Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2018

05 Sehr geehrte Damen und Herren Das Ziel von nachhaltigem Wachstum des globalen Luftverkehrs stellt die Luftfahrtbranche vor immer größere Herausforderungen. Diese können nicht mehr wie in den vergangenen 50 Jahren mit kontinuierlichem Technologiefortschritt alleine gelöst werden. Disruptive Technologien hingegen erfordern erhöhte Aufwen- dungen und bergen große Risiken. Neue technologische Konzepte wie Elektriﬁzierung, auto- nomes Fliegen, künstliche Intelligenz oder Connectivity ermög- lichen neuartige Vehikel und Services und eröffnen neue Märkte, wie zum Beispiel Urban Air Mobility. Gleichzeitig treiben Digita- lisierung und Industrie 4.0 eine tiefgreifende Transformation der Unternehmen voran. In dieser komplexeren und von hoher Innovationsgeschwin- digkeit geprägten Zeit fällt es den Luftfahrtakteuren zunehmend schwerer, Prioritäten für ihre Technologie-, Produkt- und Busi- nessstrategien zu setzen und damit wichtige Entscheidungen über den Einsatz limitierter Ressourcen zu treffen. Ein Thinktank wie das Bauhaus Luftfahrt mit seiner Kompe- tenz und seiner Fähigkeit, neue technologische Ansätze ganz- heitlich und interdisziplinär zu integrieren, kann hier mit Studien, Simulationen, Szenarien und Technologie-Impact-Analysen den Unternehmen und Institutionen wertvolle Entscheidungshilfe geben. Mit dem bewussten Blick in andere Geschäfts- und Forschungsbereiche sollen vielversprechende Trends und Tech- nologien frühzeitig identiﬁziert und im Luftfahrtkontext bewertet werden. So lassen sich neue Möglichkeiten und Potenziale erschließen und Kooperationen bei der Entwicklung von disrup- tiven Technologien forcieren. Das vorliegende Jahrbuch widmet sich in zwei Sonderkapi- teln den Forschungsthemen „Urban Air Mobility“ (Seiten 14 bis 21) und „Digitale Transformation in der Luftfahrt“ (Seiten 28 bis 33). Darüber hinaus hält die diesjährige Ausgabe wieder einmalige Einblicke in die Zukunft des Fliegens für Sie bereit. Ich wünsche Ihnen viel Freude beim Lesen dieses besonderen Jahrbuches! Ihr Axel Flaig + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dear Ladies and Gentlemen The goal of sustainable growth in global air trafﬁc poses ever greater challenges for the aviation industry. These challenges cannot, as in the past 50 years, be solved by continuous technological progress alone. Disruptive tech- nologies, on the other hand, require increased expendi- ture and entail major risks. New technological concepts such as electriﬁcation, autonomous ﬂying, artiﬁcial intelligence, and connectivity make new vehicles and services possible and open up new markets, such as urban air mobility. At the same time, digitalisation and Industry 4.0 are driving a far- reaching transformation of companies. In these more complex and innovative times, it is increasingly difﬁcult for aerospace companies to prioritise their technology, product, and business strategies, and thus make important decisions about the use of limited resources. A think tank like Bauhaus Luftfahrt with its compe- tence and its ability to integrate new technological approaches in a holistic and interdisciplinary way can provide valuable decision support for companies and institutions with studies, simulations, scenarios, and technology impact analyses. With a conscious look into other business and research areas, promising trends and technologies are to be identiﬁed at an early stage and evaluated in the aviation context. In this way, new possibilities and potentials can be realised and coopera- tion in the development of disruptive technologies can be accelerated. Two special chapters of this Yearbook are devoted to the research topics “Urban Air Mobility” (pages 14 to 21) and “Digital Transformation in Aviation” (pages 28 to 33). In addition, this year’s issue once again provides you with unique insights into the future of aviation. I hope you enjoy reading this special Yearbook! Your Axel Flaig

07 Liebe Luftfahrtbegeisterte Die Bedeutung des Luftverkehrs in einer immer globaleren Welt nimmt eine sehr wichtige Rolle in der Mobilität von morgen ein. Während das „klassische“ Luftverkehrssystem vor der immen- sen Herausforderung steht, das Wachstum immer nachhaltiger und mit drastisch reduziertem ökologischen Fußabdruck zu bewältigen, ermöglichen neue Technologien die Erweiterung der „Luftmobilität“ in völlig neue Anwendungsbereiche. Mit der zunehmenden Urbanisierung wird der Bedarf nach efﬁzienten Verkehrskonzepten zwischen und sogar innerhalb von Städten immer größer. Während das Team des Bauhaus Luftfahrt bereits in 2016 die CentAirStation konzipiert hat, eine mögliche Lösung für den hochefﬁzienten Luftverkehr von Stadt zu Stadt, direkt aus dem Herzen der Städte hinaus, nehmen aktuell die Forschungsarbeiten zu innerstädtischen Luftver- kehrskonzepten immer weiter zu. Dieser Fragestellung ist ein besonderer Schwerpunkt in diesem Jahrbuch gewidmet, der über grundlegende Zusammenhänge, aber auch mögliche Lösungsansätze und Konsequenzen informieren soll. Neben der urbanen Mobilität steht weiterhin die Suche und Identiﬁzierung von Technologien, Konzepten und Geschäftsmo- dellen im Zentrum der Forschung am Bauhaus Luftfahrt, um den Luftverkehr noch efﬁzienter zu machen. Die Erreichung der Ziele des Flightpath 2050 ebenso wie ein aktiver Beitrag zur Erfüllung der langfristigen Klimaziele sind hier die wesentlichen Treiber. Dafür stehen alternative Kraftstoffoptionen, neue Antriebs-, Energie- und Flugzeugkonzepte genauso wie radikale Betriebs- und Geschäftsmodelle auf dem Prüfstand. Eine wichtige Grund- lage hierfür liefert das Bauhaus-Luftfahrt-interne Technologie- radar ebenso wie der Trendmonitor, in dem aussichtsreiche Forschungen identiﬁziert und mit Bezug auf ihren Einﬂuss auf die Luftfahrt bewertet werden. Das Bauhaus Luftfahrt hat sich in 2018 auch organisatorisch weiterentwickelt. Mit der Rückkehr von Insa Ottensmann in die Luftfahrtindustrie wurde die Führungsstruktur neu aufgestellt, und die Forschungseinrichtung wird in Zukunft nur noch von einem Vorstand geleitet. Die große Bandbreite der Technologien und Handlungsoptio- nen für die Zukunft der Luftfahrt soll Ihnen mit dem vorliegenden Jahrbuch etwas nähergebracht werden. Wir wünschen Ihnen, liebe Leserin, lieber Leser, bei der Lektüre viel Vergnügen! Ihr Prof. Dr. Mirko Hornung + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dear Aviation Enthusiasts In an increasingly global world, aviation takes a very impor- tant role in shaping the mobility of tomorrow. While the “classic” air transport system faces immense challenges to meet the continuously growing demand in a sustainable manner, while drastically reducing its ecological footprint, new technologies are enabling the extension of air mobility in completely new application areas. Growing urbanisation is fostering the demand for efﬁcient mobility concepts between and also within urban areas. While the team of Bauhaus Luftfahrt already in 2016 established the CentAirStation, a possible solution for a highly efﬁcient air transport system for city-to-city air travel directly from the heart of the city, actual research is increasingly focused on inner-urban air mobility. Within this yearbook, a dedicated emphasis is being placed on technol- ogies and solutions featuring urban air mobility, providing information about the key interrelations and challenges. Besides urban mobility, the search and identiﬁcation of technologies, concepts, and business models to improve the air transport’s efﬁciency are at the centre of research at Bauhaus Luftfahrt. To achieve the targets of Flightpath 2050 as well as to actively contribute to the long-term climate goals are the key drivers for this research. This is why alternative fuel options, novel propulsion, energy, and aircraft concepts as much as radical operational and business models are under scrutiny. A major foundation for this research provides the Bauhaus Luftfahrt internal Technology Radar as well as the trend monitor, where promising research is identiﬁed and evaluated in the con- text of aviation. Bauhaus Luftfahrt also evolved organisationally in 2018. With the return of Insa Ottensmann to the aviation industry, the governance structure of the research institution has been adopted, leading to a single Executive Director heading the organisation in the future. The large bandwidth of technologies and options for the future of aviation shall be brought to you by this year- book. We wish you, dear readers, insightful impulses; enjoy reading! Your Prof. Dr. Mirko Hornung

08 contents energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + editorial Vorwort Beiratsvorsitzender Vorwort Vorstand Highlights 2018 Mission 04 06 10 12 Foreword Chairman of the Board Foreword Executive Director Highlights 2018 Mission Zahlen & Fakten 60 Facts & ﬁgures + + + + + + + + + + + + Impressum 74 Imprint + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + urban air mobility Was braucht es, damit Urban Air Mobility zum Massentransport wird? Konﬂiktfreie Routenplanung für Urban Air Mobility Elektrische Senkrechtstarter für Urban Air Mobility 16 18 20 What Does It Take for Urban Air Mobility to Be Mass Transport? Conﬂict-Free Routing in Urban Air Mobility Electric VTOL Aircraft for Urban Air Mobility

