportation sys- tems. As capacity and infrastructure cannot easily be expanded, Bauhaus Luftfahrt in 2013 investigated possibilities for effi ciency improvements in existing systems in order to enable a hassle-free and comfortable journey for travellers. Such travellers often face disruptions and delays particularly when changing between different modes of transport. In order to provide passengers with a seamless and enjoyable travel experi- ence instead, Bauhaus Luftfahrt analysed areas for possible coop- eration between different modes and identifi ed the effects on to- day’s business models. First results indicated that effi ciency gains could be achieved not only for the passenger but also for stake- holders across the transport system if the modular transport pro- cess was aligned and relevant data, for example on passenger fl ows and preferences, shared across stakeholders. The latter there fore would have to share responsibilities to a larger degree in order to provide a single point of contact for passengers through- out their entire journey. As such changes would also have the po- tential to undermine current business models, Bauhaus Luftfahrt plans to conduct additional studies in order to identify incentives for the proactive engagement of stakeholders to create a truly in- terconnected future transport system. 24 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Strahlungsabschirmung im Luftverkehr: Nanomaterialien und Synergieeffekte für Wasserstoff-Flugzeuge Radiation shielding in air traffic: Nanomaterials and synergy effects from cryoplane technology Seit 2011 stellt das Bauhaus Luftfahrt gegenwärtige Trends im Flugverkehr, wie die zunehmende Nutzung von Polarrouten und größere Flughöhen, der damit einhergehenden kosmischen Strah- lenbelastung gegenüber und forscht an Möglichkeiten zur Abschir- mung von Flugpersonal, Passagieren und Bordelektronik. Im Jahr 2013 befassten sich die Wissenschaftler speziell mit der Entwick- lung von Strahlenschutzkonzepten gegen kosmische Neutronen, von denen die größte Gesundheitsbedrohung und Anfälligkeit für Avionikausfälle ausgeht. Zur Abschirmung gegen Neutronen kommen leichte Verbund- werkstoffe auf Polymer-Basis in Frage, die Teilcheneinschlüsse mit absorbierenden Eigenschaften aufweisen, üblicherweise mit Grö- ßen im Mikrometer-Bereich. Das Bauhaus Luftfahrt hat jedoch ge- zeigt, dass, in Relation zur Materialdichte, eine optimale Abschir- mung erst dann auftritt, sobald die Größe dieser Einschlüsse in den Nanometerbereich fällt. Solche Nanoverbundwerkstoffe könnten zum Beispiel als millimeterdicke Schichten oder Schäume auf die Kabinendecke aufgetragen werden. Darüber hinaus konnte das Bauhaus Luftfahrt zeigen, dass flüs siger Wasserstoff als alternativer Langzeitkraftstoff den weiteren Vorteil aufweist, durch seine Tieftemperaturtanks hindurchtretende hochenergetische Neutronen stark abzubremsen, bevor sie ins Kabi- neninnere gelangen. Die daraus resultierende Reduktion ihrer ge- sundheitsschädlichen Wirkung, optimierbar durch den zusätzlichen Einsatz von Nanomaterialien, ergäbe ein signifikantes Potenzial für gleichzeitig strahlungsarmes und nachhaltiges Fliegen. Since 2011, Bauhaus Luftfahrt confronts ongoing trends in air traf- fic, such as growing polar route frequencies and flight altitudes with risks arising from cosmic radiation, and searches for radiation shielding solutions for air crew, passengers and avionics. In 2013, the focus was placed on the development of radiation protection concepts against cosmic neutrons, from which the dominant haz- ard to humans and risk of avionic failures arises. Candidate materials for lightweight neutron protection in- clude composite materials with a polymeric phase featuring neu- tron-absorbing particle inclusions, traditionally of micrometre size. Bauhaus Luftfahrt has, however, shown that optimised shielding at minimal weight penalty emerges as soon as the size of the inclu- sions reduces to the nanometre range. Such nanocomposites could be applied as millimetre-thin films, foams or pastes to the ceiling of an aircraft’s cabin interior. Moreover, Bauhaus Luftfahrt could demonstrate that liquid hydrogen as a long-term fuel alternative exhibits the co-benefit of effectively slowing down highly energetic neutrons when they pass through the cryogenic fuel tanks before entering the cabin interior. The associated reduction of their harmful effect, optimised by the combined use of nanomaterials, would result in a significant poten- tial for sustainable air traffic growth at low radiation levels. 26 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Nachhaltige Leichtbau- mate rialien für die Luftfahrt: Erneuerbare Faserverbund- werkstoffe Leichtbau ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg eines Flugzeugkonzeptes, da ein geringes Gewicht den Kraftstoffver- brauch reduziert und sich somit positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Um den steigenden Bedarf an Leichtbaumaterialien aus Faserverbundwerkstoffen zu decken, werden große Mengen von Aus gangschemikalien wie Acrylnitril und Epoxid-Harzen benötigt, die derzeit noch überwiegend aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden. Auf der Suche nach einer nachhaltigen Alternative hat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 unter anderem Naturfasern sowie Lignin- und Zellulose-basierte Karbonfasern untersucht, wie sie im Automobilbau diskutiert werden. Die Bewertung dieser Werkstoffe hat jedoch gezeigt, dass ihre Anwendung in lasttragenden Struk- turkomponenten aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit und gerin- ger mechanischer Belastbarkeit kaum in Frage kommt. Um erneuerbare Faserverbundwerkstoffe mit uneinge- schränkter Tauglichkeit für die Luftfahrt identifi zieren zu können, hat das Bauhaus Luftfahrt die sogenannte „loom-in“-Fähigkeit als neues Kriterium erkannt und defi niert. Analog zu „drop-in“ -fähigen Kraftstoffen haben „loom-in“-fähige Fasern die gleichen Ei gen- schaften wie ihre konventionell hergestellten Alternativen und könnten somit identisch eingesetzt oder weiterverarbeitet werden. Als ein erstes Beispiel dafür hat das Bauhaus Luftfahrt bereits Kar- bonfasern aus nachhaltig hergestelltem Acrylnitril identifi zieren können. Weitere neuartige Produktionspfade sollen folgen, um auch ihre Produkte hinsichtlich der Eignung für die Luftfahrt zu bewerten. Sustainable lightweight materials for aviation: Renewable fi bre composites Lightweight design is an essential requirement for the success of an aircraft concept, as a lower weight reduces fuel burn and leads to an improved operating cost base. To cope with the increasing demand for lightweight fi bre composite materials, large amounts of required precursor chemicals like acrylonitrile and epoxy-resin are required. Today, these are predominantly extracted from fossil feedstock. Looking for a renewable solution, Bauhaus Luftfahrt in 2013 conducted research on natural fi bres as well as lignin- and cellu- lose-based carbon fi bres, which are already discussed for auto- motive applications. However, an assessment of these materials showed that an application in load-bearing components barely comes into consideration due to their lack of reliability and their low mechanical resilience. To identify renewable fi bre composites with uncompromised suitability for aeronautic applications, Bauhaus Luftfahrt has iden- tifi ed and defi ned the so-called “loom-in”capability as a new attrib- ute. In analogy to the “drop-in” capability of alternative fuels, “loom-in”-capable fi bres have similar properties as their fossil pre- decessors and could therefore be used or processed in an identical way. As a fi rst example of such a “loom-in” solution, the researchers have identifi ed a carbon fi bre produced from sustainable acrylo- nitrile. In order to assess even more alternative fi bre composites in regard to their suitability for aviation, Bauhaus Luftfahrt will con- duct analyses on further renewable production pathways in the future. 28 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Untersuchung einer Strukturüberwachung für formadaptive Systeme Exploration of structural health monitoring for active compliant systems Mit seiner Konzeptstudie Ce-Liner aus dem Jahr 2012 hat das Bau- haus Luftfahrt gezeigt, dass ein vollelektrischer Antrieb auch dras- tische Änderungen in der Flugzeugstrukturauslegung nach sich zieht. Teile des C-Flügels der Studie beinhalten zum Beispiel Ideen zur Nutzung stärker ausgeprägter Formadaptivität (Englisch: active compliant systems, kurz: ACS), dem sogenannten „Morphing“. Im Jahr 2013 hat das Bauhaus Luftfahrt in weiterführenden For- schungsarbeiten erstmals mögliche Synergien zwischen dem form- adaptiven oberen Flügel des Ce-Liners und sogenannten Struktur- überwachungssystemen (Englisch: structural health monitoring, kurz: SHM) untersucht. Die große Materialvielfalt eines „morphenden“ Flügelsys- tems machte die Auswahl geeigneter Sensorik zur Überwachung des Flügels nicht einfach. Die Flügelholme bestehen beispielsweise aus Karbonfaser-verstärktem Kunststoff, die Rippen aus Alu minium und die Flügelhaut aus verstärktem Elastomermaterial. Aus einem umfangreichen Katalog an Kandidatentechnologien wählten die Wissenschaftler deshalb für jede Komponente des ACS den aus- sichtsreichsten Sensortyp aus, indem Aufl ösungsvermögen und Ma terialeigenschaften miteinander abgeglichen wurden. Mit der so erhaltenen Kombination moderner photonik- und elektronikba - sier ter Sensoren soll nicht nur das korrekte Morphing-Verhalten si- chergestellt werden, sondern es sollen auch mögliche Beschädi- gungen und Materialermüdung zuverlässig überwacht werden. Ne- ben einer be darfsgerechten Planung von Wartungsarbeiten kön - nen dank SHM bereits in der Entwurfsphase Verbesserungen der Struktureffi zienz implementiert werden. Bauhaus Luftfahrt’s 2012 pre-concept study Ce-Liner highlighted that a fully electric propulsion system could incur dramatic changes in aircraft structural design. Parts of the study’s characteristic C-wing for example envisaged the application of active compliant systems (ACS), often referred to as “morphing” devices. In a follow-up study conducted in 2013, Bauhaus Luftfahrt for the fi rst time explored the potential for synergy between such “morphing” capabilities, installed in the top part of the Ce-Liner’s wing, and so-called Structural Health Monitoring (SHM). The diversity of materials employed in the “morphing” system posed challenges for the identifi cation of suitable sensor technolo- gies to monitor the wing structure. The wing’s spars, for example, are made of carbon-fi bre-reinforced plastics, while trusses are made of aluminium and the fl exible skin consists of reinforced elastomer- ic materials. From an extensive pool of candidate technologies, the researchers then selected the most promising sensor type for each component of the ACS by matching sensitivity ranges with material properties. The resulting astute combination of modern photonic and electronic sensor technologies is expected to not only ensure the correct movement of the “morphing” system, but should also reliably monitor structural integrity and possible material degrada- tion. Apart from a tailored maintenance planning during operation, such a system could enable aircraft designers to implement further improvements in structural effi ciency already at the design stage. 30 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Quantifizierung des globalen Bioenergiepotenzials: Jatropha curcas und Plantagenholz Quantification of the global bioenergy potential: Jatropha curcas and short-rotation coppices Das Bauhaus Luftfahrt erforscht das weltweite Potenzial biogener Kraftstoffe, unter anderem für den Luftverkehr. Dafür werden die physikalischen Grenzen der Biomasseproduktivität auf Basis geo- referenzierter, also auf der Erdoberfläche eindeutig lokalisierter In- formationen in der höchsten Detailgenauigkeit und unter Berück- sichtigung strenger Nachhaltigkeitskriterien analysiert. Bereits im Jahr 2012 wurde berechnet, dass weltweit 1,36 Milliarden Hektar zur Kultivierung von Biomasse für die Kraftstoffproduktion verwen- det werden könnten. Im Jahr 2013 wurde dieser einmalige Ansatz erstmals voll- ständig zur Anwendung gebracht, und zwar für die strauchartige Öl pflanze Jatropha curcas und für Plantagenholz. Dazu mussten die Standortbedingungen der potenziell verfügbaren Oberflächen mit den Anforderungen der ausgewählten Energiepflanzen abge- glichen werden. Mit Hilfe einer Ertragsmodellierung ist es dem Bauhaus Luftfahrt anschließend gelungen, hochaufgelöste Produk- tivitätskartierungen zu erstellen und daraus das globale Biomasse- und Biokraftstoffpotenzial zu bestimmen. Demnach könnten weltweit jährlich 295 Millionen Tonnen (Mt) synthetischen Kerosins aus Jatrophaöl und 3.730 Mt aus Plan- tagenholz generiert werden. Diese hohen theoretischen Potenziale bilden jedoch keineswegs die reale Verfügbarkeit von Biokerosin ab. Für deren Quantifizierung müssen auch realökonomische As- pekte, wie Produktionsverluste, Konkurrenznutzung von Rohstoffen oder schwankende Preise, berücksichtigt werden. Entsprechende Arbeiten werden im Fokus weiterer Forschungsaktivitäten am Bau- haus Luftfahrt stehen. Bauhaus Luftfahrt is investigating the global potential of biogenic fuels with special focus on air transport. Therefore, the physical limits of biomass productivity are analysed on the basis of spatially explicit data with the highest level of detail and under consider- a tion of strict sustainability criteria. It was calculated in 2012 al- ready that globally 1.36 billion hectares could be used to culti vate biomass for fuel production. As of 2013, this unique approach was fully implemented for the first time, namely for the perennial shrubby oil-bearing plant Jatropha curcas and for short-rotation coppice (SRC). In order to do that, the habitat conditions of the potentially available surfaces had to be matched with the requirements of the selected en- ergy crops. Subsequently, Bauhaus Luftfahrt was able to compile high-resolution productivity maps by means of crop-productivity modeling and, on this basis, to quantify the global biomass and biofuel potential. Accordingly, 295 million tonnes (Mt) of synthetic jet fuel could be produced globally and annually from Jatropha curcas and 3,730 Mt from SRC. However, these high theoretical potentials do not reflect the real availability of aviation biofuel. For quantifying the latter, additional real-economy aspects need to be taken into ac- count, such as production losses, competition for feedstock or im- pact on price development. Corresponding efforts represent an important part of ongoing and future research activities at Bauhaus Luftfahrt. 