09 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + technology radar Zukunftstechnologieanalyse zur Entscheidungsunterstützung in der Wartung Von der Natur inspirierte Materialien und Strukturen 24 26 Future Technology Analysis for Decision-Support in Maintenance Biologically Inspired Materials and Structures + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + digital transformation Vom Datenbewusstsein zur Nutzbarmachung von Wissen Engineering 4.0 und die Wirklichkeit von Modellen 30 32 From Data Awareness to Harnessing Knowledge Engineering 4.0 and the Reality of Models + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + operations Zukünftige Veränderungen von Mobilität in Europa Wie können Fluggesellschaften in Zukunft Geld verdienen? 36 38 Changing Mobility in Europe How Can Airlines Make Money in the Future? + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + alternative fuels Zukünftige Pfade hin zu mehr Nachhaltigkeit in der Luftfahrt Partikelreaktorkonzept zur solaren Synthesegasproduktion Kraftstoffe durch hydrothermale Verﬂüssigung von Biomasse 42 44 46 Future Pathways towards Sustainability in Aviation Particle Reactor Concept for the Production of Solar Synthesis Gas Fuels from Hydrothermal Liquefaction of Biomass + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + energy technologies & power systems Brennstoffzellen als Mobilitätsoption: Fortschritte und Perspektiven Antriebs-Vorstudien eines turboelektrischen „Propulsive Fuselage“ 50 52 Fuel Cells as Power Option for Mobility: Progress and Prospects Powerplant Pre-Design Studies for a Turboelectric Propulsive Fuselage + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + systems & aircraft technologies Kraftstoff als alternative Wärmesenke für zukünftige Flugzeugkonzepte Eine vereinheitlichte Bewertung von Konzepten mit Grenzschichteinsaugung 56 58 Fuel as Alternative Heat Sink for Future Aircraft A Uniﬁed Bookkeeping Approach for Boundary Layer Ingestion Concepts

11 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Das Bauhaus Luftfahrt war vom 25. bis zum 29. April 2018 mit einem eigenen Stand auf der ILA Berlin – der führenden Innovationsmesse der Luft- und Raumfahrtbran- che – vertreten. Mit im Gepäck hatten die Zukunftsforscher aus München wieder jede Menge innovativer Denk- und Diskussionsanstöße, die das Potenzial haben, das Luftverkehrssystem grundlegend zu verändern. Auf 43 Quadratmetern präsen- tierte der Thinktank nicht nur eigene technologische Konzepte und operationelle Lösungsansätze, sondern gab darüber hinaus wissenschaftliche Antworten auf die zentralen Zukunftsfragen der Luftfahrt. Auch beim Standkonzept ging das Bauhaus Luftfahrt neue Wege: Im Mittelpunkt stand ein 60 Zentimeter durchmessender touchfähiger Globus, auf dem der Besucher die ganze Welt der Luftfahrtforschung interaktiv entdecken konnte. Ein weiteres Highlight auf dem Stand des Bauhaus Luftfahrt war die Vorstellung des ersten „solaren“ Flugkraftstoffes am 26. April 2018. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes SOLAR-JET war es erstmals gelungen, synthetisches „solares“ Kerosin herzustellen. Der gesamte Produktions- prozess für erneuerbaren Kraftstoff aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid wurde erfolgreich durchlaufen, was die Zukunft der Luftfahrt maßgeblich beein- ﬂussen könnte. Bauhaus Luftfahrt had its own booth at ILA Berlin – the most innovative trade event for the aerospace industry – from April 25th to 29th, 2018. Once again, the futurolo- gists from Munich had a lot of innovative food for thought and discussion in their luggage, which has the potential to fundamentally change the air transport system. On 43 square metres, the think tank not only presented its own technological con- cepts and operational solutions, but also provided scientiﬁc answers to the central future questions of aviation. Bauhaus Luftfahrt was also breaking new ground with its booth concept: The focus was on a 60-centimetre diameter, touchable globe, on which visitors could interactively discover the entire world of aviation research. Another highlight at the Bauhaus Luftfahrt booth was the presentation of the world’s ﬁrst “solar” jet fuel on April 26th, 2018. Within the framework of the SOLAR- JET research project funded by the European Union, synthetic “solar” kerosene had been produced for the ﬁrst time. The entire production chain for renewable fuel from sunlight, water, and carbon dioxide had been successfully completed, which could have a major impact on the future of aviation. Das Bauhaus Luftfahrt hat auch auf der ILA Berlin 2018 bei Politik (unter anderem Verkehrsminister Andreas Scheuer), Fachpublikum und der breiten Öffentlichkeit für Aufmerksam- keit gesorgt. At ILA Berlin 2018, Bauhaus Luftfahrt once again attracted the attention of politicians (including Federal Transport Minister Andreas Scheuer), important trade visitors, and the wider public.

12 mission Über das Bauhaus Luftfahrt Was treibt die Mobilität von morgen? Welche alternativen Energieoptionen werden langfristig für die Luftfahrt zur Verfügung stehen? Welche Antriebs- und Systemtech- nologien werden die Efﬁzienz zukünftiger Flugzeug- entwürfe weiter verbessern, und werden diese zu voll- ständig neuen Designs führen? Welchen Einﬂuss werden Informationstechnologien auf zukünftige Produkte und deren Entwicklungsprozesse haben? Entlang dieser und weiterer Fragestellungen analysiert das Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung wesentliche Treiber, neue technologische Ansätze sowie innovative Ideen und integriert diese in ganzheitliche Lösungen für die Luftfahrt. Seit mehr als zehn Jahren betrachtet das Bauhaus Luftfahrt im Sinne eines Thinktanks Themen aus sehr unterschiedlichen Blickwinkeln: Die 37 Wissenschaftler mit fachlicher Expertise aus Sozialwissenschaft und Ökonomie, Natur- und Ingenieurwissenschaft sowie Infor- matik identiﬁzieren und bewerten erfolgversprechende Ansätze und entwickeln diese, häuﬁg in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern, als Grund- lage für neue Produktideen und -konzepte weiter. Damit nimmt das Bauhaus Luftfahrt eine wichtige Vorreiterrolle ein – als Ideenschmiede, Forschungseinrichtung und Impulsgenerator für Fachwelt, Öffentlichkeit und Politik. Die Luftverkehrsﬂotte wird sich allen Prognosen nach bis 2050 verdreifachen. Die Ziele 75 % weniger CO2- Ausstoß, deutlich geringere NOX- und Lärmemissionen gegenüber dem Jahr 2000 sind im „Flightpath 2050“ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + formuliert. Aus dem Luftverkehrswachstum, den „Flight- path 2050“-Zielen und den langen Produktlebenszyklen von Flugzeugen von bis zu 60 Jahren leitet das Bauhaus Luftfahrt seinen Auftrag ab, über die Grenzen herkömm- licher Technologien und Materialien weit hinauszublicken und neue Aspekte zu betrachten. Dabei sollen und können keine Voraussagen getroffen werden, welches das nächste Produkt sein wird. Die Wissenschaftler erfor- schen vielmehr neue Technologien und Materialien, zeigen deren Relevanz für zukünftige Entwicklungen und schaffen ein Bewusstsein, worin die Potenziale für die Luftfahrt liegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse liefern zahlreiche Denk- und Diskussionsanstöße – und das außerhalb der vorhandenen konventionellen Forschungs- und Entwicklungslandschaft. Die Herangehensweise, zunächst eine Idee in einem interdisziplinären kreativen Prozess entstehen zu lassen und diese anschließend auf ihre Anwendbarkeit wissenschaftlich zu überprüfen, macht das Bauhaus Luftfahrt als Forschungseinrichtung einzigartig in Deutschland und Europa. Gegründet wurde der Bauhaus Luftfahrt e. V. im November 2005 von den drei Luft- und Raumfahrtunter- nehmen Airbus, Liebherr-Aerospace und MTU Aero Engines sowie dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie. Namens- gebend war das Staatliche Bauhaus, die fachübergreifen- de Kunst-, Design- und Architekturschule von Walter Gropius im Weimar und Dessau der 1920er-Jahre. Seit 2012 ergänzt die IABG Industrieanlagen-Betriebsgesell- schaft den Kreis namhafter Industriepartner. Das Bauhaus Luftfahrt ist seit 2015 auf dem Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen bei München angesiedelt, dessen Gründungs- partner es ist.

13 energy technologies & power systems alternative fuels technology radar systems & aircraft technologies operations About Bauhaus Luftfahrt What drives the mobility of tomorrow? What alternative energy options will be available for aviation in the long term? Which power and system technologies will further improve the efﬁciency of future aircraft concepts, and will these lead to completely new designs? What impact will information technologies have on future products and their development processes? In light of these and other questions, as a research institution, Bauhaus Luftfahrt analyses major driving forces, new technologi- cal approaches, and innovative ideas and integrates them into holistic solutions for aviation. For more than a decade, Bauhaus Luftfahrt is studying topics from very different perspectives in the sense of a think tank: The 37 scientists with professional expertise in their ﬁeld areas of social sciences and economics, nature and engineering sciences as well as informatics identify and assess promising approaches and develop them, frequently in collaboration with national and international partners, as a basis for new product ideas and concepts. Bauhaus Luftfahrt is thereby playing a key pioneering role – as a think tank, a research institution, and an impulse generator for experts, the public, and politicians. According to all forecasts, the civil aviation ﬂeet will triple by 2050. The goals of 75 % less CO2 emissions, considerably reduced NOx emissions and noise compared to 2000 are expressed in Flightpath 2050. From the growth in air trafﬁc, the Flightpath 2050 goals, and the long product life cycles of aircraft of up to 60 years, + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Bauhaus Luftfahrt derives its task of going far beyond the boundaries of conventional technologies and materials and of studying new aspects. Here, no predic- tions can or should be made on what the next product will be. Instead, scientists are searching for new tech- nologies and materials, showing their relevance for future developments, and raising awareness of wherein the potential for aviation lies. The knowledge gained in this way offers numerous incentives to think differently and participate in discussions – and all of that is outside the existing conventional research and development landscape. The approach, to ﬁrst let an idea arise in an interdisciplinary creative process and then check it in a scientiﬁcally sound manner for its applicability, makes Bauhaus Luftfahrt unique as a research institution in Germany and Europe. Bauhaus Luftfahrt e. V. was founded in November 2005 by the three aerospace companies Airbus, Liebherr-Aerospace and MTU Aero Engines as well as the Bavarian Ministry of Economic Affairs, Regional Development and Energy. The source of the name was Staatliches Bauhaus, the interdisciplinary art, design, and architecture school by Walter Gropius in the Weimar and Dessau of the 1920s. Since 2012, IABG Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft has rounded out the circle of renowned industrial partners. Since 2015, Bauhaus Luftfahrt has been based on Ludwig Bölkow Campus in Taufkirchen near Munich, whose founding partner it is.

16 urban air mobility Was braucht es, damit Urban Air Mobility zum Massentransport wird? Neue Einsatzgebiete für Luftfahrzeuge eröffnen sich durch Entwicklungen in der elektrischen Antriebs-, Batterie- und Sensortechnologie. Zurzeit arbeiten mehr als hundert Unternehmen an der Realisierung des Konzeptes von Urban Air Mobility (UAM), dem Einsatz von vertikal startenden und landenden Flug- zeugen für den inter- und innerstädtischen Perso- nenverkehr. Um die potenzielle Transportleistung von UAM zu verstehen, verfolgt das Bauhaus Luftfahrt einen agentenbasierten Modellierungsansatz, da – im Gegensatz zum klassischen Vier-Stufen-Ansatz – die agentenbasierte Modellierung dynamische Agen- tenentscheidungen während der Simulation ermög- licht. Somit können neue Mobilitätsdienstleistungen wie On-Demand, Sharing oder auch Pooling, wovon die meisten UAM-Konzepte ausgehen, abgebildet werden. Das Transport-Simulations-Framework MATSim wurde um ein UAM-Modul erweitert, das die Deﬁ- nition von UAM-Infrastruktur und -Fahrzeugen ermöglicht und den Agenten der Simulation erlaubt, UAM als Transportmittel in ihr tägliches Mobilitäts- verhalten zu integrieren. Daher wird UAM in einem kohärenten Stadtverkehrsmodell simuliert, in dem UAM mit bodengebundenen Verkehrssystemen so- wohl zusammenarbeitet als auch konkurriert. Diese Simulationsfähigkeit wird genutzt, um Sensitivitätsstudien über UAM-Parameter durchzu- führen, die Schätzungen über UAM-Verkehrsauf- kommen und die daraus resultierenden transport- systemweiten Auswirkungen liefern. Somit können wesentliche Anforderungen auf Vehikel, Infrastruk- tur und Betriebsebene abgeleitet werden. What Does It Take for Urban Air Mobility to Be Mass Transport? Developments in electric power train, battery, and sensor technology are opening up new areas of application for air vehicles. More than one hundred companies worldwide are currently working on the implementation of the urban air mobility (UAM) con- cept, the use of vertical take-off and landing aircraft for intercity and intracity passenger transport. In order to understand the potential transport performance of UAM, Bauhaus Luftfahrt pursues an agent-based modelling approach, since – in contrast to the classical four-step approach – agent-based modelling enables dynamic agent decisions during simulation. Thus, new mobility services, such as on-demand, sharing, or pooling, which are the basis of most UAM concepts, can be analysed. The transport simulation framework MATSim has been extended by a UAM module that enables the deﬁnition of UAM infrastructure and vehicles and allows the agents of the simulation to integrate UAM as a means of transport into their daily mobility behaviour. Therefore, UAM is simulated in a coherent urban trafﬁc model, in which UAM cooperates and competes with ground-based trafﬁc systems. This simulation capability is used to perform sen- sitivity studies on UAM parameters that provide estimates of UAM trafﬁc volumes and the resulting transport system-wide effects. Thus, essential requirements at vehicle, infrastructure, and opera- tional level can be derived. Physical representation UAM ﬂight zone VTOL vehicle UAM station H Road Schematische Darstellung der Hauptkomponenten der Modellierungs- implementierung für UAM in MATSim Schematic illustration of the main compo- nents of the model- ling implementation for UAM in MATSim + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

17 Nachfragesensitivität für Urban Air Mobility Unter der Annahme eines UAM-Missionsspektrums von unter 10 km hat die Sicherstellung kurzer Passagierprozesszeiten einen deutlich höheren Einﬂuss auf die Passagierzahlen als schnellere UAM-Fluggeschwindigkeiten. Sensitivity of demand for urban air mobility Given UAM mission spectrums of below 10 km range, ensuring short passenger process times proofed to have a more signiﬁcant impact on passenger numbers than increasingly fast UAM ﬂight speeds. 20 % 0 % -20 % Baseline s r e b m u n r e g n e s s a p n i e g n a h C -40 % 50 150 250 350 450 Cruising speed [km/h] 50 % 0 % -50 % s r e b m u n r e g n e s s a p n i e g n a h C -100 % 20 Baseline 15 10 5 2.5 0.5 Total process time [min] + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Systematische Platzierung von UAM-Infrastruktur Mittels Überlagerung von räumlichen Faktoren, wie Hubschrauberlandeplätzen, wichtigen Verkehrsknotenpunkten und touristischen Sehenswürdigkeiten, werden geeignete Stand- orte für UAM-Infrastruktur deﬁniert. Systematic placement of UAM infrastructure Through a systematic approach of superimposing spatial factors – like existing helipads, important transportation hubs, and touristic points of interest – suitable locations for UAM infrastructure are deﬁned. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Kay Plötner Head of Economics and Transportation Ein wesentlicher Schlüssel für eine erfolgreiche Markteinführung von Urban Air Mobility ist neben der technischen Leistungsfähigkeit zukünftiger UAM-Systeme die breite Akzeptanz in der Bevölkerung. Dafür ist es notwendig, frühzeitig einen zukünftigen Mehrwert von Urban Air Mobility für einen Großteil der Bevölkerung zu identiﬁzieren. Somit eröffnet die agentenbasierte Simulation eine detaillierte Sichtweise auf den einzelnen, potenziellen Nutzer sowie das synergetische Zusammenspiel mit dem bestehenden Verkehrssystem und die Quantiﬁzierung der Auswirkungen auf das gesamte Transport- system in einer Stadt. An essential key to the successful market launch of urban air mobility, besides the technical performance of future UAM systems, is the broad public acceptance. To achieve this, it is necessary to identify at an early development stage a future added value of urban air mobility for a large proportion of the city’s population. The agent-based simulation thus opens up a detailed view of the individual potential user as well as the synergetic interaction with the existing transport system and the quantiﬁcation of effects on the entire transport system in a city.

18 urban air mobility Konﬂiktfreie Routenplanung für Urban Air Mobility Für Zukunftsszenarien, in denen Drohnen und Flug- taxis in großer Anzahl und niedriger Höhe in bisher wenig frequentierten Lufträumen operieren, werden neue Konzepte und Technologien für einen sicheren und efﬁzienten Flugbetrieb nötig. Neben der techni- schen Zuverlässigkeit ist die Kollisionsvermeidung ein entscheidender Aspekt, der in der traditionellen Luftfahrt in Sicht- und Instrumentenﬂug unterschied- lich umgesetzt wird und unter anderem auf Luft- raumstrukturen, Prozeduren und Telekommunikation fußt. Da Sichtﬂug vom Wettergeschehen abhängt und die Luftraumdichte beim Instrumentenﬂug begrenzt ist, sind beide Verfahren nicht unmittelbar auf die Visionen urbanen Flugverkehrs anwendbar. Hier werden neue, belastbare Konzepte benötigt. Mobile Anwendungen, die einen sicheren Droh- nenbetrieb durch digitale Datenbanken und Karten- darstellung gewährleisten, sind für Drohnenpiloten heute verfügbar. Bei hohen Luftraumdichten sollten Flugrouten schon am Boden so weit abgestimmt und optimiert werden, dass in der Luft im Normalfall keine Kollisionsvermeidung nötig sein wird. Hierfür werden Algorithmen benötigt, wie sie zum Beispiel für die Robotik entwickelt wurden. Da sich nicht alle Konﬂikte vermeiden lassen, zum Beispiel, wenn eine nicht registrierte Drohne auftaucht, sind darüber hinaus Verfahren zur Echtzeit-Routenanpassung wichtig. Zur Untersuchung der Effekte wurde eine Simu- lation aufgesetzt, um das statistische Aufkommen von Konﬂikten als Funktion der Luftfahrzeugdichte einschätzen zu können. Ein physikbasierter Algorith- mus zur optimalen Flugführung bei Konﬂiktvermei- dung wurde implementiert und wird auf seine Leis- tungsfähigkeit hin optimiert und analysiert. Conﬂict-Free Routing in Urban Air Mobility In future scenarios, which envision drones and air taxis operating in high numbers as well as at low altitude in airspaces that as of yet are not highly frequented, novel concepts and technologies are required for safe and efﬁcient operation. Apart from technical reliability, collision avoidance is a crucial aspect handled differently in traditional aviation, according to visual and instrument ﬂight rules, and based on airspace allocation, procedures, and tele- communications. As ﬂying according to visual ﬂight rules is weather dependent and airspace capacity is limited under instrument ﬂight rules, neither approach is directly applicable to visions of urban air mobility. Here, new and robust concepts are required. Mobile applications that enable safe operation using digital databases and visualisation are availa- ble today to drone pilots. As air trafﬁc densities increase, ﬂight route planning and optimisation should happen already on ground to forestall colli- sion avoidance manoeuvres in the air. Algorithms, for example from the ﬁeld of robotics, are required for this task. As certain conﬂicts may not be antici- pated, for example, the emergence of an unregis- tered drone, methods for real-time route adjust- ments are required. In order to investigate the relevant effects, a simulation was set up to be able to estimate the statistical occurrences of conﬂicts as function of air trafﬁc density. A physics-based algorithm for opti- mum ﬂight guidance under the condition of conﬂict prevention was implemented and its capability is being optimised and analysed. Darstellung zufällig gewählter Flugrouten, die algorithmisch auf Konﬂiktvermeidung optimiert wurden Visualisation of random ﬂight routes, which were optimised towards conﬂict avoidance + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