32 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Kerosin aus Algen: Lebens zyklusanalyse und wirtschaft liche Machbarkeit Jet fuel from algae: Life cycle analysis and eco nomic feasibility Algen gehören zu den faszinierendsten Rohstoffen für alternative Kraftstoffe, da sie im Vergleich zu Landpfl anzen große Mengen Bio- masse in sehr kurzer Zeit produzieren können. In der Natur tritt diese Eigenschaft bei Algenblüten eindrucksvoll zu Tage. Der ho- hen Biomasseproduktivität steht jedoch ein hoher technischer Auf- wand bei der Kultivierung und Verarbeitung der Algen gegenüber. In Analysen muss daher sowohl die ökologische als auch die öko- nomische Tragfähigkeit einer algenbasierten Kraftstoffproduktion kritisch betrachtet werden. Das Bauhaus Luftfahrt bestimmt die Nachhaltigkeit der Pro- duktion von Kraftstoff aus Algen mit Hilfe der Methode der Öko- bilanzierung. Ein Ergebnis dieser Methode ist der sogenannte CO2-Fußabdruck. Dieser gibt Auskunft darüber, welche Menge klima schädlicher Treibhausgase im Zuge von Kraftstoffproduktion und -verbrennung freigesetzt wird. Die Wirtschaftlichkeit des Kraft- stoffs wird von den Wissenschaftlern durch die Abschätzung der Herstellungskosten ermittelt, zum Beispiel mit Hilfe statistischer Kostenmodelle von Produktionsanlagen. Durch den kombinierten Einsatz der ökologischen und öko- nomischen Bilanzierungsmethoden konnte das Bauhaus Luftfahrt kritische Aspekte entlang der gesamten Prozesskette identifi zie- ren. Einen solchen Aspekt stellen die großen Wassermengen dar, die während der Kultivierung und Verarbeitung der Algen bewegt werden müssen. Ein intelligentes Wassermanagement ist daher Voraussetzung, um die benötigte Pumpenergie zu minimieren und die Kraftstoffproduktion aus Algen nachhaltig zu gestalten. Algae belong to the most fascinating feedstock for alternative fuels. One major advantage in comparison to land-based crops is their ability to produce large amounts of biomass within a short time frame, as naturally occurring algae blooms have impressively demonstrated. However, besides the fact that algae show high bio- mass productivity, their cultivation and processing is highly com- plex. Therefore, both the economic and ecological viability of algae- based fuel production requires critical analysis. Bauhaus Luftfahrt evaluates the sustainability of algae fuel production using the Life Cycle Assessment method. One important result of this method is the so-called carbon footprint. This footprint is an indicator for the amount of harmful greenhouse gases that are released into the atmosphere during the production and subse- quent usage of the fuel. The economic viability of the fuel is deter- mined by its production costs. In order to quantify these costs along the entire production chain, Bauhaus Luftfahrt applies for instance statistic cost models of production facilities. By combining both ecological and economic analyses Bau- haus Luftfahrt identifi es the critical aspects in the production chain. One such aspect is related to the large quantities of water that have to be moved through the cultivation system. Intelligent water man- agement is therefore a fundamental requirement in order to min- imise the energy input and to develop sustainable fuel production from algae. 34 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

1 Treiber der Luftfahrt Drivers of aviation Perspektiven für eine umfangreiche Versorgung mit „solaren“ Kraftstoffen Perspectives for a large-scale supply with “solar” fuels Solare Kraftstoffe versprechen durch effi ziente Umwandlung von Sonnenenergie eine beinahe unbegrenzte Kraftstoffversorgung. Das Bauhaus Luftfahrt untersucht daher verschiedene solare Kraftstoffpfade mit besonderem Schwerpunkt auf solar-thermo- chemischem Kerosin. Das Hauptargument für solare Kraftstoffe ist ihr enormes Res- sourcenpotenzial. Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt bestätigte, dass ein kleiner Anteil der weltweiten Wüstenfl äche für die Versor- gung der Luftfahrt ausreichen würde. Für den solar-thermochemi- schen Pfad ergibt sich ein moderater Wasserbedarf für Kraftstoff- synthese und Reinigung des Spiegelfelds. Selbst wenn entsalztes Meerwasser per Pipeline bezogen wird, bleibt der Einfl uss auf das Energie- und Kostenbudget geringfügig. Deutlich aufwändiger ist die Versorgung mit Kohlendioxid (CO2) zur Erzeugung „drop-in“-fä- higer Kohlenwasserstoffe. In den benötigten Mengen steht CO2 nicht als Abfallprodukt zur Verfügung. Pilotanlagen zur CO2-Extrak- tion aus der Luft deuten auf einen signifi kanten Energie- und Kos- tenaufwand hin, der aber kein Ausschlusskriterium darstellt. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse identifi zierte den solaren Um wandlungswirkungsgrad sowie die Kosten einer nachhaltigen CO2-Versorgung als Schlüsselfaktoren im Wettbewerb mit fossilen und Biomasse-basierten Kraftstoffen. Um die erwarteten Investiti- onskosten für das Spiegelfeld zu amortisieren, leitet das Bauhaus Luftfahrt für den Umwandlungswirkungsgrad einen Zielwert von etwas mehr als zehn Prozent ab, der aus thermodynamischer Sicht mit solar-thermochemischen Prozessen erreichbar erscheint. Solar fuels promise a virtually unlimited fuel supply enabled by ef- fi cient conversion of sunlight. Bauhaus Luftfahrt investigates sever- al solar fuel options with a research focus on solar-thermochemical kerosene. The principal argument for solar fuels is the abundance of the solar resource. Bauhaus Luftfahrt’s assessment confi rmed that a small fraction of the world’s desert area would be suffi cient to satisfy any reasonable aviation fuel demand. An analysis specifi c to the solar-thermochemical fuel path reveals a manageable wa- ter demand for fuel synthesis and cleaning of the mirror fi eld; the contribution to the energy and cost budget is insignifi cant even in case of seawater desalination and subsequent pipeline transport. More challenging is the supply with volume quantities of carbon dioxide (CO2), which is required if sunlight is to be converted into drop-in-capable hydrocarbon fuel. At large scale it seems implau- sible to utilise waste CO2. Early demonstrations of carbon capture from air indicate that future energy and cost penalties will be sig- nifi cant, but not prohibitively large. An economic analysis showed that high sunlight-to-fuel con- version effi ciency and the availability of sustainable CO2 at mo d- erate cost are key requirements to achieve competitive pricing in comparison to fossil or biomass-based fuels. From its current cost model Bauhaus Luftfahrt derives that conversion effi ciencies slight ly beyond ten per cent will be required to amortise the ex- pect ed cost of the mirror fi eld, which is well within thermodynamic limits for solar-thermochemical cycles. 36 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Neue Wege für innovative Lösungsansätze New ways for innovative solutions 38 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions 40 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Untersuchung von Batterien als Schlüsseltechnologien des elektrischen Fliegens Assessment of batteries as key technologies for electric fl ight Das Bauhaus Luftfahrt untersucht bereits seit längerem die Zu- kunftsperspektive für vollelektrisch betriebene Verkehrsfl ugzeuge im kommerziellen Einsatz. Deren Nutzlast, Reichweite und Flugdau- er werden vor allem durch Batterien als die wichtigste Schlüssel- technologie des Elektrofl uges bestimmt. So entstanden in den letzten Jahren in der allgemeinen Luftfahrt mehr als 35 batterie- oder hybridelektrisch angetriebene Flugzeuge oder Helikopter. Die- ser Zuwachs ist vor allem der rasanten Technologieentwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien zu verdanken, die dementsprechend auch im Fokus der Zukunftstechnologie-Analyse im Bauhaus Luft- fahrt steht. Deutliche Anzeichen für die schnelle Entwicklung des Elektrofl ugs sind unter anderem der aktuelle Geschwindigkeitsre- kord von 326 Stundenkilometern, ein Verbrauch pro Passagier, der 0,7 Litern auf 100 Kilometern entspricht, und Flugzeiten von bis zu drei Stunden. Weit mehr als zum Beispiel im Automobilbereich steht beim Flugzeug aber das Gewicht einzelner Komponenten im Mittelpunkt, da das Abfl uggewicht die benötigte Startleistung und den Gesamt- energieverbrauch stark beeinfl usst. Dies ist eine luftfahrtspezifi - sche Anforderung an elektrische Antriebssysteme, während sich die Reich weite, wie auch im Straßenverkehr, aus der gespeicher- ten Energiemenge ergibt. Für diese zweifache Herausforderung, ein hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis bei möglichst großer spe- zifi scher Energie zur Verfügung zu stellen, bieten sich in der Batte- rieentwicklung mehrere Ansatzpunkte, von denen das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 die spezifi sche Energie im Rahmen einer Potenzialanalyse detailliert aufgearbeitet hat. Die maximale Menge an gespeicherter Energie wird durch die in der Batterie verwendeten positiven und negativen Elektrodenma- terialien bestimmt. Aus der Fachliteratur entnommene Informatio- nen wie chemische Zusammensetzung, Gleichgewichtsspannung, re versible Lithium-Ionen-Einlagerung, Dichte des Materials und elek trische Leitfähigkeit dienen als Berechnungsgrundlage für zu- künftig plausible spezifi sche Energien von Lithium-Ionen-Batterien. Derzeit enthält die Datenbank des Bauhaus Luftfahrt insgesamt cir- ca 30 Elektrodenmaterialien. Unter Beibehaltung des heutigen De- signs der Batteriezelle lassen einige dieser Kombinationen eine > For quite some time, Bauhaus Luftfahrt has analysed the future potential of electrically powered commercial air transport vehicles. Their payload, range and fl ight time predominantly depend on bat- teries as the most important key technology for electric fl ight. In recent years, more than 35 fi xed-wing or rotary-wing aircraft with battery or hybrid-electric propulsion were developed in the ge neral aviation sector. This increase has been fostered by impressive ad- vancements in lithium-ion battery technology, which hence form an important fi eld of future technology analysis at Bauhaus Luft- fahrt. The fast development of electric fl ight is furthermore well do c- umented by the current speed record of 326 kilometres per hour, an energy consumption per person equivalent to 0.7 litres per 100 kilometres, and fl ight times of up to three hours. To a much greater extent than in automotive applications, an aircraft must focus on the weight of its components, since the take- off weight directly impacts the required takeoff power and overall energy demand during fl ight. This is an additional, aviation-specif- ic requirement for electric power trains and batteries that hence dif fers from the energy storage capability, which is equally crucial for a vehicle’s range in both ground and airborne applications. The twofold challenge of high specifi c power and simultaneously high specifi c energy is met by several developments in battery research, of which Bauhaus Luftfahrt in 2013 analysed in detail the potential for specifi c energy increase. The maximum amount of stored energy is determined by the choice of positive and negative electrode materials. Information on chemical composition, equilibrium potential, reversible lithium-ion insertion, material density and electric conductivity as document- ed in the literature is used to calculate feasible specifi c energy values for future lithium-ion batteries. Currently, around 30 elec- trode materials are inventoried in Bauhaus Luftfahrt’s database, hinting at possible specifi c energies in the range of 400 to 1000 watt-hours per kilogramme (Wh / kg) for a state-of-the-art battery cell design. In comparison to commercially available batteries to- day, this would represent a two- to fi ve-fold increase in specifi c ener- gies. However, it should be noted that even by using batteries in the 1000 Wh / kg range, a medium-sized commercial aircraft > 42 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions spezifi sche Energie zwischen 400 und 1000 Wattstunden pro Kilo- gramm (Wh / kg) realistisch erscheinen. Dies käme einer Steigerung um einen Faktor zwei bis fünf gegenüber den spezifi schen Energien in heute kommerziell erhältlichen Batterien gleich. Doch selbst un- ter Verwendung von Batterien mit 1000 Wh / kg besäße ein mittel- großes Verkehrsfl ugzeug wie der Ce-Liner aus dem Bauhaus Luft- fahrt nur eine wenig konkurrenzfähige Reichweite von wenigen Hundert Kilometern. In ihrer Rolle als kombinierte Energiespeicher und -wandler, die nicht wie in herkömmlichen Antrieben den Kraftstoffspeicher und die Verbrennungsmaschine als völlig unabhängig skalierbare Freiheitsgrade zulassen, ist für Batterien neben der Art der Materi- alien auch ihre Struktur entscheidend. Darin sind vor allem die Grenzfl ächen zwischen Elektroden und Elektrolyt entscheidend, denn sie bestimmen die Diffusionswege und elektrochemischen Reaktions- und Austauschraten, die in direktem Bezug zur erreich- baren Leistungsdichte der Batterie stehen. So erschließt sich das enorme Potenzial mancher Elektrodenmaterialien auch in Bezug auf ihre Zyklenfestigkeit und Stabilität erst durch eine Nanobe- schichtung und -strukturierung. Forschung und Entwicklung im Be reich der Nano strukturierung von Materialien sind daher ein Schlüssel zur Realisierung der zukünftigen Perspektive elektrischer Verkehrsfl ugzeuge und werden daher auch ein weiteres Schwer- punktthema der Technologieanalyse am Bauhaus Luftfahrt sein. such as Bauhaus Luftfahrt’s Ce-Liner would only have a non-com- petitive range of no more than a few hundred kilometres. The combined role of batteries as energy carriers and conver- sion devices is very different from conventional propulsion systems, where fuel tank and combustion engine are available as independ- ently scalable degrees of freedom. In contrast, the performance of batteries is simultaneously infl uenced by the choice of electrode materials and by their structure. In the latter, the surface properties between electrodes and electrolyte determine ion diffusion paths and electrochemical reaction rates, which are directly related to the achievable level of battery-specifi c power. Nanocoat ings and nano-structuring of electrode materials are seen as be nefi cial means to successfully exploit the performance potentials as well as low degradation and structural stability. Scientifi c prog ress with res- pect to material nano-structuring will therefore be a key to the de- velopment of electric transport aircraft. Hence, this research fi eld will provide a future focus area for technology analysis at Bauhaus Luftfahrt. 