19 Konﬂiktvermeidung von automatisierten Fluggeräten Visualisierung von Konﬂiktvermeidung. Durch strategische Routenplanung werden Mindestabstände eingehalten, während Flugzeit und Telekommunikationsaufwand gegenüber taktischen Ausweichmanövern gering bleiben. Conﬂict avoidance for automated ﬂight Visualisation of conﬂict avoidance. Using strategic route planning, safe separation is assured, while ﬂight time and telecommunication overhead are kept low compared to tactical manoeuvres. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Analyse der Konﬂikthäuﬁgkeiten Die Rate bilateraler Konﬂikte wächst mit der Fahrzeugdichte. Bei hohen Dichten treten auch Konﬂikte zwischen mehreren Fahrzeugen mit signiﬁkanter Rate auf. Kooperative Routen- planung eliminiert das Auftreten vorhersehbarer Konﬂikte. Analysis of conﬂict frequencies Bilateral conﬂicts increase with vehicle density. At higher densities, higher-order conﬂicts arise in signiﬁcant numbers. Cooperative route planning eliminates foreseeable conﬂicts. e t a r t c i l f n o C 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 Two-dimensional trafﬁc model, 150 metres minimum distance assumed 1.00 0.70 0.40 0.20 0.10 0.06 Mean vehicle density [1/km2] 21 Number of conﬂicting vehicles 3 4 5 0.03 0.02

20 urban air mobility Elektrische Senkrechtstarter für Urban Air Mobility Elektrische Antriebskonzepte sind eine Schlüssel- technologie zur Entwicklung senkrechtstartender Lufttaxis. Die durch elektrische Energieübertragung ermöglichte Verteilung der Schuberzeugung auf mehrere, ﬂexibel anordenbare Rotoren oder Fans eröffnet einen großen Designraum. Eine wichtige Rolle im Entwurf spielt dabei die Abwägung zwi- schen efﬁzientem Schwebe-/Vertikalﬂug und einer hohen Efﬁzienz während des Reiseﬂuges. In einem möglichen zukünftigen On-Demand-UAM-Netzwerk gilt es außerdem, ein breites Spektrum an Reich- weiten bestmöglich bedienen zu können. In einer Studie am Bauhaus Luftfahrt wurden zwei Lufttaxi-Konzepte mit unterschiedlichen Entwurfsschwerpunkten als mögliche Referenz- konﬁgurationen untersucht: ein Multicopter mit 18 konzentrisch angeordneten Rotoren und entspre- chend großer Rotorﬂäche sowie eine sogenannte Lift+Cruise-Konﬁguration. Letztere ermöglicht verti- kales Starten und Landen mithilfe von acht kleineren Rotoren und wechselt für den Reiseﬂug auf einen eigenen Antriebsstrang mit einem einzelnen Pro- peller. Der Auftrieb wird dabei efﬁzient von starren Tragﬂächen erzeugt. Dadurch kann im Vergleich zum Multicopter eine wesentlich höhere Reisegeschwin- digkeit von 180 km/h realisiert werden. Ein Blick auf die Energieefﬁzienz für verschiedene Missionsreich- weiten verdeutlicht die unterschiedlichen Stärken der Konzepte. Der Multicopter benötigt für Missio- nen innerhalb seines Einsatzspektrums (bis 19 km) deutlich geringere Energiemengen. Erst auf längeren Strecken erreicht das Lift+Cruise-Konzept bessere Efﬁzienzwerte. Das legt in dieser Hinsicht einen Flottenmix für künftige UAM-Szenarien nahe. Rotary- wing Rotary- wing cruise Lift- fan UAM VTOL aircraft Fixed- wing cruise Lift+ Cruise Tilt- wing/ prop Tail- stitter Klassiﬁzierungs- schema für Urban- Air-Mobility- Lufttaxi-Konzepte Classiﬁcation scheme for UAM VTOL aircraft + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Electric VTOL Aircraft for Urban Air Mobility Electric propulsion concepts are a key technology for the development of VTOL air taxis for urban air mobility. Electric power transmission enables the distribution of thrust generation to multiple, ﬂexibly arranged rotors or fans, opening up a large design space. The balance between efﬁcient hovering/ vertical ﬂight and high efﬁciency during cruise ﬂight is an essential design decision. Considering a possi- ble future on-demand UAM network, it is also impor- tant to be able to serve a broad spectrum of ranges in the best possible way. In a study at Bauhaus Luftfahrt, two air taxi con- cepts with different design priorities were investi- gated as possible reference conﬁgurations: a multi- copter with 18 concentrically arranged rotors and a correspondingly large rotor surface as well as a so-called lift+cruise conﬁguration. The latter enables vertical take-off and landing using eight smaller rotors and changes to a separate drive train with a single propeller for cruise ﬂight. Lift is then efﬁciently generated by ﬁxed wings. This allows a much higher cruising speed of 180 km/h compared to the multi- copter. A glance at the energy efﬁciency for different mission ranges illustrates the different strengths of the concepts. The multicopter requires signiﬁcantly less energy for missions within its mission range (up to 19 km). Only on longer mission ranges, the lift+cruise concept achieves better efﬁciency values. From an energy efﬁciency perspective, this indicates a ﬂeet mix for future UAM scenarios.

21 Multicopter (2 PAX) Lift+Cruise (2 PAX) Payload [kg] MTOW [kg] Cruise speed [km/h] Range [km] Disc loading [kg/m2] Lift/Drag (cruise) [-] 225 555 70 18.7 12.1 3.1 225 780 180 63 35.6 8.7 Multicopter (2 PAX) Lift+Cruise (2 PAX) ] m [ z 2 1.5 1 5 4 3 2 1 0 -1 y [m] -2 -3 -4 -4 -5 -5 -2 -3 ] m [ z 1 0.5 0 -0.5 5 4 3 2 1 5 4 3 5 2 1 0 -1 x [m] 5 4 3 2 1 0 -1 y [m] -2 -3 -4 -5 -5 0 -1 x [m] -2 -3 -4 Technische Daten der Lufttaxi-Konzepte im Vergleich Der Multicopter setzt mit einem außergewöhnlich geringen Disc Loading auf sehr efﬁzienten Schwebeﬂug. Das kompaktere und dadurch inefﬁzientere VTOL-System der Lift+Cruise-Konﬁgura- tion ermöglicht im Gegenzug eine höhere aerodynamische Güte im Reiseﬂug. Comparison of technical data of air taxi concepts The multicopter relies on a very efﬁcient hovering ﬂight with an exceptionally low disc loading. The more compact and therefore less efﬁcient VTOL system of the lift+cruise conﬁguration, in turn, permits much better aerodynamics in cruise ﬂight. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Energieefﬁzienz der Lufttaxi-Konzepte für zwei und vier Passagiere Das Multicopter-Konzept ist in seinem Einsatzspektrum deutlich energieefﬁzienter. Auf längeren Strecken erreicht die Lift+Cruise-Konﬁguration jedoch bessere Werte und benötigt ab 46 km weniger als 400 Wh pro Passagierkilometer. Energy efﬁciency of air taxi concepts for two and four passengers The multicopter concept is signiﬁcantly more energy-efﬁcient in its range of applications. On longer distances, however, the lift+cruise conﬁguration provides better efﬁciency and requires less than 400 Wh per passenger kilometre for distances greater than 46 km. Vertical climb altitude: 300 m ] h W [ m k / X A P / y g r e n E 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 Multicopter 2 PAX Multicopter 4 PAX Lift+Cruise 2 PAX Lift+Cruise 4 PAX 40 30 20 50 Cruise distance [km] 60 70 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Jochen Kaiser Head of Visionary Aircraft Concepts Die Entwicklung von Fluggeräten für Urban-Air-Mobility-Anwendungen spiegelt sich in unterschiedlichsten Konzepten wider, und auch die vorliegende Studie legt einen Flottenmix verschiedener Konﬁgurationen nahe. Trotzdem ist die Vorhersage, welche Konzepte schlussendlich erfolgreich sein werden, in Verbindung mit den Freiheitsgraden im Design noch sehr schwierig. Neben den technologischen Vorteilen werden praktische Aspekte, wie Zulassung, Zuverlässigkeit, operationelle Kosten oder einfach Präferenzen der Nutzer, über den Markterfolg einzelner UAM entscheiden. Daher liefern solche technischen Analysen, zusammen mit den Simulationen der Betreibermodelle, eine Grundlage für die Bewertung von Luftverkehr im urbanen Raum. The development of air vehicles for urban air mobility applications is reﬂected in various concepts, and the present study also suggests a ﬂeet mix of different conﬁgurations. Nevertheless, it is still very difﬁcult to predict which concepts will ultimately be successful in combination with the degrees of freedom in design. In addition to the technological advantages, practical aspects such as approval, reliability, operational cost, or user preferences will determine the market success of individual UAM. Therefore, such technical analyses together with the simulations of the operator models provide a basis for the evaluation of air transport in urban areas.

22 technology radar Advanced analytics technologies Monte Carlo simulation for decision support Mechanical properties of densiﬁed wood + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

23 Prospective concepts for aeronautics are based on the understanding of future technology options and their physical boundaries. For early identiﬁcation of design-driving developments, Bauhaus Luftfahrt has established the “Techno- logy Radar”, which includes the domains of energy, materials, photonics, sensors, and information. The pursued approach to future technology analysis and assessment of innovation potentials rests upon an interdisciplinary culture and on a specially developed methodo- logy. This relies on the derivation of uni- versal metrics and physical benchmarks as well as on an analysis of the scaling behaviour and disruptive potential of novel technologies. As guidance to the future development of sound overall concepts, performance potentials are determined in the aeronautical context at various levels of complexity, from components, devices to integrated systems. Schlüssige Luftfahrtkonzepte von morgen basieren auf dem Verständnis zukünftiger Technologieoptionen und deren physi- kalischer Leitplanken. Zur Früherkennung designtreibender Entwicklungen hat das Bauhaus Luftfahrt das „Technologieradar“ etabliert, das die Domänen Energie, Materialien, Photonik, Sensorik und Infor- mation umfasst. Der verfolgte Ansatz zur Zukunftstechnologieanalyse und Bewer- tung von Innovationspotenzialen stützt sich auf eine interdisziplinäre Kultur und eine eigens entwickelte Methodik. Diese beruht auf der Bestimmung universeller Metriken und physikalischer Grenzwerte sowie einer Analyse des Skalierungsver- haltens und disruptiven Potenzials neuer Technologien. Als Leitlinie für die zukünf- tige Entwicklung stimmiger Gesamtkon- zepte werden Leistungspotenziale im Luft- fahrtkontext auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen untersucht, von Komponenten über Baugruppen bis hin zu integrierten Systemen. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

24 technology radar Zukunftstechnologie- analyse zur Entscheidungsunter- stützung in der Wartung Der fortschreitende Übergang von zeitbasierten zu bedarfsorientierten Wartungskonzepten wird getrieben durch die Nutzung von mehr und mehr Daten und fortschrittlichen Analysetechnologien. So können mit Predictive Maintenance Bauteilver- sagen frühzeitig erkannt und Standzeiten reduziert werden.1 Einen wesentlichen Schritt weiter geht Prescriptive Maintenance. Durch den Vergleich der Erfolgsaussichten von Wartungsalternativen und ihrer Effekte auf zum Beispiel Kosten und Sicher- heit werden optimierte Handlungsschritte empfoh- len. Der Kernfrage, wie ihre Verlässlichkeit und ihr möglicher Geschäftsvorteil bewertet und ver- bessert werden können, ist das Bauhaus Luftfahrt nachgegangen. Es wurde ein auf Statistik basierter Ansatz zur Kostennutzenanalyse gewählt, dessen Wert durch ein Beispiel verdeutlicht wurde. Wird ein Bauteil ausgetauscht, kann dies teurer sein, als es zu repa- rieren, dafür ist es dann neu und so vielleicht lang- lebiger. Das Ergebnis des Kosten-Trade-offs wird von Unsicherheiten beeinﬂusst, etwa bezüglich Restlebensdauer und Kostenfaktoren. Diese wurden durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen quantiﬁziert ebenso wie das Ergebnis für den Kosten-Trade-off, das anhand einer Monte-Carlo-Simulation bestimmt wurde. Der Ansatz zeigt nicht nur, welche Entschei- dungsoption den höheren Gewinn verspricht und damit präferiert ist, sondern auch, mit welchem Risiko und potenziellen Kostennachteil sie verbun- den ist. Er lässt zudem bestimmen, an welcher Stelle höherwertige Daten oder Informationen die Ergebnisunsicherheit gewinnbringend reduzieren können. Somit erlaubt er Zuverlässigkeit und Proﬁ- tabilität von Prescriptive-Maintenance-Ansätzen und damit, ihr Einsatzpotenzial für neue Geschäfts- modelle, wie Servitization oder automatisierte (Fern-)Wartung, zu steigern. Future Technology Analysis for Decision-Support in Maintenance The progressive shift from time-based to demand- based maintenance concepts is driven by the use of more and more data and advanced analytics technologies. In this way, predictive maintenance can detect early signatures of component failure and thereby reduce downtime.1 A signiﬁcant step further goes prescriptive maintenance. By compar- ing the chances of success of maintenance alter- natives and their effects on, for example, cost and safety, optimised courses of actions are recom- mended. Bauhaus Luftfahrt has investigated the key question as to how their reliability and their potential business advantage can be assessed and improved. A statistics-based approach to cost-beneﬁt analysis was chosen, the value of which was illus- trated by an example. Replacing a component can be more expensive than repairing it, but then it is new and perhaps more long-lived. The result of the cost trade-off is inﬂuenced by uncertainties con- cerning, for example, remaining useful life and cost factors. These were quantiﬁed by probability distributions, just as the result of the cost trade-off that was determined by a Monte Carlo simulation. The probabilistic approach shows not only which decision option promises the higher proﬁt and is thus preferred, but also with which risk and potential cost disadvantage it is associated. It also determines where higher-quality data or informa- tion can gainfully reduce result uncertainty and hence be assigned a monetary value. Thus, the presented approach allows to enhance the reliabil- ity and proﬁtability of prescriptive maintenance strategies and thereby increases their application potential for new business models, such as serviti- zation or automated (remote) maintenance. 1Koops, L. (2018). ROC-based Business Case Analysis for Predictive Maintenance-Applications in Aircraft Engine Monitoring. Proceedings of the European Conference of the Prognostics and Health Management Society. Utrecht, The Netherlands. Daten und Analyse- technologien eröffnen neue Geschäftsoptionen durch automatisierte Entscheidungs- optimierung. The combined use of data and analytics technologies allow for new business options by means of automated decision- support. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

25 Fortschrittliche Analysetechnologien Komplexe Entscheidungen an der Schnittstelle von Wartung, Betrieb, Planung und Logistik können optimal unterstützt werden zur Erhöhung der Servicequalität, Effektivität und Verfügbarkeit. Advanced analytics technologies Advanced analytics technologies can optimally support complex decisions at the interface between maintenance, operation, planning, and logistics, allowing for enhanced service quality, effectivity, and availability. Prescriptive analytics How will these decisions affect everything else? ➝ Recommended best action How do we beneﬁt from predictions? What actions to take & when? Predictive analytics What will happen? When and why will it happen? ➝ Forecasts t c e f f E n o i s i c e D t h g i s n I a t a D e u l a v s s e n i s u B s n o i s i c e d o t t u p n i n a m u H Diagnostic analytics Why did it happen? ➝ Patterns Descriptive analytics What has happened? ➝ Data/trending analysis Past Analytics focus Present Future + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Beispiel: Monte-Carlo-Simulation Empfohlen wird hier „Reparatur“ und nicht „Austausch“. In b) ist das Entscheidungsrisiko geringer und der Proﬁt im Mittel höher als in a), da Kostenparameter aus hochwertigen Daten statt einer Expertenschätzung abgeleitet wurden. Example: Monte Carlo simulation Recommended action is “repair” and not “replacement”. In b), the decision-making risk is lower and the proﬁt on average higher than in a), because cost para- meters were derived from high-quality data rather than an expert estimation. a) n o i t c n u f y t i s n e d y t i l i b a b o r P n o i t c n u f n o i t u b i r t s i d e v i t a l u m u C 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Repair better Replacement better Mean -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 30 % risk of taking wrong decision 70 % repair better -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 nb) o i t c n u f y t i s n e d y t i l i b a b o r P n o i t c n u f n o i t u b i r t s i d e v i t a l u m u C 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Repair better Replacement better Mean -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 5 % risk of taking wrong decision 95 % repair better -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Repair costs – replacement costs [k$ per unit] Repair costs – replacement costs [k$ per unit]

26 technology radar Von der Natur inspirierte Materialien und Strukturen Biologische Konzepte und Systeme können Inspi- ration für technische Innovationen sein. Die Prin- zipien biologischer Strukturen zu analysieren und hinsichtlich geeigneter Parameter einzuordnen, kann deswegen von großem Wert sein, um neu- artige Materialien und Strukturen technologisch zu realisieren. Ein bekanntes Beispiel sind selbstreinigende Oberﬂächen, die denen der Lotusblätter nachemp- funden wurden. Eine Nano- und Mikro-Strukturie- rung der Oberﬂäche kann auch als passive Anti- vereisungstechnologie in der Luftfahrt angewendet werden, wodurch energieefﬁziente Konzepte zur Enteisung ermöglicht werden.1 Nicht nur Oberﬂächen, wie die von Lotusblät- tern, sondern auch biologische Materialien als Ganzes zeigen oft einen über viele Größenord- nungen hierarchischen Aufbau. Dieses Prinzip bestimmt auch die Eigenschaften von Holz, das als Konstruktionsmaterial unter anderem in der Luftfahrt eine bedeutende Rolle spielte und durch ein innovatives Verfahren in anderer Form wieder interessant werden könnte. „Natürliche“ Charakteristika von Holz sind oft Ursachen für mechanisches Versagen. Durch ein neues, zweistuﬁges Verfahren werden diese dras- tisch reduziert.2 Nach dem partiellen Herauslösen von Lignin wird die Holzstruktur heißgepresst und hoch verdichtet. Die Zellulosenanofasern sind dabei ausgerichtet, womit die Bildung von Wasser- stoffbrücken zwischen Zellulosemolekülen erleich- tert wird. Zusammen mit einer Reduktion der Defektstellen werden durch die neue Struktur eine erhöhte Zähigkeit und eine zehnfache Erhöhung der Zugfestigkeit im Vergleich zu unbehandeltem Holz erreicht, die damit mit der Festigkeit von Aluminium- legierungen vergleichbar ist. Laminate aus dem anisotropen Material können möglicherweise für innovative Strukturen im Fluggerätebau verwendet werden. Neue Materialien und Strukturen können auf Basis allgemein- gültiger Prinzipien der Natur entwickelt werden. Novel materials and structures can be developed on the basis of general principles found in nature. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Biologically Inspired Materials and Structures Biological concepts and systems can inspire tech- nological innovations. It can be of great value to analyse the principles behind natural structures and assess them with regard to suitable parame- ters in order to create novel technological materials and structures. One well-known example are self-cleaning surfaces, emulating the surface of the lotus leaf. Nano- and microscopic structuring of the surface can also be used for passive anti-ice surface tech- nologies for aviation, leading to energy-efﬁcient de-icing concepts.1 Not only biological surfaces like those of lotus leaves, but biological materials as a whole are often structured in a hierarchical way over many orders of magnitude. This principle also determines the properties of wood, which played a major role as construction material in aviation in the past, and that might become interesting again in another form through an innovative densiﬁcation process. “Natural” features of wood are often acting as origins for failure under mechanical load. Their number can be drastically reduced by a novel two- step treatment.2 After partial removal of lignin, the wood is hot-pressed, resulting in a highly densiﬁed structure. The cellulose ﬁbres are well aligned, facilitating the formation of hydrogen bonds between neighbouring cellulose molecules. Together with the reduction of defects, this results in an increased toughness and in a more than tenfold rise in tensile strength compared to natural wood. The values for strength are then similar to those of aluminium alloys. Laminates fabricated of this anisotropic material are potentially applicable to innovative structures in aviation. 1Bauhaus Luftfahrt. (2011). The Future Technology Radar. Project Report, Munich. ID: 621103-12 WP1-D1.2 2Song, J., Chen, C., Zhu, S., Zhu, M., Dai, J., Ray, U., … Hu, L. (2018). Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 554, pp. 224–228. doi: 10.1038/nature25476