44 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Charakterisierung hybrider Systemarchitekturen für elektrische Flugzeuge Characterisation of hybrid system architectures for electric aircraft Studien des Bauhaus Luftfahrt haben bereits gezeigt, dass konven- tionelle Gasturbinen bereits hochoptimiert sind und Verbesserun- gen nur noch limitiert möglich sind. Zudem werden universellelek- trische, batteriebetriebene Luftfahrzeuge zumindest für die ab seh- bare Zukunft auf niedrige Leistungsklassen beschränkt bleiben, weil sie für die kommerzielle Luftfahrt zu große Kompromisse bei Reichweite und Nutzlast erfordern (siehe Seite 42). In diesem Zu- sammenhang konnten Forscher des Bauhaus Luftfahrt zeigen, dass hybride Antriebskonzepte mit zwei oder mehr Energiespei- chern und/oder -wandlern, von denen mindestens einer sich vom konventionellen System aus Kerosin und Turbine unterscheidet, die Rolle einer Brückentechnologie einnehmen können. Bei der Analyse hybrider Systeme verfolgt das Bauhaus Luft- fahrt eine Doppelstrategie: Zum einen haben die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren einen ausführlichen Katalog relevan- ter Komponententechnologien, ihres Skalierungsverhaltens sowie ihres zukünftigen Entwicklungspotenzials erstellt, der auch 2013 wieder deutlich erweitert und aktualisiert wurde. Dieser beinhaltet einfache physikalische Skalierungsmodelle, unter anderem für nor- mal- und supraleitende elektrische Maschinen, Leistungselektro- nik und Kabel. Diese ermöglichen es, geeignete Antriebssysteme für einzelne Missionsabschnitte sowie deren beste Kombination für ganze Transportanwendungen zu finden. Weiterhin beobachten die Wissenschaftler auch hybride Konzepte und Entwicklungsbe- mühungen in anderen Sektoren, zum Beispiel in der Automobil- branche, und untersuchen sie in Bezug auf einen möglichen Wis- sens- und Technologietransfer in die Luftfahrt. In den Analysen des Bauhaus Luftfahrt deutete sich bereits an, dass zukünftige elektrische Komponenten wie beispielsweise Brennstoffzellen, Bat- terien, elektrische Motoren und Generatoren dank neuer Materia- lien und Entwicklungen noch leichter, kleiner und leistungsfähiger werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten die Wissenschaft- ler auch bereits erste hybride Konzepte identifizieren, mit denen bei sorgfältiger Auslegung deutliche Emissionsersparnisse bei mi- nimierten Leistungsnachteilen erzielt werden könnten. > Studies at Bauhaus Luftfahrt have already shown that highly opti- mised conventional gas turbines only offer limited remaining po- tential for further improvement. Moreover, universally electric, bat- tery-powered aircraft for commercial aviation will remain restrict- ed to low-power segments, at least for the foreseeable future, because they require too many compromises in range and payload (see page 42). In this context, researchers at Bauhaus Luftfahrt were able to show that hybrid propulsion concepts with two or more energy storage and/or power conversion devices, of which at least one is different from the conventional system of kerosene and turbo-engine, may act as a technological stepping stone in the electrification of commercial aviation. Bauhaus Luftfahrt’s approach to studying hybrid systems is twofold. On the one hand, relevant component technologies, their sca ling properties and future development potentials have been compiled into an extensive catalogue over several years, which could again be significantly enlarged and updated in 2013. This cata logue includes simple physics-based scaling models, among others for high temperature superconducting as well as normal conducting electric machines, power converters and cables. Using these models, suitable power systems for selected mission seg- ments and their optimal combination for specific transport applica- tions can be identified. Moreover, Bauhaus Luftfahrt researchers scrutinise hybrid concepts and development efforts from other in- dustries such as in the automotive sector with respect to a possible transfer of knowledge and technology into the aviation context. The analyses already document to what extent future electric com- ponents such as fuel cells, batteries, electric motors and genera- tors will be smaller, lighter and better performing due to new ma- terials and developments. Based on these results, the researchers were moreover able to start identifying hybrid concepts which, if carefully designed, can achieve significant emission savings while minimising reductions in performance. On the other hand, Bauhaus Luftfahrt is seeking to establish > a transparent and comprehensive set of parameters to charac- 46 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Das zweite Augenmerk des Bauhaus Luftfahrt liegt auf dem Be- streben, ein transparentes und umfassendes Parametersystem zur Charakterisierung hybrider Antriebskonzepte zu erstellen. Damit ließen sich deren missionsspezifi sche Vorteile in universell ver- gleichbarer Weise bestimmen. Insbesondere erlauben es bestimm- te Parameter, spezifi sche Optimierungsprobleme zu lösen, zum Beispiel hinsichtlich minimaler Kohlendioxid-Emissionen für eine feste Transportaufgabe. Verschiedene Umsetzungen einer hybrid- elektrischen Antriebskombination können beispielsweise erst dann vollständig charakterisiert werden, wenn neben einer Angabe zur Leistungsverteilung auf elektrische und konventionelle Leistungs- erzeuger auch eine Festlegung zur Energiespeicherung, entweder in Treibstoff oder in Batterien an Bord des Flugzeugs, existiert. Sol- che „Hybridisierungsgrade“ können anschließend in Betrachtun- gen auf der operationellen Ebene einfl ießen. Diese besitzen wiede- rum eigene Parameter und unterscheiden sich beispielsweise durch das Verhältnis von benötigter Dauer- zu Spitzenleistung während einer Flugmission oder entsprechender zeitlicher Verläufe. Durch die Einbeziehung von sowohl System- als auch Missionsparame- tern kann das Bauhaus Luftfahrt missionsabhängige Vorteile hybri- der Systeme umfassend analysieren und Ergebnisse leichter ver- allgemeinern. In Zukunft könnte der Hybridisierungsgrad des Sys- tems so direkt als Entwurfsparameter im Auslegungsprozess neu- artiger Luftfahrzeugkonzepte verwendet werden. terise hybrid power systems. This may serve to quantify mis sion- specifi c benefi ts in a universally comparable way. In particular, these parameters are useful in solving specifi c optimisation problems, such as minimal carbon-dioxide emissions for a given transport task. Different realisations of a hybrid-electric power train can only be characterised uniquely if the analysis is not limited to the power split between electric and conventional power conversion devices, but also considers the distribution of the energy stored on-board in fuel or in batteries. Such a “de- gree of hybridisation” may then be used in studies on the oper- ational level. They moreover rely on their own set of parameters, such as the ratio of required cruise to take-off power for a given mission, or the respective mission duration. Making use of both system- and mission-dependent parameters, Bauhaus Luftfahrt is able to identify mission-specifi c advantages of hybrid systems and to generalise results in a straightforward way. In the future, the “degree of hybridisation” could be used as an additional par- ameter to open up new degrees-of-freedom in the sizing pro- cess of novel aircraft concepts. 48 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Vorkonzeptionelle Leistungs- betrachtungen elektrisch versorgter Flugantriebe Pre-concept performance investigation of electrically powered aero propulsion Übertrüge man die selbstgesteckten Emissionsreduktionsziele der Luftfahrtbranche für das Jahr 2050 auf den Wirkungsgrad des An- triebssystems, so müsste dieser gegenüber heutigen Flugtriebwer- ken um bis zu 80 Prozent verbessert werden. Bislang konnten nur elek trische Energie- und Antriebssysteme (Energy and Propulsion Systems, EPS) als mögliche Lösung für derartig hohe Anforderun- gen identifi ziert werden. Die Suche nach technologischen Konzep- ten für solche vollständig elektrischen Antriebe hat das Bauhaus Luftfahrt daher auch im Jahr 2013 weiter vorangetrieben. Im Hinblick auf das zuvor identifi zierte Ziel, die installierte Vortriebsleistung an Bord vollelektrischer Flugzeuge zu reduzieren, wurden zwei verschiedene Antriebsarchitekturen mit alternativen Vortriebserzeugern untersucht: ein ummantelter Getriebefan mit ein fachem Rotor (Electric Fan, EF) und eine offene Bauweise mit zwei gegenläufi g rotierenden Propellern (Electric Open Rotor, EOR). In multidisziplinären Auslegungs- und Leistungsbetrachtun- gen, sowohl auf Antriebs- als auch auf der integrierten Flugzeug- systemebene, wurden die optimalen Konstellationen für beide Triebwerkstypen ermittelt. Dabei wurde auch das Einsparpotenzial von EF und EOR untersucht und mit fortschrittlicher Turbofan-Tech- nologie verglichen. Als einheitliche Basis für Vergleichsstudien ver- schiedener EPS wurde auf der Antriebssystemebene der sogenann- te „schubspezifi sche Energieverbrauch“ (TSPC) eingesetzt. Für Effi - zienzbetrachtungen auf der Flugzeugsystemebene verwendet das Bauhaus Luftfahrt die sogenannte „energiespezifi sche Flugreich- weite“ (ESAR). Beide Metriken wurden bereits in den vorangegan- genen Jahrbüchern vorgestellt. Bei typischen Strömungs-Auslegungsbedingungen zeigte das EF-Konzept eine Verringerung des TSPC von bis zu 43 Prozent ge- genüber fortschrittlichen Turbofans. Vergleicht man diesen Wert mit Referenztriebwerken aus dem Jahr 2000, so würde sich der Ge samtwirkungsgrad des Antriebssystems mehr als verdoppeln. Für das EOR-Konzept wurde eine weitere Verringerung des TSPC ermittelt, die gegenüber dem EF-Konzept nochmals bis zu 16 Pro- zent beträgt. In der Analyse auf Flugzeuggesamtebene zeichnete sich ein ähnliches Bild ab: Die ESAR-Werte des EOR-Konzepts fi e- len gegenüber dem EF-Konzept zwischen acht und 15 Prozent > Translating the aviation environmental targets for the year 2050 to propulsion system effi ciency requirements, power plant overall ef- fi ciency would need to be improved by up to 80 per cent relative to today’s propulsion systems. Yet only electrically powered Energy and Propulsion System (EPS) options have been identifi ed as po- tential solutions for such a scenario. In 2013, research at Bauhaus Luftfahrt has continued to explore technological concepts for such universally electric propulsion systems. Motivated by the previously identifi ed target of reducing the installed propulsive power on board of a fully electric aircraft, the performance potentials of two power plant architectures featuring alternative propulsive devices was explored: a ducted geared sin- gle-rotating fan, referred to as Electric Fan (EF), and an unducted counter-rotating propeller arrangement, referred to as Electric Open Rotor (EOR). In multidisciplinary sizing and performance stud- ies at the isolated propulsion system level and at the integrated vehicular level, optimum power plant design constellations were studied for both power plant types. Thereby, the effi ciency poten- tials of the EF and EOR power plant architectures were assessed and compared to advanced turbofan technology. As a unifi ed basis for the comparative evaluation of the electrically powered EPS, the Thrust Specifi c Power Consumption (TSPC) metric was employed at the propulsion system level. The Energy Specifi c Air Range (ESAR), formed the basis for effi ciency evaluation at a vehicular level. Both metrics were introduced in Bauhaus Luftfahrt’s previous yearbook. At typical fl ow path sizing conditions, the EF concept showed a TSPC improvement of up to 43 per cent over advanced turbofan engines. Compared to year 2000 reference engines, the propulsion system’s overall effi ciency more than doubled. The EOR concept was found to even further reduce TSPC by up to 16 per cent relative to the EF concept. During the aircraft-integrated assessment, the ESAR values obtained for the domain of EOR-powered aircraft ex- ceeded the maximum ESAR of the EF domain between eight and 15 per cent. Different from the integration of open rotor engines on transport aircraft using conventional fuel, the application of the EOR on the investigated universally electric aircraft design was almost neutral in terms of aircraft Maximum Take-Off Weight > 50 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions besser aus. Anders als bei der Integration von konventionellen, kraftstoffbetriebenen Open-Rotor-Konzepten brachte die Integrati- on des EOR in ein universellelektrisches Flugzeugkonzept gegen- über der ummantelten Bauweise zudem keine nennenswerten Nachteile in Bezug auf das maximale Startgewicht (MTOW) mit sich. Es zeigte sich, dass die bei der Installation großer Propeller zu Tage tretenden Strukturgewichtsnachteile sowie die Kaskadenef- fekte bei der Auslegung eines Flugzeugs von den geringeren Mas- sen der elektrischen Systeme, beispielsweise des kryogenisch ge- kühlten Motors und der Leistungselektronik, effektiv aufgewogen wurden. Dies war eine Folge der gemäßigten Leistungsanforde- rung im Startfall. Für die gleiche Kurzstrecken-Transportaufgabe zeigten sich bei EOR-Konzepten auch deutlich geringere Anforderungen an das Batteriesystem als bei EF-angetriebenen Flugzeugen. Bezöge man sinnvolle Lärmobergrenzen für offene Propeller mit ein, so ließe sich die erforderliche Energiedichte der benötigten Batterien um bis zu elf Prozent verringern, bei gleichzeitiger Verringerung der Leistungsdichte um vier Prozent gegenüber einer ausgewogenen EF-basierten Konstruktionslösung. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse und Erkennt- nisse seiner ersten Studien wird das Bauhaus Luftfahrt seine Ar- beiten an vollelektrischen Luftfahrtantrieben als mögliche Wegbe- reiter für emissionsfreies Fliegen zukünftig auf weitere Detailberei- che ausdehnen. (MTOW) compared to the ducted propulsion system option. It was found that the structural mass penalties caused by the installation of large propeller-based power plants and cascade effects during aircraft sizing were effectively counteracted by the reduced electri- cal system masses, including the controlled, cryo-cooled motors as well as the Power Management And Distribution (PMAD) system. This was a result of the mitigated power requirements at take-off. Relative to EF-powered aircraft, EOR-powered vehicles re- vealed substantially relaxed battery system requirements for the same short-range transport application. Under consideration of pro- peller noise constraints, a potential reduction of up to eleven per cent in required battery energy density at simultaneously reduced power density requirements of four per cent were found relative to a best and balanced EF-based design solution. The promising results and fi ndings obtained from the presen- ted studies will further encourage researchers at Bauhaus Luft- fahrt to expand their work on fully electric aero-propulsion systems as a po tential enabler of zero in-fl ight emissions to higher levels of detail. 52 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Abschätzung der Betriebskosten von elektrisch angetriebenen Verkehrsfl ugzeugen Operating cost estimation for electrically powered transport aircraft Im Rahmen der Forschung an vollelektrisch-angetriebenen Ver- kehrsfl ugzeugen stellt sich den Wissenschaftlern auch die Frage nach dem Einfl uss der Elektrifi zierung auf die Betriebskosten sol- cher Flugzeuge. Speziell im Vergleich zu Weiterentwicklungen kon- ventionell angetriebener Luftfahrzeuge ist dies von besonderem Interesse. Aus diesem Grund hat das Bauhaus Luftfahrt eine de- taillierte Projektion des zu erwartenden Kostenniveaus durchge- führt. Ein erster Fokus der Untersuchung lag auf den Batterien, die das heute verwendete Kerosin als Energiequelle ersetzen sollen. Somit entstehen neue Kosten mit einer Einführung von Energiespei- chern, da diese sowohl beschafft und nach jedem Flug wieder aufgeladen werden müssen. Somit fallen schon einmal Investiti- ons- und Energiekosten an. Aufgrund einer limitierten Lebensdauer der Batterie während des Flugbetriebs entstehen weitere Abschrei- bungskosten, die wiederum vom Anschaffungspreis und dem zu erwartenden Restwert abhängig sein werden. Die Anschaffungskosten der benötigten Batterien wurden auf Basis verschiedener bereits veröffentlichter Studien bestimmt. Die Abschreibungsdauer entspricht der Lebensdauer der Batterie, de- ren Kapazität mit einer zunehmenden Anzahl von Ladezyklen im- mer geringer wird, bis sie schließlich nicht mehr verwendet werden kann. Was dann mit den Batterien geschehen kann, wurde vom Bauhaus Luftfahrt ebenfalls untersucht und es stellte sich heraus, dass ein Recycling zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien keinen Kos- tenvorteil bringen würde. Ihre Weiterverwendung in anderen Bran- chen mit geringeren Anforderungen an die Kapazität erscheint da- her empfehlenswert. > In line with analyses on fully electric aircraft, researchers often face questions regarding a possible impact of electric fl ying on an air craft’s operating costs, especially in comparison to convention- ally powered aircraft with the same technology standard. To ad- dress these questions, Bauhaus Luftfahrt has conducted a detailed projection of the expected cost levels. An initial analysis focused on batteries, which will replace to day’s jet fuel as energy source. With a replacement of fuel by bat te ries, new costs will arise. First of all, batteries have to be pur- chased and recharged, therefore E-Aviation will face battery in- vestment costs and cost for electric energy. Due to wear or ex- pected performance shortfalls of the batteries during operation, usage of these will lead to additional depreciation costs, depend- ing on the acquisition cost and expected residual value at the end of aeronautical usage. The acquisition cost of the batteries was determined on the basis of various already published studies. The depreciation period equates to the lifetime of a battery and is limited due to a decrease of capacity with an increasing number of recharging cycles. After the initial aeronautical use of batteries, initial studies identifi ed that recycling of future lithium-ion batteries used for electrically powered aircraft will not offer any cost benefi t, so a second life in other industries was proposed. Regarding the impact on maintenance costs of an electrically powered aircraft, Bauhaus Luftfahrt fi rst had to develop initial cost estimation methods for high-temperature superconducting (HTS) motors and associated systems. Therein, the fuel system, hy draulic power, pneumatics and auxiliary power unit no longer had to > 54 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Reference calculation case Direct maintenance cost of HTS motor 20% higher than expected from literature A price escalation of 1% per year stops after 2035 Threshold for battery removal from 80% to 70% maximum capacity 1/3 fewer flight cycles before battery removal 10% higher battery price 50% lower cost for CO2 emission allowances Fuel cost 10% higher than in reference case Electricity cost 10% lower compared to reference case –2 .9% –3 .0% 0 .8% 1 .1% 1 .0% 1 .7% 1 .9% 1 .1% 3 .6% –4% –2% 0% 2% 4% Delta DOC to reference [%] Sensitivitätsstudie: Die hier aufgelisteten Faktoren sind Beispiele für unterschied- lich große Einfl üsse auf die direkten Betriebskosten (DOC) des elektrisch betrie- benen Ce-Liner-Konzepts, die im vorhergehenden Vergleich mit dem konventionell angetriebenen Referenzfl ugzeug nur um etwa 0,8 Prozent höher berechnet wurden. Sinkt aber beispielsweise der Strompreis um zehn Prozent, so würde das elektrische Flugzeug im Betriebskostenvergleich sogar um bis zu drei Prozent günstiger als die Referenz. Würden sich auf der anderen Seite aber die hochtemperatursupralei- tenden Motoren (HTS) um 20 Prozent wartungsintensiver präsentieren, als in der Literatur angegeben, so würde dies den Betriebskostennachteil des Ce-Liners auf 1,1 Prozent erhöhen. Sensitivity study: The exemplary factors listed here highlight different infl uences on the Ce-Liner’s Direct Operating Costs (DOC), which in Bauhaus Luftfahrt’s fi rst analysis have been calculated to be only 0.8 per cent higher than those of the conventionally powered reference aircraft. On the one hand, a decrease of just ten per cent in electric energy prices would alter the slight DOC disadvantage of the Ce-Liner into a three per cent advantage. If the real maintenance cost for the Ce- Liner’s high-temperature superconducting (HTS) motors, on the other hand, would turn out to be 20 per cent higher than specifi ed in literature, the DOC disadvantage of the electric aircraft would further increase to 1.1 per cent. 56 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Einfl uss von elektrisch an getriebenen Flugzeugen auf den Batterie- und Energie bedarf für Deutschland Impact of electrically powered transport aircraft on energy and battery demand for Germany Mit einem Einzug der Elektromobilität in die kommerzielle Luftfahrt würde zweifelsohne auch ein höherer Bedarf an elektrischer Ener- gie einhergehen. Setzte man zudem austauschbare Batteriecontai- ner ein, würde zudem zusätzlicher Raum für deren Lagerung und Aufl adung an Flughäfen erforderlich. Um besser zu verstehen, wel- che Auswirkungen der fl ächendeckende Einsatz von elektrischen Luftfahrzeugen für die Flughäfen haben würde, hat das Bauhaus Luft fahrt eine detaillierte Projektion des zukünftigen Strom- und Bat teriebedarfs durchgeführt. Mit dem Ce-Liner-Konzept als möglichem Ersatz der heutigen Standardrumpffl ugzeuge könnten 54 Prozent aller Flüge von und nach Deutschland im Jahr 2012 ersetzt werden. Würden auch zu- künftige Regionalfl ugzeuge elektrifi ziert, würde sich dieser Anteil auf 81 Prozent erhöhen. Im Jahr 2011 wurden in Deutschland 541.000 Gigawattstun- den (GWh) an elektrischer Energie verbraucht. Der Güter- und Per- sonentransport hatte daran nur einen Anteil von drei Prozent. Mit Luftverkehrsdaten von 2012 hat das Bauhaus Luftfahrt die Auswir- kungen von elektrischer Luftfahrt auf den täglichen Energiebedarf und die Anzahl der für den Betrieb benötigten Batterien an deut- schen Flughäfen abgeschätzt. Ersetzte man nur alle heutigen Flüge mit Flugzeugen der Airbus A 320- und Boeing 737-Familien von und nach Deutschland durch den Ce-Liner, würde die Luftfahrt deutsch- landweit einen jährlichen Bedarf von 9.750 GWh an elektrischer Energie haben, gerade einmal zwei Prozent des jährlichen Gesamt- bedarfs. Wie viele einzelne Batterien für die Bereitstellung dieser En er- gie erforderlich würden, hängt stark von ihrer Aufl adezeit ab. Für seine Analyse hat das Bauhaus Luftfahrt Ladezeiten zwischen ei- ner und zwölf Stunden untersucht. An einem üblicherweise sehr betrieb samen Freitag am Flughafen München müssten bei einer mittleren Ladezeit von sechs Stunden ungefähr 1.230 Batterie- container vorgehalten werden, um eine ausreichende Versorgung sicherzu stellen. > The envisioned advent of electro mobility in commercial aviation will undoubtedly result in a higher demand for electrical energy. Pro viding this in interchangeable battery containers will more over result in additional space requirements for container storage and re charging at airports. To better understand the implications a widespread implementation of electric aircraft would have for air- ports, Bauhaus Luftfahrt has carried out a detailed projection of the future electrical energy and battery demand. Using the Ce-Liner as a possible replacement of today’s single - aisle aircraft, a replacement potential of 54 per cent for all fl ights to and from Germany was determined using scheduled air traffi c data from 2012. Assuming that future regional aircraft would also use electric propulsion, the replacement potential of today’s fl eet increases to 81 per cent. In Germany, 541,000 gigawatt-hours (GWh) of electric energy were consumed in 2011. Transportation only has a share of three per cent. Scheduled air traffi c data from 2012 lead Bauhaus Luft- fahrt to a fi rst estimation of how far E-Aviation would impact elec- tric energy demand and how many batteries would be required during operational hours. Replacing all fl ights operated by Airbus A320 and Boeing 737 family aircraft in 2012 to and from Germany would lead to an annual electric energy demand of 9,750 GWh, a mere two per cent of the overall electric energy consumed in Ger- many every year. A breakdown of the number of battery containers needed for these fl ights strongly depends on the required recharging time. For its analysis, Bauhaus Luftfahrt investigated recharging times be- tween one and twelve hours. Assuming a typically busy Friday of operations at Munich Airport and a recharging time of six hours for each battery container, roughly 1,230 batteries would be needed on stock to avoid a shortfall in battery supply. > 58 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Mit der besagten Sechs-Stunden-Ladestrategie hätte der Flugha- fen München allein für den morgendlichen Hochbetrieb zwi schen neun und zehn Uhr einen Leistungsbedarf von fast 400 Megawatt sowie einen täglichen elektrischen Energiebedarf von 5,8 GWh. Die Studie des Bauhaus Luftfahrt konnte die Erwartung bestätigen, dass längere Ladezeiten die Anzahl der am Flughafen benötigten Batterien deutlich erhöhen würden, jedoch auch zei gen, dass sich die maximale elektrische Leistung zugleich erheblich verringern würde, was zu einem ausgeglichenen elektrischen Energiebedarf mit niedrigeren Spitzenlasten führen würde. Eine einstündige Ladestrategie würde die Spitzenlasten wäh- rend des Tages um bis zu sechs Prozent des heutigen Energiever- brauchs erhöhen. Mit einer Zwölf-Stunden-Ladezeit würde sich der elektrische Gesamtbedarf um bis zu vier Prozent erhöhen. Eine > Applying the aforementioned six-hour recharging strategy, Mu- nich Airport would need a maximum of nearly 400 megawatts of electric energy for peak hours between 9am and 10am. The daily electric energy demand would sum up to 5.8 GWh. Bauhaus Luft- fahrt’s study showed that, as expected, longer charging times would signifi cantly increase the number of required batteries at the airport. However, the maximum electric capacity could be de- creased signifi cantly by longer charging times, thus leading to a more balanced electric energy demand with lower peak loads. For the one-hour recharging strategy, E-Aviation would signi f- icantly increase the peak loads during the day by up to six per cent of actual energy consumption. With a recharging time of twelve hours, overall electric demand would be increased by up to four per cent. Another possibility is the recharging of batteries only > 60 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Flightpath 2050: Beiträge von Technologien für die Flugzeugkabine und den Betrieb am Boden Flightpath 2050: Contributions of cabin-related and ground operation technologies Im Angesicht der ambitionierten „Flightpath 2050“-Ziele der Euro- päischen Kommission rücken neben alternativen Antrieben oder ei- ner effizienteren Aerodynamik auch Verbesserungen der Flugzeug- struktur und -kabine sowie Einsparungen durch verbesserte Bo- denabfertigung immer stärker in den Fokus der Wissenschaftler. Um zu bewerten, welchen Einfluss verschiedene Verbesserungen in den beiden letztgenannten Bereichen auf die Emission von Koh- lendioxid (CO2) haben können, hat das Bauhaus Luftfahrt mehrere Sensitivitätsstudien mit einem Kurz- bis Mittelstreckenflugzeug durchgeführt. Die Passagiersitze machen mehr als 50 Prozent des Gesamt- gewichts einer Flugzeugkabine aus. Selbst durch die Umrüstung auf moderne Leichtbausitze lassen sich lediglich CO2-Einsparun- gen von etwa einem Prozent realisieren. Langfristig gesehen wer- den solche marginalen Einsparungen aber von den stetig steigen- den Körpermaßen und -gewichten der Passagiere wieder mehr als aufgezehrt. Im Jahr 2010 waren amerikanische Männer und Frau- en im Durchschnitt 18 beziehungsweise 19 Prozent schwerer als im Jahr 1960. Diese Veränderung des menschlichen Körpers führt demnach zu einem erhöhten Bedürfnis nach Freiraum, der von den Fluggesellschaften mit breiteren Sitzen und mehr Beinfreiheit be- antwortet werden kann. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, würde dies zu einer um 2,8 Prozent höheren CO2-Emission im Jahr 2050 führen. Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten, geht der Trend schon heute in Richtung größerer Rumpfquerschnitte, um Platz für geräumigere Kabinen zu schaffen. Deren zusätzliches Volumen kann nicht nur der Bein- und Ellbogenfreiheit der Passagiere zu Gute kommen, sondern durch neuartige Kabinenkonzepte im Ein- klang mit reduzierten Küchen- und Toilettenflächen auch dazu ge- nutzt werden, eine höhere Anzahl an Sitzplätzen einzubauen. Nur so lässt sich der aerodynamisch und strukturell bedingte Nach- > In view of the European Commission’s ambitious “Flightpath 2050” emissions reduction targets, airframe-related contributions, such as structural changes of the cabin and fuselage design, as well as saving potentials in line with improved ground operation process- es are constantly gaining importance in research at Bauhaus Luft- fahrt. In order to estimate the impact improvements may have on overall carbon dioxide (CO2) emissions, the researchers have car- ried out several separate sensitivity studies for a short- to medium- haul aircraft. Passenger seats account for over 50 per cent of the total ca- b in outfitting weight. Even the installation of modern lightweight seats provides CO2 savings of just one per cent, a small advantage that in the longer term could easily be outweighed by the constant growth of the passengers’ average body height and weight. In 2010, an average American man was 18 per cent heavier and a woman 19 per cent heavier compared to 1960. These changes in the human body result in an increased demand for individual space, which can be answered by airlines with wider seats and increased legroom. If these trends continue, this would lead to 2.8 per cent higher CO2 emissions by the year 2050. To keep up with this development, recent trends show in- creasing cross-section sizes that allow more spacious cabins. The additional volume however is rarely used to increase seat width or legroom for passengers. Instead, new seating concepts aim at the installation of additional seats, often in line with a reduced number of lavatories and galleys or a reduced seat pitch. In this way, the structural and aerodynamic penalties of larger fuselage diameters of around 1.8 per cent can hence be turned into an advantage in the CO2 emission per passenger. In the analysis of Bauhaus Luft- fahrt, such a passenger packing density enhancement represents the potential to reduce CO2 emissions per passenger by up to six per cent. > 62 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions n o i t c u d e r t h g e w i r o i r e t n i i n b a C l t n e m e g r a n e r e t e m a d e g a e s u F l i t h g e w i r e g n e s s a p e r u t u F i y t i s n e d r e h g h r o f s t p e c n o c n b a C i e r b fi - n o b r a c f o t l i u b e g a e s u F l l s c i t s a p d e c r o f n e r i n o i t c u d e r d n a m e d y g r e n e n b a C i e g a l e s u f i d n a n b a c l a t o T n o i t u t i t s b u s t i n U r e w o P y r a i l i x u A k c o b - n O l n o i t c u d e r e m i t d n u o r a n r u T i g n w o t h c t a p s i d r o i x a t c i r t c e E l t n e m e g a n a m c fi f a r t r i A s t n e m e v o r p m i y c n e i c fi f e s n o i t a r e p o l a t o T ] % [ e r t e m o l i k r e g n e s s a p r e p 2 n o i t c u d e r s n o i s s i m e O C –0 .96 –6 .00 –4 .00 –0 .16 –6.52 –0 .60 –0 .001 –3 .00 –2 .60 –6.20 2 .80 1 .80 4 2 0 –2 –4 –6 –8 Airframe (cabin and fuselage) Operations Breites Spektrum an Verbesserungsmöglichkeiten: Die Analyse des Bauhaus Luftfahrt konnte in und an der Flugzeugzelle (orange) und im operationellen Be- reich (blau) zahlreiche ungenutzte Potenziale zur Verringerung des CO2-Ausstoßes aufzeigen. Broad spectrum of possible improvements: The analysis carried out by Bauhaus Luftfahrt highlighted numerous unutilised CO2 reduction potentials in the range of airframe (orange) and operations (blue). 64 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Parametrische Entwurfsstudien für Flugzeugkonzepte mit „Propulsive Fuselage“ Parametric design studies for “propulsive fuselage” aircraft concepts Das Aufl ösen der klassischen funktionalen Trennung zwischen Flug zeugstruktur und -antrieb, beispielsweise durch die verteilte Erzeugung von Schub entlang wichtiger Komponenten der Flug- zeugzelle, stellt einen Schwerpunkt der Forschung am Bauhaus Luftfahrt dar. Als eines der vielversprechendsten Konzepte hierfür wird die Installation eines umlaufenden Schuberzeugers am hinte- ren Ende des Flugzeugrumpfes gesehen, wie er erstmals im Jahr- buch 2011 skizziert wurde. Ein solcher „Propulsive Fuselage“, der die rumpfnahe Grenzschicht einsaugt und beschleunigt, könnte den Widerstand des Flugzeugrumpfes signifi kant senken. Im Jahr 2013 hat das Bauhaus Luftfahrt erstmals konkrete Entwurfsstudi- en für diese neue Antriebskonfi guration durchgeführt. Jeder umströmte Flugzeugkörper verursacht, bedingt durch Reibungs- und Formeffekte, einen Impulsverlust im Strömungs- nachlauf. Dieser muss, ähnlich wie der restliche Schubbedarf ei- nes Flugzeuges, durch eine Übergeschwindigkeit im Antriebsstrahl kompensiert werden. Je geringer diese von den Triebwerken er- zeugte Übergeschwindigkeit ist, desto besser gestaltet sich die Energieeffi zienz des Flugzeugs. Die konkreten Analysen des Bau- haus Luftfahrt haben nun bestätigt, dass der Propulsive Fuselage durch die Auffüllung der rumpfnahen Grenzschicht sehr effi zient dazu beitragen kann, diese Übergeschwindigkeit zu reduzieren. Die technische Umsetzung dieser Idee unterliegt jedoch geometri- schen Einschränkungen, etwa durch die notwendige Bodenfreiheit beim Abheben. Um diese zu umgehen und gleichzeitig die notwen- dige Antriebsredundanz sicherzustellen, schlagen die Wissen- schaftler vor, den Propulsive Fuselage zunächst ausschließlich > Breaking with the classical separation of airframe and power plant system is one of the key research areas at Bauhaus Luftfahrt. Syn- ergies could, for example, be expected from the distribution of thrust production along the main components of the airframe. One of the most promising concepts is seen in the concept of a shroud- ed propulsor encircling the aft fuselage that was fi rst described in the 2011 yearbook. A so-called “propulsive fuselage” is aimed at signifi cantly reducing fuselage drag by ingesting and accelerating the fuselage boundary layer. In 2013, Bauhaus Luftfahrt conducted fi rst concrete parametric design studies of this novel propulsion confi guration. Every aircraft body immersed in a fl ow fi eld develops a mo- mentum defi cit in the wake fl ow, mainly emanating from skin fric- tion and form effects. This defi cit needs to be compensated by an equivalent excess momentum generated by the propulsion system via an excess velocity. Reducing this velocity would signifi cantly increase the energetic effi ciency of the aircraft. Analyses by Bau- haus Luftfahrt have confi rmed that the principles of boundary layer ingestion and wake fi lling could effectively contribute to such a reduction of excess velocity. In practice, the said reduction is sub- ject to geometric limitations of the propulsive device such as ground clearance during take-off rotation. To avoid such limita- tions and moreover to ensure propulsion system redundancy, re- searchers at Bauhaus Luftfahrt suggested using a fuselage fan primarily designed to recover the occurring wake momentum def- icit, while all residual thrust required is delivered by conventional podded power plants. > Schematische Darstellung des Prinzips der Grenzschichtauffüllung für ausge- wählte „Propulsive Fuselage“-Konfi gurationen im Kontrast zur konventionel- len Triebwerksanordnung: Der Impulsverlust im Strömungsnachlauf des Rumpfes muss wie auch der restliche Schubbedarf des Flugzeugs durch einen äquivalenten Impulsüberschuss in Form einer Übergeschwindigkeit ΔVP aus dem Antriebssystem aufgewogen werden. Die Nutzung der Grenzschichtauffüllung stellt eine wirksame Möglichkeit zur Reduktion von ΔVP und somit zur Verbesserung der Energieeffi zienz des Flugzeugs dar („Propulsive Fuselage“-Fälle B bis D). Schematic visualisation of the wake-fi lling principle in selected propulsive fuselage confi gurations in contrast to conventional propulsion integration: The momentum defi cit in the wake fl ow of the fuselage as well as the residual air- craft thrust requirement needs to be balanced by an equivalent excess momentum generated by the propulsion system via an excess velocity ΔVp. The utilisation of wake fi lling is an effective means of reducing ΔVP and thus to improving the overall energetic effi ciency of the aircraft (propulsive fuselage cases B through D). 66 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions ] % [ ) C S P ( t n e i c fi f e o c g n i v a s r e w o P 50 40 30 20 10 0 –10 –20 –30 –40 0 10 20 30 40 50 Ingested drag ratio (ß = D ing /F N) [%] Schaubild des Leistungseinsparpotenzials (PSC) in Abhängigkeit vom Anteil des relativen eingesaugten Flugzeugwiderstands (ß) und von der relativen Ver änderung des Antriebswirkungsgrades (Δηrel ): Für die untersuchte „Propul- sive Fuselage“-Ausführung hat das Bauhaus Luftfahrt identifi ziert, dass durch die Grenzschichteinsaugung der Gesamtwiderstand des Flugzeugs um 20 bis 25 Pro- zent abnimmt. Damit verbunden wurde abgeschätzt, dass die einhergehenden Ver- luste im Antriebssystem eine etwa 15-prozentige Verringerung des Wirkungsgrads verursachen würden. Beide Effekte zusammengenommen ergeben in der Analyse für den Propulsive Fuselage ein Leistungseinsparpotenzial von bis zu zehn Prozent gegenüber dem konventionellen Referenzfl ugzeug. Chart of power-saving potentials (PSC) as function of ingested drag ratio (ß) and relative change in propulsion system effi ciency (Δηrel ): For the investiga- ted propulsive fuselage design, Bauhaus Luftfahrt identifi ed a reduction of overall aircraft drag between 20 and 25 per cent due to boundary layer ingestion. The cor- responding losses in the propulsion system were estimated to be of the order of 15 per cent effi ciency reduction. Taking both effects into account, the analysis yielded power-saving potentials (PSC) of up to ten per cent for the propulsive fuselage com- pared to a conventional reference aircraft. 68 68 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Langfristige Perspektiven jenseits von Biokraftstoffen erster und zweiter Generation Long-term perspectives beyond fi rst- and second- generation biofuels Die Verwendung „klassischer“ Energiepfl anzen wie Raps oder Mais zur Kraftstoffproduktion birgt das Risiko einer Konkurrenz zwischen der energetischen Nutzung und der Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln. Ein weiteres Problem von Biokraftstoffen besteht in der geringen Effi zienz entlang ihrer Produktionsketten. Hierfür ist zum einen die photosynthetische Umwandlung von Sonnenener- gie in Biomasse mit einer Effi zienz von höchstens zwei Prozent und zum anderen die aufwändige und verlustreiche Konversion der Bio- masse in fl üssige Kraftstoffe verantwortlich. Aufgrund dieser Limi- tierungen sind Kraftstoffe auf Basis klassischer Biomasseformen vermutlich nicht geeignet, um die ökologischen Herausforderungen und Versorgungsprobleme der Luftfahrt langfristig und nachhaltig zu lösen. Eine mögliche Lösung besteht daher in der Entwicklung von Pro duktionswegen, die über die Nutzung herkömmlicher Biomasse- typen hinausgehen oder gänzlich unabhängig von biogenen Roh- stoffen sind. Daher hat das Bauhaus Luftfahrt Optionen wie Mikro- algen als unkonventionelle Biomassequelle (Seite 34) oder die so- larthermisch getriebene Kraftstoffproduktion (Seite 36) betrachtet. Weitere interessante Ansätze basieren auf der Nutzung elektrischer Energie. Hierbei werden, analog zum natürlichen Prozess der Photo- synthese, die anorganischen Verbrennungsprodukte Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) unter Bildung reduzierter Kohlenstoffver- bindungen „energetisiert“, allerdings durch Zufuhr elektrischer En- ergie und ohne Bildung von Biomasse als Energiezwischenspeicher. Die elektrisch getriebene Reduktion von CO2 kann auf verschie- dene Arten erfolgen: Auf technischem Wege wird die Elektrizität direkt zur Elektrolyse von Wasser genutzt. Der gebildete Wasserstoff (H2) wird anschließend mit CO2 in einer sogenannten „inversen Wassergas-Shift-Reaktion“ unter Bildung von Kohlenmonoxid (CO) umgesetzt. Das resultierende Synthesegas, ein Gemisch aus H2 und CO, kann in einem Fischer-Tropsch-Prozess zu Kohlenwasserstoffver- bindungen reagieren, die mit etablierten Verfahren auch zu Kerosin weiterverarbeitet werden können. Obwohl diese Prozesskette noch nicht kommerziell eingesetzt wird, sind alle Teilschritte für eine mit- telfristige industrielle Implementierung bereits ausreichend entwi- ckelt. > Utilisation of “classic” energy plants like rapeseed or maize for fuel production involves the risk of negative competition between the energetic use on the one hand and the production of food and fod- der on the other. Another problem associated with biofuels lies in the low overall effi ciency of their production chains. This problem is primarily caused by the photosynthetic conversion of solar en- ergy to biomass with its generally low effi ciency of two per cent at most and secondarily by the subsequent complex and loss-making procedure of converting the biomass into fuels. Due to these limi- tations, fuels based on “conventional” biomass are probably not suit ed for sustainably meeting the long-term challenges of com- mercial aviation, namely securing fuel supply and reducing the ecological footprint. The development of production pathways that go beyond uti- lising conventional biomass or are even independent of biogenic feedstock represents a conceivable solution. Therefore, Bauhaus Luft fahrt analyses options like microalgae as an unconventional bio mass source (page 34) or solar-thermally driven fuel production (page 36). Other interesting approaches make use of electric energy to energise the inorganic combustion products carbon