27 Hierarchische Organisation biologischer Materialien Holz als Beispiel für einen hierarchischen Aufbau. Die besondere Anordnung der einzelnen Bausteine über mehrere Größen- ordnungen hinweg führt zu außergewöhn- lichen Eigenschaften. Hierarchical organisation of biological materials Wood as an example for hierarchical composition. The speciﬁc organisation of the individual components over several length scales results in remarkable properties. [m] [μm] [nm] + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Mechanische Eigenschaften von verdichtetem Holz Vergleich der speziﬁschen Zugfestigkeiten und E-Moduli von naturbelassenem und nach Quelle 2 behandeltem Holz, glasfaserverstärktem Kunststoff (GFRP) und zwei gängigen Legierungen für die Luftfahrt (Al2024 und Ti6Al4V). Mechanical properties of densiﬁed wood Comparison of speciﬁc tensile strengths and speciﬁc Young’s moduli of natural and densiﬁed wood, glass ﬁbre reinforced polymers (GFRP), and two alloys common in aviation (Al2024 and Ti6Al4V). Speciﬁc tensile strength Speciﬁc Young‘s modulus ] 500 g / m m N [ S T U . c e p S 400 300 200 100 0 ] g / m m N k [ E . Natural wood Al 2024 Ti6Al4V Densiﬁed wood GFRP c e p S 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Natural wood Al 2024 Ti6Al4V Densiﬁed wood GFRP + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Andreas Sizmann Head of Future Technologies and Ecology of Aviation, Knowledge Management Die aktuelle technologische Evolution hin zu neuartigen vernetzten und an die Umweltsituation anpassungsfähigen Techno- logien legt Analogien zur Biologie nahe. Netzwerkintegrierte, intelligente Systeme erzeugen ein neues cyber-physisches Innovationsparadigma. Bioinspirierte Innovation ist daher aktueller denn je zuvor. Zum Beispiel kann der netzwerkbildende Einzeller Physarium polycephalum als „biointelligentes“ Vorbild dienen. Er konnte im Labor ein skaliertes urbanes Transportnetz simultan hinsichtlich Efﬁzienz, Stabilität und Kosten optimieren. Neuronale Quantenrechner sind ein weiteres Beispiel. Daher erforscht das Technologieradar des Bauhaus Luftfahrt auch bioinspirierte Lösungen für komplexe Herausforderungen der digitalen Transformation. The recent technological evolution towards connected, situation-aware, and adaptive technologies suggests analogies with biology. Networked, intelligent solutions create a new cyber-physical innovation paradigm. Bio-inspired innovation is therefore more relevant than ever. For example, a “bio-intelligent” model is the network-forming unicellular organism Physarium polycephalum. In a lab demonstration, it simultaneously optimised a scaled urban transport network in terms of efﬁciency, stability, and cost. Neural quantum computers are another example. Therefore, the Bauhaus Luftfahrt Technology Radar also explores bio- inspired solutions to the complex challenges of digital transformation.

28 digital transformation + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Semantic technologies + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Awareness: Data & knowledge + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Engineering 4.0 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Agility + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

29 Digitalisierung ist heute längst allgegen- wärtig im (Luftfahrt-)Alltag verankert. Die nachhaltige und langfristige Greif- und Nutzbarmachung des digitalen Verände- rungspotenzials in der Organisation und der gesamten Luftfahrt bedingt hier eine soziotechnologische, systemische Heran- gehensweise: Neu entstehende Techno- logie-, Prozess- und Methodenbausteine werden ganzheitlich adoptiert und in einen disruptiven Gesamtkontext eingebettet, wo emergente Feedbackschleifen die Tür zu neuem Mehrwert öffnen. Die Rückführung dieses qualitativ und quantitativ messbaren Mehrwertes in das Engineering-Manu- facturing-Operation-Kontinuum ermöglicht die Erschließung neuer Luftfahrt-Geschäfts- felder. Deren zentraler Prüfstein in einer post-digitalen Arbeitswelt bleiben aber der beteiligte Mensch und seine Rolle an der Schnittstelle zur Cyberwelt. Digitalisation is a pervasive element of the everyday life in aviation. To make the digital transformation tangible and exploitable – in a sustainable way and on a long term for both, aviation organisa- tions and aviation in general – demands for a sociotechnological, systemic approach: Newly developed building blocks (technologies, processes, and methods) are holistically integrated and embedded in a disruptive overarching context. Here, emerging feedback loops potentially introduce additional value. The return of this qualitatively and quanti- tatively measurable added value into the engineering-manufacturing-operation continuum enables the exploitation of new business areas in aviation. How- ever, the ﬁnal touchstone at the interface to the cyber reality of their post-digital working environment is provided by humans. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

30 digital transformation Vom Datenbewusstsein zur Nutzbarmachung von Wissen Die Steigerung von Qualität und Nachvollziehbarkeit im Produktionsablauf ist ein zentrales Versprechen von Industrie 4.0. Hierfür soll die Bauteilbearbeitung durch Auswertung von Daten aus dem operativen Geschäft unterstützt oder sogar neu ausgerichtet werden. Ziel ist der Aufbau weitreichender Steue- rungsmöglichkeiten auf Basis einer volldigitalisier- ten und integrierten Produktionskette. Welches konkrete Potenzial sich hier für einen Flugzeugkom- ponentenhersteller ergeben kann, wurde im Rahmen des LuFo-Projektes EFFPRO_4.0 anhand einer mehr- stuﬁgen Datenuntersuchung evaluiert. Basierend auf einer Kartierung der Produktions- datenlandschaft mittels einer prozessorientierten Datenlandkarte (siehe Jahrbuch 2017) wurden Ver- fahren aus dem Qualitätsdatenmanagement mit klassischen Ansätzen aus dem Bereich Data Mining und Zeitreihenanalyse kombiniert, um quantitative Aussagen zur Prozessfähigkeit abzuleiten oder auf- fällige Messreihen zu identiﬁzieren. Dabei war letzt- lich das Wissen der jeweiligen Fachleute ausschlag- gebend, um das Ergebnis im Kontext einordnen zu können. Auch wenn das Potenzial bezüglich Datenaus- wertung und Vorhersagemöglichkeit an dieser Stelle sicherlich noch nicht ausgeschöpft ist, zeigt die Eva- luierung in der Praxis, dass hier nicht die Qualität der Daten, sondern das Prozesswissen im Mittel- punkt bestimmend ist. Der für tief reichende opera- tive Entscheidungen notwendige übergreifende Zusammenhang wird erst durch die Anreicherung von Kontextwissen möglich. Gerade dieses Wissen und seine Nutzbarmachung machten die Daten- analysen erst wertvoll und sollten in zukünftigen Industrie-4.0-Ansätzen schon von Beginn an stärker im Zentrum stehen. From Data Awareness to Harnessing Knowledge Increasing the quality and traceability in the produc- tion process is a central promise of Industry 4.0. For this purpose, component manufacturing is supported or even realigned by evaluating data from the opera- tive business. One objective is to establish far- reaching operative control options on the basis of a fully digitalised and integrated production chain. The LuFo project EFFPRO_4.0 evaluated the con- crete potential of this target for an aircraft compo- nent manufacturer on the basis of a multi-stage data analysis. Based on a mapping of the production land- scape, valuable data sources were ﬁrst chosen using a process-oriented data diagram (see Year- book 2017). Procedures from quality data manage- ment were then combined with classical approaches from data mining and time series analysis in order to derive quantitative statements on process capa- bility or to identify conspicuous measurement series. Ultimately, however, the knowledge of the respective technical experts was decisive in order to be able to assess the result in its context. Even though the potential for data evaluation and forecasting has certainly not yet been exhaus- ted at this point, our practical evaluation suggests that the pivotal success factor is neither the quan- tity nor the quality of the underlying data, but the deeper understanding of the domain’s background. Thus, making far-reaching operational decisions requires the sufﬁcient accumulation of contextual knowledge beforehand. Above all, it is harnessing this knowledge that makes data analyses valuable in the ﬁrst place and thus should be at the heart of future Industry 4.0 approaches right from the beginning. Datenanalysen gewinnbringend zu integrieren, bedingt eine vorherige Nutzbarmachung des fachlichen Kontextes. Integrating data analysis in a proﬁtable way requires harnessing of its domain- speciﬁc context. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20Y1509E gefördert.

31 Datenaufnahme und -analyse Die Ergebnisse der Analyse werden von den Fachleuten interpretiert, um die Umsetzung ihrer Vorgaben nach- zuvollziehen. Im Anschluss werden daraus Rückschlüsse für zukünftige Anwendungen gezogen. Data acquisition and analysis The analysis’ results are interpreted by the experts in order to understand the implementation of their speciﬁcations. Following this, they draw conclusions for future applications. Inspection features Analytics backend Processing and visualisation + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Wissensmodelle für zukünftige automatisierte Entscheidungssysteme Zur Vorbereitung von Entscheidungen müssen Prozessdaten umfassend analysiert und mithilfe interner Prozesserfahrung interpretiert werden. Dieses Wissen muss in zukünftigen Systemen strukturiert abrufbar sein, um automatisiert höherstuﬁge Entscheidungen zu treffen. Knowledge models for future automated decision-making In support of decision-making, comprehensive sets of process data are analysed and interpreted with expert knowledge and internal process experience. This knowledge model must be incorporated in future systems in order to reach a higher level of automated decision-making. Process data Interpretation Contextual knowledge Component X requires Production process A Machine 2 applicable in applicable in affects Machine 1 error indication affects needs Vibration Wear Temperature Experience Quality Machine Process Environment Operative decision

32 digital transformation Engineering 4.0 und die Wirklichkeit von Modellen „Modelle sind des Engineerings Kern“ ist wohl eine Aussage, der jeder Fachmann zustimmt. Modelle begleiten den Engineering-Prozess von der Anforde- rungsanalyse über erste Designentwürfe und Simu- lationsmodelle bis hin zu physischen Modellen und Prototypen. Die fortschreitende Digitalisierung dieses kreativen Prozesses und die Verfügbarkeit gewaltiger Rechenkraft verändern dabei die Rolle von Modellen: Modelle treiben zunehmend das Engineering (vor-)an und etablieren sich als die eigentlichen Engineering- Objekte. Modelle und die physischen Produkte gehen hier eine neue Koexistenz ein: Produkte werden anhand von Modellen realisiert und über ihren Lebenszyklus von ihrem digitalen Zwillingsmodell begleitet. Die Harmonisierung der aktuellen Modellierungs- praxis über den gesamten Lebenszyklus und unter Einbeziehung aller teilnehmenden Stakeholder ist ein wichtiger Schritt, um hier neue, integrierte, modell- basierte Engineering-Prozesse zu etablieren. Gerade darin liegt aber eine der größten Herausforderungen jenseits von technischen Problemen, wie Austausch- formaten, Schnittstellen oder Tools: Modelle werden stets in einem speziﬁschen Kontext eines Produktes und Projektes erstellt. Um die Zusammenarbeit zwischen den unterschiedlichen Stakeholdern zu unterstützen, müssen Modelle also ausreichend Kontext- und Hintergrundwissen über ihren Lebens- zyklus hinweg vorhalten. Im Workshop „Modellbasiertes Engineering in der Luftfahrt“ des Bauhaus Luftfahrt mit seinen Partnern wurden weitere Herausforderungen iden- tiﬁziert, die in weiterführenden Diskussionen und Kooperationen analysiert werden. Das Verständnis der aktuellen Veränderungen im digitalen Enginee- ring in der Luftfahrt sowie der Konsequenzen und Potenziale ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Engineering 4.0. Engineering 4.0 and the Reality of Models “Models are at the heart of engineering”, as every practitioner would immediately agree. Models are accompanying the engineering process from require- ments analysis over ﬁrst design sketches and simu- lation models to physical models and prototypes. Today’s proceeding digitalisation of this creative pro- cess and the availability of immense computation power are changing the role of models: models are increasingly becoming the basis and the heart of engineering – they emerge as principal engineering entities. Models and the physical products are in a new coexistence along their lifecycles: products are realisations of models and are accompanied by their digital twin model. Harmonising the state-of-the-art modelling prac- tice, techniques, and tool chains over the whole life- cycle is crucial to accomplish a well-integrated, model-based engineering process and to involve all participating stakeholders along the lifecycle. Here, the real challenge lies beyond technical obstacles, such as interchange formats, interfaces, and tools: Models are built and updated in a context speciﬁc to a given project and product. Therefore, they should provide substantial context and background know- ledge supporting the collaboration of stakeholders along the entire lifecycle. After organising a ﬁrst well-received workshop on “Model-based engineering in aviation” with our partners, we are looking forward to continue discus- sions in subsequent events in order to analyse the identiﬁed challenges. Understanding the ongoing step-change in digitalised aircraft engineering, its consequences and potentials is the crucial ﬁrst step towards an Engineering 4.0. Engineering 4.0: Verschmelzung von Modell und Produkt Engineering 4.0: Melting model and product + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Das zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 20Y1509E gefördert.

33 Reference/depends Starting point Concept Challenge Current work Modellbasiertes Engineering: Herausforderungen Themenfeld und Herausforderungen inspiriert vom Workshop „Modellbasiertes Engineering in der Luftfahrt“ Model-based engineering: Challenges Representation of subject area and challenges inspired from the workshop on “Model-based engineering in aviation” Models vs. product Models SotA modelling practise Model-product coevolution Model2Model transformations Model-requirement coevolution What is a model? Who is using it and how? Stakeholders in model lifecycle Model exchange Collaborative model usage Depends on context Knowledge exchange Exchange of models over IP borders Embedding in engineering- production-operation continuum MB[S]E MDE Models as requirement? Requirements as models? How to treat context algorithmically? Ontologies for engineering + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Ausblick: Engineering 4.0 Neue Wege für Datennachhaltigkeit entlang einer nahtlos integrierten Luftfahrtwertschöpfungskette: Die Sicherung der Kompatibilität beziehungsweise Robustheit von Modellen bezüglich deren unvorher- sehbaren, zukünftigen Nutzung in einem anderen Kontext ist dabei eine zentrale Herausforderung. Towards Engineering 4.0 New pathways for sustainable data handling along a seamlessly integrated aviation value chain: A central challenge is the assurance of compatibility/robustness of the models regarding their unforeseeable future usage in a different context. Digital twin of previous product New requirements model Previous physical product Previous engineering model Harmonising models Data & models Formalised context Analyses, simulations, etc. Depends on (bwd in time) Engineering- production- operation- maintenance continuum (fwd in time) t

34 operations Business model innovation along the door-to-door travel chain User-centred and cross-modal transport in Europe in 2030 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

35 Auf der Basis eines fundierten Verständnisses zukünftiger Szenarien und Trends befasst sich der Forschungsschwerpunkt „Operationelle Aspekte“ mit den veränderten Randbedingungen der Mobilität der Zukunft und den entsprechenden Implikationen für den Luftverkehr. Neben Fragestellungen zu zukünftigen Bedürfnissen von Passagieren, Fluggesellschaften und Flughäfen werden auch neue Prozesse im Betrieb von Luftfahrzeugen untersucht. Vielversprechende Technologien und Ansätze, wie neuartige Transportkonzepte, Betriebsabläufe oder Geschäfts- modelle, werden in das Lufttransportsystem implementiert und ihr Effekt auf operationeller Ebene wie auch im Zusammenspiel eines intermodalen Verkehrs bewertet. Auf dieser Grundlage werden Efﬁzienzpotenziale identiﬁziert und Handlungsempfehlungen für die unterschiedlichen Akteure der Luftfahrt formuliert. With a profound understanding of future scenarios and trends impacting aviation, the research focus area “Operations” investigates the implications for air transport based on future mobility conditions. Starting from a solid knowledge of the future drivers of the air trans- port system, research questions concerning future requirements of passengers, airlines, and airports as well as novel processes related to aircraft operation are analysed. Promising technologies and approaches, such as novel intermodal transport concepts, airside operations, or business models, are implemented in the air transport system and evaluated on an operational level. The results identify efﬁciency potentials and hence recommendations for different stake- holders of the air transport system can be given. R E S E A R C H F O C U S A R E A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

36 operations Zukünftige Veränderungen von Mobilität in Europa Das zukünftige europäische Transportsystem steht vor der Herausforderung, intermodale Lösungen unter Berücksichtigung der Nutzeranforderungen zu entwickeln. Im EU-geförderten Projekt Mobi- lity4EU wurde eine Vision für ein nutzerzentriertes und intermodales Transportsystem für Europa in 2030 erarbeitet. Das Bauhaus Luftfahrt nahm hier die Luftverkehrsperspektive ein. Ein Fahrplan für diese Vision, der Mobility4EU-Aktionsplan, deﬁniert speziﬁsche Aktionspunkte, die umgesetzt werden müssen, um die Ziele zu erreichen. Kurzfristige Aktionspunkte priorisieren vorran- gig den Austausch und die Zusammenarbeit zwi- schen den verschiedenen Vertretern der Verkehrs- träger, die Förderung der Dekarbonisierung des europäischen Transportsystems und das Bestreben eines besseren Verständnisses der Verhaltensmus- ter der Nutzer für die Entwicklung neuer Geschäfts- modelle. Darüber hinaus muss ein rechtlicher Rah- men für die Umsetzung neuer Transportlösungen auf EU-Ebene geschaffen werden. Ein wesentlicher Bestandteil eines intermo- dalen Verkehrssystems sind der kontinuierliche Betrieb und die Verbesserung des bestehenden Luftverkehrs sowie neuartige Ansätze speziell für den urbanen Lufttransport. Insbesondere die An- bindung internationaler Flughäfen kann mit Hybrid- bis vollelektrischen sowie automatisierten oder sogar autonomen Lufttransportlösungen verbessert werden. Um den Austausch zwischen allen Beteiligten im Verkehrsbereich zu fördern, wurde das Forum für Verkehr und Mobilität ins Leben gerufen. Diese Plattform soll die Implementierung von nutzerzen- trierten und intermodalen Transportlösungen erleich- tern und eine kontinuierliche Diskussion ermöglichen. European Transport and Mobility Forum: http://www.etmforum.eu/ Changing Mobility in Europe The future European transport system is expected to provide intermodal solutions meeting the users’ requirements. Within the project Mobility4EU, funded by the European Commission, a vision for a user-centred and cross-modal transport system in Europe in 2030 was developed, where Bauhaus Luftfahrt focussed on aviation’s future role. A road- map towards that vision, the Mobility4EU Action Plan, deﬁnes speciﬁc action items, which need to be implemented to achieve the vision’s objectives. Major objectives, which are addressed by immediate action items in the roadmap, focus on encouraging exchange and collaboration between different transport stakeholders, promoting decar- bonisation of the European transport system and gaining a better understanding of users’ behaviour patterns to develop new business approaches in transport. Furthermore, an EU legal framework for the implementation of novel transport solutions is required. One integral part of a truly intermodal transport system are the continuous operation and improve- ment of commercial aviation as well as new trans- port solutions, such as urban air mobility. Especially the connection of international airports can be improved with this concept of hybrid to full electric, automated or even autonomous ﬂying vehicles. In order to foster the required exchange among the all transport stakeholders, the European Trans- port and Mobility Forum has been initiated. This platform intends to continue with the implementa- tion of user-centred and cross-modal transport solutions and to enable continuous discussions about these transport solutions. European Transport and Mobility Forum: http://www.etmforum.eu/ Europäisches Transport- und Mobilitätsforum für den Austausch zwischen Vertre- tern verschiedener Verkehrsträger European Transport and Mobility Forum for cross-sectoral exchange between transport stake- holders + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 690732.