dioxide (CO2) and water (H2O), converting them, analogous to the natural process of photosynthesis, into reduced carbon compounds. In contrast to photosynthesis, electricity is used instead of solar energy and the formation of biomass as temporary storage is avoided. There are different ways for the electricity-driven reduc tion of CO2 . In a technical approach electricity is used to electrolyse water. A part of the formed hydrogen (H2) is subsequently reacted with CO2 in a so-called water-gas shift reaction, yielding reactive car bon mon- oxide (CO). The resulting mixture of H2 and CO, often re ferred to as synthesis gas, is then converted into a complex blend of hydrocar- bon compounds in a Fischer-Tropsch process. These hydrocarbon compounds can be processed into kerosene and other fuels through conventional refi ning techniques. Despite the fact that this process chain has not been realised at commercial scale yet, the technical maturity of all individual process steps is suf fi ciently far advanced for a mid-term industrial implementation. > 70 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Technologisch weit weniger entwickelt ist ein neuartiger Ansatz zur mikrobiellen Produktion sogenannter „Electrofuels“. Dabei wird die Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen ausgenutzt, mit Hil fe elektrischer Energie aus CO2 reduzierte Kohlenstoffverbindun gen aufzubauen und abzugeben. Die Reaktion kann auf direktem oder indirektem Wege ablaufen. Auf letzterem erfolgt die Elektronen- aufnahme nicht durch die Mikroorganismen, sondern indirekt über eine elektrolytische Reduktion anorganischer Verbindungen an der Elektrode, hier unter Bildung von H2. Bestimmte Mikroben kön- nen diese Reduktionsprodukte metabolisieren und mit Hilfe der so ge wonnenen Energie aus CO2 und H2O Kohlenwasserstoffverbin- dungen synthetisieren. Diese Verbindungen sind nach dem derzei- tigen Stand der Forschung noch nicht unmittelbar als Kraftstoff ein- setzbar, zukünftige Entwicklungen könnten jedoch eine elektrisch getriebene, direkte mikrobielle Kerosinproduktion ermöglichen. Mit seiner Methodenkompetenz in der Ökobilanzierung und Zukunftstechnologieanalyse wird das Bauhaus Luftfahrt die Po ten- ziale und Risiken dieser und anderer Konzepte zukünftig de taillierter untersuchen. Die Prozesse werden dabei auf Basis der ihnen zu- grundeliegenden Technologien und physikalisch-chemischen Prin- zipien analysiert und in einem Multi-Kriterien-Ansatz bewertet. Far less technologically mature is a novel approach for microbial production of so-called “electrofuels”. This approach takes ad van- tage of the capability of certain microbes to utilise electric energy for the formation of reduced carbon compounds from CO2. The re- duced molecules are subsequently excreted into the surrounding medium. The reaction can proceed via a direct and an indir ect path- way. In case of the latter, the electron uptake occurs not through the microbes, but via electrolytic reduction of inorganic compounds at the electrode, forming hydrogen in the illustrated example. Cer- tain microorganisms are capable of metabolising such reduction products and channel the thus gained energy into the synthesis of hydrocarbon compounds from CO2 and H2O. Even though, at the current stage of research, these reduced compounds are not yet suitable as blendstock for fuels, future devel opments might enable an electrically driven direct microbial jet fuel production. At Bauhaus Luftfahrt, the potential of these and other tech- nologies is evaluated in detail with a special focus on life-cycle and future technology analysis. The latter is based on the underlying technologies, physical and chemical principles as well as a com- prehensive set of criteria. 72 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 2 Innovative Lösungsansätze Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Innovative solutions QuaNaBioL: Untersuchung der Nach haltig keit entlang der Lieferkette von Biokerosin QuaNaBioL: Assessment of sustainability along the aviation biofuel supply chain Eine der größten Herausforderungen bei der Suche nach zukünf- ti gen Alternativen zu fossilen Luftfahrtkraftstoffen liegt in der Si cher stellung einer ökologisch, ökonomisch sowie sozial nach- haltigen Produktion. Das Bauhaus Luftfahrt hat sich dieser Her- ausforderung im Rahmen eines breiten Engagements in diversen Gremien sowie anhand des vom Bund geförderten Forschungspro- jektes „Qualität und Nachhaltigkeit bei der Bereitstellung von Bio- kraftstoff für die Luftfahrt“ (QuaNaBioL) angenommen. Im Gegensatz zum Biokraftstoff für den Straßenverkehr wird Biokerosin bisher nur in kleinen Mengen produziert. Dabei hätten vor allem die Fluglinien durchaus Interesse daran, es einzusetzen. Zum einen, um Ihren Beitrag zur Senkung der Kohlendioxid-Emissi- onen zu leisten, zum anderen, um ihr Image zu verbessern und um sich außerdem im Wettbewerb durch ein entsprechendes Angebot zu differenzieren. Das Bauhaus Luftfahrt hat im Jahr 2013 unter- sucht, wo Hindernisse für die Produktion und Nutzung von Biokero- sin liegen und wie diese beseitigt werden könnten. Im Fokus steht dabei die Nachhaltigkeit der Produktionsweise. Sie muss wirt- schaftlich sein und darf keine negativen ökologischen und sozialen Auswirkungen mit sich bringen. Im Gegensatz zu chemisch nach- weisbaren qualitativen Eigenschaften lässt sich die Einhaltung der Nachhaltigkeitskriterien im Endprodukt jedoch nicht prüfen. Da es noch keine etablierten Marktstrukturen oder -mechanismen gibt, wird derzeit ein Zertifi zierungssystem herangezogen, das die Ein- haltung der Nachhaltigkeitskriterien über eine mehrstufi ge globale Lieferkette hinweg überwacht. Den derzeit vorhandenen Zertifi zie- rern gelingt dies bisher allerdings nur unzureichend, da sie die Vielzahl der beteiligten Erzeuger und Verarbeiter von Biomasse nicht direkt kontrollieren können und meist auf deren Selbstauskünfte an gewiesen sind. > Safeguarding ecologically, economically and socially sustainable production is a major challenge in the search for sustainable future alternatives to fossil jet fuel. Bauhaus Luftfahrt is actively tackling this challenge in numerous notable advisory boards as well as the research project ”Securing Quality and Sustainability of Aviation Biofuels” (QuaNaBioL), which is funded by the German federal gov- ernment. In contrast to the road sector, biofuels for aviation have so far been produced only in small quantities. Nonetheless, many airlines actively seek to use biofuels in order to reduce their carbon emis- sions, to enhance their public image and to differentiate them- selves from their competitors in the highly competitive aviation market. Bauhaus Luftfahrt has examined the barriers for the pro- duction and use of aviation biofuels as well as possible solutions, with special emphasis on sustainable production. The key chal- lenge is seen in the enhancement of biofuel production which is economically feasible without creating negative ecological and so- cial impacts. However, the compliance with sustainability criteria is physically not observable as it is the case with fuel quality issues which are based on chemically verifi able contents. As there are neither market structures nor established market mechanisms, cer- tifi cation schemes are the only measures to audit adherence to sustainability criteria along the global and multi-tiered biofuel sup- ply chain. The current system of certifi cation schemes is considered in suffi cient as there are many processes in the feedstock produc- tion or conversion which are not directly observable or in which the auditors are mostly dependent on a disclosure of corporate infor- mation of the respective supply chain actor. > 74 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Price negotiation Price negotiation Price negotiation Conventional Market-based Feedstock production Processing and logistics Biofuel production End user Negotiation + Command and control Initial phase Patriarchal cooperation (mid-term) Feedstock production End user Processing and logistics End user Biofuel production End user Price negotiation, Command and control Command and control Price negotiation Global coordination: Determination of supply chain structure Bilateral coordination: Directives / instructions for supply chain actors Co-ordination Advanced phase Cooperative market (long-term) Feedstock production Processing and logistics Biofuel production End user Price negotiation Vom Bauhaus Luftfahrt untersuchte Möglichkeiten zur Einfl ussnahme eines Endnutzers (beispielsweise einer Fluggesellschaft) auf die Sicherstellung von Nachhaltigkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette alternativer Kraftstoffe: Konventionell entscheidet der Marktpreis über Menge und Qualität des Zwischen- oder Endproduktes entlang von Lieferketten. Zur Etablierung trag- fähiger Strukturen und Verfahrensabläufe in einer Anfangsphase kann der Endnut- zer mit allen Lieferanten in engen Kontakt treten und sie bei der Umsetzung von Nachhaltigkeitsstandards unterstützen und kontrollieren. In einer fortgeschrittenen Phase kann sich der Endnutzer aus dieser sehr aktiven Rolle wieder zurückziehen, sollte jedoch weiterhin über Verhandlungen mit allen Lieferanten entlang der Wertschöpfungskette in engem Kontakt bleiben und so einen kooperativen Markt aufrechterhalten. Bauhaus Luftfahrt analysed to what extent end users (such as airlines) can infl uence sustainability performance along the entire supply chain of alter- native fuels: In a conventional approach, market prices and price negotiations are used to defi ne quantity and quality of intermediate and fi nal products. In order to establish reliable structures and procedures in an initial phase, end users can get in close contact with all suppliers of the supply chain to support and supervise them in the implementation of sustainability standards. In an advanced phase, end users can withdraw gradually from these intense support and control activities and confi - ne themselves to a coordinating role of the upstream process steps for the purpose of maintaining a cooperative biofuel market. 76 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions Fliegende Kommunikations- netzwerke: Analyse der Netz- abdeckung und zukünftiger Kapazitätsanforderungen Airborne communication networks: Analysis of network coverage and future capacity demands Der wachsende Luftverkehr und neuartige Datendienste ziehen ei- nen stetig steigenden Bedarf an aeronautischer Telekommunikati- onsbandbreite nach sich. Bereits in seinem Jahrbuch 2012 hat das Bauhaus Luftfahrt diese wesentlichen Treiber identifi ziert, evaluiert und in diesem Zusammenhang ein neuartiges Netzwerkkonzept vor- gestellt. Darin bauen Flugzeuge ein lasergestütztes Basisnetz ho- her Bandbreite nach einem Ad -hoc-Prinzip auf, um Flugpassagie- ren den Zugang zum Breitband-Internet bereitzustellen. Um die Ausfallsicherheit aufgrund von atmosphärischen Einfl üssen wie Wol ken und starken Turbulenzen zu verbessern und die Dienstzu- gänglichkeit zu maximieren, würde das Basisnetz lokal durch kom- ple mentäre Funksysteme erweitert. Im Jahr 2013 hat das Bauhaus Luftfahrt in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme an der Technischen Univer- sität München erstmals ein solches Kommunikationsnetzwerk von Linienmaschinen am Computer simulieren können, um die Mach- barkeit zu verifi zieren und zukünftige Potenziale abzuleiten. Die Si mu lation bildete den Nordatlantischen Flugkorridor ab, wobei reale Flug routen und Flugleistungsdaten berücksichtigt worden sind. Die maximale Übertragungsreichweite der in den Flugzeugen verbauten Telekommunikationssysteme wurde anhand verschiede- ner Betrachtungen fest gelegt, wobei sowohl geometrische Begren- zungen durch die Erdkrümmung und Bewölkung als auch funda- mentale Abschätzungen zum Potenzial der Daten-Übertragung mit Laserlicht berücksichtigt wurden. Die Simulation zeigte, dass sich über dem Nordatlantik schon heute eine ausreichende Anzahl an Flugzeugen in der Luft befi ndet, um mit den angenommenen Übertragungsreichweiten eine konti- nuierlich hohe Netzabdeckung von über 97 Prozent zu gewährleis- ten. Darüber hinaus konnte das Bauhaus Luftfahrt aus der Simula- tion Sta tistiken generieren, die zeigen, dass der durchschnittliche Abstand zwischen den Flugzeugen die verfügbare Laser-Reichwei- te deut lich unterschreitet. Um zu ermitteln, welche Bandbreiten mit dieser Technik im Jahr 2035 nötig wären, haben die Wissenschaftler kontinuierlich stei gende Passagiervolumina in ihre Simulation einbezogen. Damit gehen ein Anstieg der Flugzeugdichte und eine wachsende > The demand for aeronautical telecommunication capacity is rising due to increasing air traffi c and novel data services. In its 2012 yearbook Bauhaus Luftfahrt reported about the identifi cation and evaluation of these main drivers and presented a novel network concept. In this concept aircraft are connected in an ad hoc fash- ion via a high-capacity photonic backbone link in order to pro vide broadband Internet access to passengers. Furthermore, a hy brid concept is pursued in which complementary radio-frequency tech- nology is utilised in order to achieve robustness under atmospher- ic infl uences such as clouds and turbulences, and to maximise ac- cessibility. In 2013, Bauhaus Luftfahrt in cooperation with the Institute of Aircraft Design at Technische Universität München for the fi rst time simulated such a communication network of commercial air- craft for feasibility testing of the concept and to quantify future bandwidth potentials. The simulation was confi ned to the North Atlantic corridor, based on a routing scheme along North Atlantic Tracks and using real fl ight schedule databases and aircraft perfor- mance data. The maximum communication distance of the simula t- ed telecommunication systems considered limitations originating from line-of-sight transmission, including the geometric range limit due to earth curvature and cloud density, and by fundamental assessments of laser-based free-space transmission system per- formance. It was found that already the present number of aircraft in the North Atlantic Corridor has reached a level that enables net- work coverage of over 97 per cent. Furthermore, Bauhaus Luftfahrt obtained simulation results that show that the average aircraft-to- aircraft distance in the communication network clearly lies within the available range of laser-based communication. The evaluation of bandwidth demand of such a network in a 2035 scenario included growing passenger numbers, increasing aircraft densities and expanding use of in-fl ight Internet services. In addition, bandwidth demand per user is expected to rise due to services and content that require larger data volumes, such as high-resolution video streaming. Based on these assumptions, Bau- haus Luftfahrt derived individual transmission capacities on > 78 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

2 Innovative Lösungsansätze Innovative solutions the order of hundreds of Gigabits per second (Gbits / s) for such a network in the photonic backbone. Fundamental analysis shows that the observed aircraft-to-aircraft spacings do not inhibit achiev- ing such capacities using laser-based data transmission. Future research at Bauhaus Luftfahrt will evaluate the trans- ferability of these results to the dynamic, ad hoc networking envir- onment. The impact of weather must be critically assessed in order to derive special technology requirements for implementation and to develop suitable mitigation strategies, such as built-in redun- dancies and safety margins. To this end, and in order to improve net- work load distribution, the ad hoc routing algorithm can be opti- mised in order to generate a profound understanding of the techno- logical potential of the concept. Nutzung des Internets an Bord einher. Zudem steigt der Kapazitäts- bedarf pro Nutzer durch eine stärkere Verbreitung datenintensiver Dienste wie beispielsweise hochaufl ösendes Video-Streaming. Aus diesen Rahmenbedingungen konnte das Bauhaus Luftfahrt eine zukünftige Anforderung an die Datenübertragungskapazitäten im Basisnetz von Hunderten von Gigabits pro Sekunde (Gbits / s) ab- leiten. Theoretische Betrachtungen unter realistischen Annahmen legen nahe, dass die Entfernungen, wie sie im simulierten fl iegen- den Netzwerk auftreten, diesen Anforderungen nicht im Wege stehen würden. Über kürzere Entfernungen werden entsprechende Bitraten bereits heute mit Laserkommunikationssystemen über- troffen. Die zukünftige Forschung am Bauhaus Luftfahrt wird unter anderem die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf das beschrie- bene Ad-hoc-Netzwerk stärker untersuchen. Zudem müssen Fak- toren wie das Wetter kritisch betrachtet werden, um Einfl üsse auf die technologische Umsetzung und auf die Notwendigkeit von Redundanzen im Konzept zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck und zur Auslastungsoptimierung werden die Wissenschaftler auch das Daten-Routing im fl iegenden Netzwerk detaillierter betrach- ten, um ein besseres Verständnis für das realistische Potenzial die- ses Ansatzes zu erhalten. 80 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Neue Wege in Methoden und Prozessen New ways in methods and processes Ecological awareness Currency exchange rates Ways of living and orientation towards leisure time Population development and structures Population growth Ageing society Urbanisation Emerging megacities 82 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes 84 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Szenario-basierte Bewertung der Lebenszykluskosten zukünftiger Flugzeugkonzepte Scenario-based life-cycle cost assessment of future air transport concepts Die Luftfahrtbranche stellt ein volatiles Marktumfeld dar . Aufgrund der langen Lebenszyklen von Flugzeugen ist eine frühzeitige Ana- lyse ihrer Lebenszykluskosten (LCC) entscheidend für ihre Bewer- tung . Bei aktuellen LCC-Modellen variiert eine Vielzahl von Annah- men über die zukünftige Entwicklung die Ergebnisse . Um den da mit verbundenen Unsicherheiten methodisch entgegenzuwirken, ver- bindet das Bauhaus Luftfahrt die LCC-Analyse mit der Szenariome- thodik, die ein etabliertes Werkzeug für die Beschreibung mögli- cher zukünftiger Entwicklungen darstellt . Um diese Verbindung herzustellen, wurden Beziehungen zwi- schen den Schlüsselfaktoren mehrerer Szenarien und ergänzenden LCC-Parametern im Rahmen eines Experten-Workshops identifi- ziert . Jede Beziehung innerhalb des so entstandenen Netzwerks aus Faktoren und Parametern wurde individuell untersucht, wobei Regressionsgleichungen auf Basis historischer Werte die Abhän- gigkeiten quantifizierten. Das daraus resultierende Modell erlaubt die Bewertung von Flugzeugkonzepten für zukünftige Szenarien . Die Methode wurde vom Bauhaus Luftfahrt zunächst für ein Kurzstreckenflugzeug angewendet, um seine Wirtschaftlichkeit mit neuen Antriebsvarianten in drei Zukunftsszenarien zu beurteilen . Letztere umfassten Einflüsse wie Wachstum, Klimawandel oder Re ssourcenmangel und offenbarten signifikante Auswirkungen auf die direkten Betriebskosten. Mit der Identifizierung von Kos ten trei- bern ist es möglich, alternative und quantitative Ergebnisse über die LCC zu erhalten, die einen frühzeitigen Ausblick auf die spätere Wirtschaftlichkeit eines zukünftigen Flugzeugs schon während der Konzeptphase ermöglicht. Aviation industry stakeholders operate in a volatile environment . Because of long life cycles, consideration of future developments is vital for the life-cycle cost (LCC) assessment of aircraft concepts . Using current LCC models, a multiplicity of assumptions about the future development manipulates the results to a varying degree . In order to methodically address the current uncertainties, Bauhaus Luftfahrt has linked LCC models to the well-established scenario method for describing possible future developments . In order to establish this link, the relations between key sce- nario factors and scenario-driven LCC input were mapped out dur- ing an expert workshop. Each relation of the resulting network was investigated individually and regression equations based on histor- ical values described the dependencies . The resulting model allows the evaluation of aircraft concepts for a variety of future scenarios . Bauhaus Luftfahrt first applied this method to a short-haul aircraft to assess the economic efficiency and new engine options in three future scenarios. Focusing on the influences of steady growth, climate change and lack of resources, significant differen- ces in direct operating costs could be revealed . By identifying cost drivers for future environments, it is possible to provide more al- ternative and quantitative results about future costs of operations . The established linkage is therefore a major step in determining future net present values of new aircraft concepts already during the conceptual design phase . 86 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Kombination verschiedener Szenariostudien zu Meta- Szenarien Aggregation of numerous scenario studies to form meta-scenarios Die Luftfahrtindustrie sieht sich in Zukunft vielen Unsicherheiten ausgesetzt, beispielsweise der Entwicklung des Treibstoffpreises und des Luftverkehrsvolumens. Es ist deshalb wichtig, Geschäfts- modelle oder technische Konzepte frühzeitig im Hinblick auf diese Entwicklungen bewerten zu können. Heutige Ansätze konzentrie- ren sich häufi g auf die Analyse einzelner Szenariostudien, um Aus- wirkungen für verschiedene Interessengruppen abzuleiten . Die Ar - beiten am Bauhaus Luftfahrt gehen darüber hinaus, indem sie meh - rere Szenariostudien kombinieren, um damit einen fundierten Aus- blick auf mögliche Ausprägungen zukünftiger Entwicklungen zu gewinnen . Als Erstes wählen die Wissenschaftler aus bekannten, quali- tativ hochwertigen Studien nur diejenigen aus, die einen identi- schen Zeithorizont haben . Zudem müssen alle Einzelszenarien ein breites Spektrum an möglichen zukünftigen Entwicklungen abbil- den und einen speziellen Mobilitätsfokus aufweisen . Um die Stu- dien vergleichen zu können, zerlegt das Bauhaus Luftfahrt ihre In- halte zunächst in Einzelbestandteile und überführt sie anschließend in eine gemeinsame Struktur . Darin werden die Informationen nach sozialen, technologischen, ökonomischen, ökologischen, politischen und Mobilitäts-Faktoren (STEEP-M-Schema) unterteilt . In Be zug auf zukünftige Investitionen in Forschung und Entwicklung zeigt diese Agglomeration beispielsweise in mehr als 25 Szenarien einen An- stieg, während nur fünf eine Reduzierung oder Stag nation erwar- ten. Auf dieser Grundlage entstehen sogenannte Meta-Szenarien, welche für die Analyse der Auswirkungen zukünftiger Entwicklun- gen auf technische Konzepte oder Geschäftsmodelle herangezogen werden . Stakeholders in the aviation industry face a high level of future un- certainty regarding for example fuel price development, or the di- rection and volume of global traffi c fl ows. It is hence important to evaluate future technical concepts and business opportunities in light of these changing conditions . Current approaches often only focus on a specifi c development, or consult a single scenario study, to assess the effects for various stakeholders . To attain a more com- prehensive and thorough picture of possible future environments, Bauhaus Luftfahrt developed a methodology that aggregates a var- iety of scenario studies . First, researchers select high-quality studies with the same time horizon, a wide range of possible future paths and a specifi c mobility focus . To be able to compare the different studies Bau- haus Luftfahrt fi rst disaggregates them into single pieces and then re-aggregates them in a uniform structure . A well-known scheme representing Social, Technological, Economic, Environmental and Political factors complemented by Mobility aspects (STEEP-M) was identifi ed to effectively cluster the gathered information. In regard to future investment in research and development, for example, the aggregation shows that more than 25 scenarios expect this as pect to grow compared to less than fi ve scenarios considering decreas- ing or stagnating future investments. Drawing on this data base, researchers derived a number of possible future environments – the so-called meta-scenarios . These serve as a robust basis for the evaluation of effects on possible future operational parameters, technical concepts and business environments . Übersicht beispielhafter Faktoren, die vom Bauhaus Luftfahrt in einem soge- nannten Meta-Szenario genutzt werden: Die Länge des Balkens repräsentiert die Anzahl der Studien, die von einer Zunahme, Abnahme oder Konstanz des jeweiligen Faktors ausgehen . Sind die Balken für Zu- und Abnahme etwa gleich groß, spricht dies für eine hohe Unsicherheit. Dagegen herrscht ein relativ starker Konsens, dass die Investitionen in Forschung und Entwicklung weiter zunehmen werden. Die Kombination vieler Einzelszenarien hilft dem Bauhaus Luftfahrt daher, die Untersuchung zukunftsweisender Konzepte oder Geschäftsmodelle zuverlässi- ger zu gestalten . Overview of key factors used by Bauhaus Luftfahrt in a meta-scenario: The size of the bars indicates the number of studies in which factors have been estimated as increasing, decreasing or stable. If a given factor is seen as increasing or decreasing by a similar number of studies, the future seems to be uncertain. On the other hand there is a lot of consensus that research and development investments are likely to increase in the future. Hence, the aggregation of multiple scenario studies helps Bauhaus Luftfahrt to further improve the evaluation of future technical concepts and business opportunities . 88 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes Einsatz von semantischen Technologien im Flugzeugentwurf Application of semantic technologies in aircraft design Der integrierte Flugzeugentwurf erfordert die Zusammenarbeit von Experten aus unterschiedlichen Fachbereichen. Dabei werden Ent- wurfsmodelle aus unterschiedlichen Disziplinen integriert, ausge- tauscht und konsolidiert . Dieser Vorgang ist heute bestenfalls teil- weise automatisiert und somit aufwändig und fehleranfällig . Eine verbesserte Automatisierung erfordert, dass die Bedeutung und der Kontext der zu integrierenden Modelldaten formal und ma- schinenlesbar repräsentiert sind . In der Informatik werden daher „Ontologie“ genannte Datenstrukturen genutzt, um Wissen über verschiedenste Konzepte durch logische Verknüpfungen zwischen diesen formal zu erfassen und auszuwerten . Das Bauhaus Luftfahrt nutzt diesen Ansatz für den Flugzeug- entwurf und entwickelte im Jahr 2013 eine entsprechende Onto- logie, die für Modelldaten in unterschiedlichen Formaten eine se- mantische Referenz zur Verfügung stellt. Die Wissenschaftler konn- ten dazu bereits ein entsprechendes Vorgehensmodell evalu ieren und Erfahrung mit Entwurfsprinzipien und -werkzeugen sammeln, die speziell für Ontologien entwickelt wurden. Die enge Zusam- menarbeit von Experten aus Flugzeugentwurf und Informatik, wie sie am Bauhaus Luftfahrt möglich ist, hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen . Mit den bisherigen Arbeiten hat das Bauhaus Luftfahrt eine solide Basis für die Anwendung von semantischen Technologien im Flugzeugentwurf gelegt. Zukünftig werden die Wissenschaftler weiter daran arbeiten, diese direkt in vorhandene Software-Werk- zeuge zu integrieren, um die Effizienz im Flugzeugentwurf durch wissensbasierte Verfahren zu verbessern . An integrated aircraft design process requires the collaboration of experts from numerous different disciplines in which data models need to be integrated, consolidated and exchanged frequently. This process is, however, currently at best only partly automated, resulting in a time-consuming and error-prone process . To further improve the automation of model integration, a formal and ma- chine-readable representation of model data is required . In com- puter science, ontologies are used to formally capture knowledge about concepts by logical links between them, enabling automat- ed evaluation . Bauhaus Luftfahrt has adopted this approach for aircraft de- sign and in 2013 developed an ontology in order to provide a se- mantic reference for existing aircraft models in different data for- mats . The researchers evaluated a process model as well as design principles and tools specifically developed for ontologies. The close collaboration between aircraft designers and computer scientists at Bauhaus Luftfahrt turned out to be beneficial for the success of the ontology development project . With these efforts Bauhaus Luftfahrt laid a solid basis for the application of semantic technologies in aircraft design . In the fu- ture, researchers will continue to integrate them into existing soft- ware tools in order to improve the practice of aircraft design to- wards efficient, truly knowledge-based techniques. 90 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

3 Methoden und Prozesse Methods and processes 92 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Munich Aerospace: Bauhaus Luftfahrt wieder aktiv an Meilensteinen der Entwicklung beteiligt Munich Aerospace: Bauhaus Luftfahrt again actively engaged in recent development milestones Im Jahr 2013 konnte Munich Aerospace seine Position in der bay- erischen Luftfahrtlandschaft weiter stärken . Am 22 . Juli fand die Un terzeichnung einer Absichtserklärung statt, welche die Koope- ration zwischen Munich Aerospace e .V . und der neu gegründeten Ludwig Bölkow Campus GmbH regelt . Die beiden Partner bilden damit die Säulen des neuen Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn, der bisher als Bavarian International Campus Aerospace and Secu- rity (BICAS) firmierte. In 2013 Munich Aerospace further strengthened its position in the aerospace community in Bavaria . On July 22 a Memorandum of Understanding outlining the co operation between Munich Aero- space e .V . and the newly founded Ludwig Bölkow Campus GmbH was signed . Based on this document, these two partners will form the pillars of the new Ludwig Bölkow Campus in Ottobrunn, for- merly known as Bavarian Internati onal Campus Aerospace and Security (BICAS) . Im Rahmen der 4 . Mitgliederversammlung wurde am 15 . No- vember ein neuer Vorstand berufen . Als Nachfolger für Dr . Anita Linseisen vertritt nun Dr . Thomas Röhm, Leiter Ökonomie und Ver- kehr, das Bauhaus Luftfahrt in diesem Gremium . During the organisation’s fourth general meeting on Novem- ber 15 a new Executive Board was elected: Dr Thomas Röhm, Head of Economics and Transportation, now acts as representative of Bau haus Luftfahrt, succeeding Dr Anita Linseisen . Auch in der wissenschaftlichen Arbeit konnten wichtige Fort- schritte erzielt werden . Bereits im Januar trafen sich Stipendiaten, Forschergruppenmitglieder und -leiter im Universitätszentrum Ober- gurgl in Österreich zur ersten „Munich Aerospace Winter School“ . Hier stellten die Teilnehmer ihre Forschungsgebiete vor und disku- tierten angewendete Methoden und erzielte Ergebnisse . Die Forschergruppe „Operationelle Modellierung, Simulation und Optimierung intermodaler Knoten im Luftverkehr“ hat im Juni an der „17 . Air Transport Research Society World Conference“ im italienischen Bergamo teilgenommen . An der Forschergruppe be- teiligte Wissenschaftler des Bauhaus Luftfahrt präsentierten aktu- elle Forschungsergebnisse in Fachvorträgen und diskutierten ihre Ergebnisse mit internationalen Luftfahrtexperten . Great progress was also made in terms of research activities . In January the first Munich Aerospace Winter School took place at the University Center in Obergurgl, Austria . Scholarship holders, re search group fellows and leaders took part in the event, present- ing their areas of research to one another and discussing applied meth ods as well as achieved results . In June, members of the research group “Modeling, simula- tion and optimization of the operational aspects of intermodal nodes in air transportation” successfully participated in the 17th Air Trans port Research Society World Conference in Bergamo, Italy . Re searchers of Bauhaus Luftfahrt presented recent findings at this conference and actively engaged in discussion with international aviation experts . 94 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Bauhaus Luftfahrt treibt Nachhaltigkeitsthemen bei aireg und ihren Partnern voran Bauhaus Luftfahrt spurs sustainability issues at aireg and its partner initiatives Als Mitgründer der „Aviation Initiative for Renewable Energy in Ger- many e .V .“ (aireg), als Mitglied in sämtlichen Arbeitskreisen sowie in der Rolle als Vorsitzender des Arbeitskreises „Nachhaltigkeit“ hat sich das Bauhaus Luftfahrt auch im Jahr 2013 wieder aktiv in die Entwicklung von aireg eingebracht . Die Experten im Arbeitskreis „Nachhaltigkeit“ untersuchen schwerpunktmäßig die Wertschöpfungskette für alternative Flug- kraftstoffe und erarbeiten Vorschläge zur Förderung der Produkti - on und Verbreitung von Biokraftstoffen . Im abgelaufenen Jahr hat aireg erfolgreich eine fundierte Stellungnahme zur kontroversen Frage indirekter Landnutzungsrechte in die öffentliche Diskussion eingebracht . Außerdem unterstützt das Bauhaus Luftfahrt aireg in einem Forschungsprojekt, in dem der Einsatz von Biokraftstoffen untersucht und ihr Beitrag zur Senkung der Kohlendioxid-Emissi- onen im Luftverkehr abgeschätzt wird . Dieses Forschungsprojekt wird seit Ende 2012 durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert . Mehrfach vertrat das Bauhaus Luftfahrt im Jahr 2013 die In- teressen von aireg auch bei der US-amerikanischen Schwester- initiative Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative (CAAFI), mit dem Ziel, den transatlantischen Wissenstransfer zu alternati- ven Flugkraftstoffen weiter voranzutreiben und gemeinsam nach globalen Lösungen zu suchen . In den nächsten Jahren sollen For- schungseinrichtungen und Partner aus weiteren wichtigen Län- dern in den Dialog miteinbezogen werden . As a founding member represented in all fi ve working groups and as leader of the “Sustainability” group, Bauhaus Luftfahrt again played an active part in the development of the “Aviation Initiative for Renewable Energy in Germany e .V .” (aireg) in 2013 . Experts in the working group “Sustainability” focus their anal- yses on the value creation chain for alternative aviation fuels and develop proposals for the advancement of production and dissemi- nation of biofuels . In the past year, aireg successfully contributed to the controversial discussion of indirect land use change (iLUC) with a substantiated statement . Additionally, Bauhaus Luftfahrt is supporting aireg in a re- search project aiming to estimate the impact of biofuels to carbon emissions reductions in aviation . This project is funded by the Fed- eral Ministry of Transport and Digital Infrastructure (BMVI) since the end of 2012 . On several occasions, Bauhaus Luftfahrt represented aireg’s views towards its US counterpart “Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative” (CAAFI), aiming to spur a transatlantic transfer of knowledge in the fi eld of alternative aviation fuels and to collabo- ratively search for global solutions to a global market . The aim is to extend this dialogue to additional research institutions and part- ners from certain focus countries in the coming years . 96 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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Zahlen und Fakten Facts and figures 100 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Finanzen Financial figures Das Bauhaus Luftfahrt konnte im Geschäftsjahr 2013 seine Um- satzerlöse um 777 .000 Euro steigern, ein Plus von 19,4 Prozent . Dabei sind die Erträge aus Aufträgen und Kooperationen mit den Industriepartnern um 287 .000 auf 1,77 Mio . Euro angestiegen . Vor allem bei Drittmittelförderprojekten konnten die Erträge von 149 .000 auf 639 .000 Euro entscheidend gesteigert werden . Dieser Anstieg ist besonders auf neue Projekte innerhalb des 7 . EU-For- schungsrahmenprogramms und zwei neue Forschungsvorhaben zurückzuführen, die aus der Zusammenarbeit der Ludwig Bölkow Campus GmbH und Munich Aerospace e .V . entstanden sind . Für das Jahr 2014 plant das Bauhaus Luftfahrt mit einer wei- teren Zunahme bei den Drittmitteleinnahmen aus Förderprojekten auf rund 861 .000 sowie mit konstanten Industrie-, Kooperations- und Verbundforschungsprojekten von rund 1,75 Mio . Euro . In its fiscal year 2013, Bauhaus Luftfahrt could raise its revenue by 777,000 euros, or 19 .4 per cent . Earnings from research cooper- ations with industry partners rose to 1.77 million euros, an in crease of 287,000 euros. Moreover, funding from third-party projects climbed significantly from 149,000 to 639,000 euros. This gain is mainly linked to new projects within the European Union’s seventh research framework programme as well as two research undertak- ings from the cooperation with Ludwig-Bölkow-Campus GmbH and Munich Aerospace e .V . For the year 2014, Bauhaus Luftfahrt plans another increase in third-party funds to around 861,000 euros. Funding from indus- try and integrated research projects is expected to remain constant at around 1 .75 million euros . Finanzmittel / Funds 5 .000 .000 4 .500 .000 4 .000 .000 3 .500 .000 3 .000 .000 2 .500 .000 2 .000 .000 1 .500 .000 1 .000 .000 500 .000 0 2011 2012 2013 102 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege. Forschungsaufträge Research contracts (€) Bund/EU Federal/European funds (€) Mitgliedsbeiträge Membership fees (€) Zuschüsse Freistaat Bayern Grants from the Free State of Bavaria (€) 2011 2012 2013 1 .436 .420 1 .480 .204 1 .767 .070 338 .202 148 .956 638 .987 750 .600 875 .600 875 .600 1 .500 .000 1 .500 .000 1 .500 .000

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013 Scientific publications / Patents 2013 Zeitschriftenaufsätze / Journal articles 03.2013 International Journal of Aviation Management | Vol. 2, No. 1/2 Identification of Key Aircraft and Operational Parameters Affecting Airport Charges K. O. Plötner, P. Wesseler, P. Phleps 04.2013 07.2013 08.2013 09.2013 Zeitschrift für Verkehrswissenschaft | 84. Jahrgang, 2013, Heft 1, S. 78–80 Buchrezension: R. Conrady, F. Fichert und R. Sterzenbach (2013), Luftverkehr – Betriebswirtschaftliches Lehr- und Handbuch, 5., vollständig überarbeitete Auflage 2013 A. Paul Journal of Intelligent Material Systems and Structures | DOI: 10.1177/1045389X13502869 An Integrated Conceptual Design Study Using Span Morphing Technology R. M. Ajaj, M. I. Friswell, A. T. Isikveren, W. G. Dettmer, G. Allegri International Journal of Nanoscience | Vol. 12, No. 3, 1350015-22 Size Effects on the Efficiency of Neutron Shielding in Nanocomposites – a Full Range Analysis L. Koops (L.Schrempp) Journal of Engineering for Gas Turbines and Power | DOI: 10.1115/1.4025066 Unified Applicable Propulsion System Performance Metrics O. Schmitz, M. Hornung Konferenzbeiträge / Conference contributions 04.2013 06.2013 06.2013 AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials and Co-located Conferences | Boston Variable Wing Span Using the Compliant Spar Concept R. Ajaj, M. Friswell, E. I. Saavedra Flores, A. T. Isikveren, H. Chaouk ASME Turbo Expo | San Antonio Unified Applicable Propulsion System Performance Metrics O. Schmitz, M. Hornung First Bauhaus Luftfahrt Symposium “Future of Aviation – Perspectives for 2050” | Munich Global Bioenergy Potential – A Geographical Assessment F. Riegel New Pathways for the Production of Renewable Jet Fuel A. Roth Ce-Liner: From Market to the Concept M. Hornung, A. Sizmann, A. T. Isikveren eAviation Energy and Power Systems H. Kuhn Relative Merits of Advanced Gas-Turbine and Hybrid-Cycle Propulsion A. Seitz 104 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013 Scientific publications / Patents 2013 Contributions of Cabin-Related and Ground Operation Technologies Towards Flightpath 2050 M. Schmidt, K. O. Plötner, C. Pornet, A. T. Isikveren, M. Hornung Methods for Simulation and Analysis of Hybrid Energy Propulsion Systems O. Schmitz, M. Hornung Comparative Assessment of Transient Characteristics of Conventional and Hybrid Gas Turbine Engines G. Wortmann, O. Schmitz, M. Hornung Biofuels for Aviation: Incentives for a Sustainable Supply Chain C. Jeßberger, S. Wolf Assessment Framework for Sustainable Lightweight Materials in Aviation O. Boegler, A. Roth, L. Lorenz, A. Sizmann Capacity Scaling in Airborne Communication Networks Based on Air Traffic Scenario Modeling K.-D. Büchter, N. Randt, A. Sizmann Hybrid Power Systems for Radical Emission Reduction in Aviation H. Kuhn, A. Sizmann Hybrid Power Trains for Future Mobility L. Lorenz, A. Seitz, H. Kuhn, A. Sizmann Creating an Ontology for Aircraft Design M. Ast, M. Glas, T. Röhm Facilitating Knowledge Sharing in an Aircraft Design Project S. Ziemer, M. Glas, P. Schurk 4th CEAS Air & Space Conference | Linköping Battery Pack Modeling Methods for Universally Electric Aircraft P. C. Vratny, C. Gologan, C. Pornet, A. T. Isikveren, M. Hornung Parametric Design Studies for Propulsive Fuselage Aircraft Concepts A. Seitz, C. Gologan Sustainable Alternative Fuels for Aviation: International Emission Targets vs. Corporate Sustainability Aspirations C. Jeßberger, S. Wolf Avionics, Fiber-Optics and Photonics (AVFOP) Conference | San Diego Feasibility of High-Speed Transparent Photonic Links in Airborne Free-Space Optical Communication K.-D. Büchter, A. Sizmann Workshop on Human Computation and Machine Learning in Games at HComp 2013 | Palm Springs Gameful Markets for Collaboration and Learning S. Leutenmayr, F. Kneissl, S. Ziemer, F. Bry 3rd International Conference on Social Eco-Informatics SOTICS | Lisbon Decision Markets for Continuously Reflected Collective Decisions S. Leutenmayr, S. Ziemer, F. Bry 09.2013 10.2013 11.2013 11.2013 106 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

Wissenschaftliche Veröffentlichungen / Patente 2013 Scientific publications / Patents 2013 Patente / Patents EP 1964774 A2 > Europäisches Patentamt, München > „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und / oder Vortrieb“ > Erfinder / Inventor: J. Seifert DE 102007009951 B3 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Fluggerät mit rotierenden Zylindern zur Erzeugung von Auftrieb und / oder Vortrieb“ > Erfinder / Inventor: J. Seifert DE 102008022452 A1 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Flugzeug mit aktiv steuerbaren Hilfsflügeln“ > Erfinder / Inventor: J. Wittmann DE 102008024463 B4 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Flugzeugantriebssystem“ > Erfinder / Inventor: A. Seitz DE 102012015104.7 > Deutsches Patent- und Markenamt, München > „Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk und Verfahren zum Betrieb dieses Fahrzeugtriebwerkes“ > Erfinder / Inventor: O. Schmitz 108 Bauhaus Luftfahrt Neue Wege.

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