37 Urban design encourages active modes. Personalised navigation systems Mobility services provide reliable connections. Incentives for passengers, drivers, and shippers Universal design enables vehicles, infrastructure, and services usable by all. Cars are shared and electriﬁed and provide high safety. Transport operators and supply chain refer to a common open data platform. Smart connected trafﬁc management Last mile delivery becomes sustainable. Safe and accessible routes are continuous. Cyber security is implemented on a systemic level. All users can shift easily from any sharing service to a public transportation mode. Vision eines nutzerzentrierten und intermodalen Verkehrs in Europa im Jahr 2030 Die Vision für einen nutzerzentrierten und intermodalen Transport in Europa in 2030 adressiert die Reduzierung von Lärm- und CO2-Emissionen sowie die Integration des universellen Designs und der nahtlosen Mobilität. Vision towards user-centred and cross-modal transport in Europe in 2030 The vision towards user-centred and cross-modal transport in Europe in 2030 addresses aspects, such as a reduction of noise and carbon emissions as well as maintaining universal design and seamless mobility. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Zusammenstellung von intermodalen Transportlösungen für ausgewählte Nutzeranforderungen Viele Nutzeranforderungen werden parallel von mehreren Verkehrsträgern adressiert. Aggregation of cross-modal transport solutions for selected user needs Selection comprises user needs with a high number of solutions across all transport modes. Efﬁcient transport ﬂows and networks Real-time travel information and service Interoperable seamless journeys Protecting climate, environment, and health Resilient urban design Air Rail Air Rail Air Rail Air Rail Air Rail Safety Air Rail Personalised mobility offers and shared models Air Rail Waterborne Waterborne Waterborne Waterborne Waterborne Waterborne Waterborne Road Freight Urban Road Freight Urban Road Freight Urban Road Freight Urban Road Freight Urban Road Freight Urban Road Freight Urban All modes All modes All modes All modes All modes All modes All modes

38 operations Wie können Fluggesellschaften in Zukunft Geld verdienen? Ein Großteil heutiger Fluggesellschaften hat Pro- bleme, ein proﬁtables Geschäftsmodell aufzusetzen. Innovationen in diesem Bereich sind somit essen- ziell, um neue Einnahmequellen aufzutun und im wettbewerbsintensiven Markt zu bestehen. Im Rahmen einer Szenarioanalyse in Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität München, Airbus, dem Flughafen München und dem Bauhaus Luftfahrt wurden zukünftige Entwicklungspfade, Nischenmärkte und Geschäftsmodelle für diesen Sektor diskutiert. Eine Vielzahl von Faktoren, die einen Einﬂuss auf den zukünftigen Markt von Fluggesellschaften haben, wie Marktliberalisierung oder veränderte Passagierbedürfnisse, wurden auf konsistente und plausible Weise kombiniert, sodass drei unter- schiedliche Szenarien resultierten. Anhand der dif- ferenzierten Entwicklung in jedem Szenario wurden verschiedene Geschäftsmöglichkeiten und Einnah- mequellen evaluiert. Die Analyse hat gezeigt, dass Digitalisierung einen entscheidenden Einﬂuss auf diesen Sektor hat. Eine nahtlose Reisekette für Passagiere kann durch den besseren Austausch von Daten zwischen Transportdienstleistern ermöglicht werden. Zudem ist die Ausgestaltung von Geschäfts- modellen sehr unterschiedlich – vom Anbieter der gesamten Reisekette bis hin zum reinen Anbieter des Flugzeuges. Der Szenarioansatz und die Ergeb- nisse fördern somit ein besseres Verständnis der zukünftigen Einﬂüsse und Entwicklungen, denen sich die Fluggesellschaften im Speziellen und die Luftfahrt im Allgemeinen gegenübersehen. Innova- tionspotenzial und das Erkennen von Passagierbe- dürfnissen können zu einem Wettbewerbsvorteil und zu neuen Einnahmequellen führen. Das Aufzei- gen neuer Geschäftsmodelle erweitert außerdem die heutige Diskussion bezüglich Low-Cost-Airlines und Full-Service-Airlines. A C B Anhand dreier verschiedener Zukunftsszenarien werden ent- sprechende Airline-Strategien entwickelt. Developing future airline business strategies based on the develop- ments within three scenarios. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + How Can Airlines Make Money in the Future? A high share of airlines struggles to operate proﬁta- bly. Innovating airline business models is therefore crucial to tap additional revenue sources and to persist in a competitive market. Future paths for the airline industry, new business models, and niche markets have been discussed within a sce- nario-based analysis in cooperation between Tech- nical University of Munich, Airbus, Munich Airport, and Bauhaus Luftfahrt. Multiple factors that have an inﬂuence on the future airline sector, such as liberalisation efforts or changing passenger expectations, were com- bined in a plausible and consistent way to yield three different scenario frameworks. The distinct development within each of these scenarios pro- vided the basis for the evaluation of new airline business opportunities and related revenue sources. It showed that digitalisation is one of the main drivers for changes within this sector. In order to facilitate a seamless journey, providers of services and products along the travel chain see increased need for sharing and accessing relevant data. Furthermore, airline business models take dif- ferent shapes, ranging from an integrated service company to a mere provider of the aircraft itself. This approach and the scenario results contribute to a more detailed understanding of future challenges and opportunities for the airline sector. Being innovative and answering to passenger expectations provide the potential for a competitive advantage and resulting ancillary revenues. The discussion of potential new business models broadens the current debate circling around low cost carriers and full service network airlines.

39 H H H Scenario A Scenario B Scenario C DUTY FREE DUTY FREE DUTY FREE S A L E S A L E S A L E Airline-Geschäftsmodelle mit unterschiedlichem Angebot entlang der Tür-zu-Tür-Reisekette Airlines können sich in unterschiedlicher Form entlang der Tür-zu-Tür-Reisekette positionieren, innovative Geschäftsmodelle etablieren und neue Einnahmequellen auftun. Airlines providing different segments of the passenger door-to-door journey Airlines can participate in various ways in the door-to-door travel chain, set up innovative business models and thus tap additional revenue sources. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Unterschiede und Gemeinsam- keiten über die drei verschiedenen Szenarien hinweg Das Erkennen von Unterschieden und Gemeinsamkeiten über die drei Szenarien hinweg ermöglicht es Fluggesell- schaften, robuste Zukunftsstrategien für ihre Geschäfts- modelle zu etablieren. Similarities and differences across the three different scenarios Identifying similarities and differences across the three future development paths enables airlines to derive robust future strategies and shape their business models accordingly. n o i t a s i l a t i g i d f o e e r g e D C IT company C B Door-to-door provider C ATPs A Conventional airlines Schematic illustration Airline share of travel chain Similarities in all scenarios: Digitalisation as a main driver for changes Need to share/access data Still a market for highly valuable products Differences between scenarios: Degree of data availability Degree of collaboration with other industries Dedicated concentration on air travel with air transport providers (ATPs) in scenario C Amount of competitors in the market + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Annika Paul Lead Operations Wir erleben heute eine Umgestaltung des Transportsystems, wie wir es bisher kennen. Ein erster Schritt in diese Richtung zeigt sich in Lösungen, die Kapazitätsengpässe, Emissionsreduktionen und gleichzeitig veränderte Passagier- anforderungen adressieren. Heutige Geschäftsmodelle im Transportsektor werden von neuen Wettbewerbern, die efﬁzientere und besser auf den Nutzer zugeschnittene Produkte anbieten, infrage gestellt. Ein Umdenken kann jedoch nur dann nachhaltig realisiert werden, wenn die Zusammenarbeit sowohl innerhalb der Transportmodi als auch mit anderen Interessengruppen inten- siviert wird und Innovationen gemeinsam vorangetrieben und umgesetzt werden. We are about to witness a redesign of the transport system as we know it today. Coming up with solutions that tackle increasing congestion, signiﬁcantly reduce emissions and, at the same time, meet distinct future passenger needs is an essential step in this direction. New competitors, such as online platforms, are challenging today’s transport business models by already providing more efﬁcient or better-tailored services and products. A sustainable rethinking can be realised, though, if the cooperation across transport modes as well as with other stakeholders is intensiﬁed and innovations are being mutually pushed forward and implemented.

40 alternative fuels Hydrothermal liquefaction Solar thermochemical fuel production Climate protection goals + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

41 Erneuerbare Alternativen zu konventionellem Kerosin rücken aus ökologischen und ökono- mischen Gründen zunehmend in den Fokus der Luftfahrt. In diesem vielfältigen Themen- feld konzentriert sich der Forschungsschwer- punkt „Alternative Kraftstoffe“ am Bauhaus Luftfahrt auf folgende zentrale Fragestellungen: Welche Mengen können in Zukunft weltweit auf nachhaltige Weise produziert werden? Welche technischen Produktionspfade stehen für eine langfristige Versorgung zur Verfügung? Und wie sind diese Pfade im Hin- blick auf ihre technischen, ökologischen und sozioökonomischen Potenziale zu bewerten? Langfristige, bislang weniger entwickelte Optionen spielen in den Betrachtungen eine besondere Rolle. Die Produktion aus unkon- ventionellen biogenen Rohstoffen, wie Mikro- algen, oder nicht-biogene Prozesse, wie solare Kraftstoffe und Power-to-Liquid (PtL), stellen hierzu wichtige Forschungsansätze dar. R E S E A R C H F O C U S A R E A For ecological and economic reasons, renewable alternatives to conventional jet fuel have moved into the focus of inter- est of the aviation industry. In this diverse thematic ﬁeld, the research focus area “Alternative Fuels” at Bauhaus Luftfahrt addresses the following key questions: Which quantities could be produced worldwide in a sustainable way? Which technical production pathways are avail- able for a long-term supply of renewable fuels? And how do these pathways per- form with respect to technical, environ- mental and socioeconomic criteria? Currently less mature technology options with promising potentials for long-term applications are of particular interest for the work at Bauhaus Luftfahrt. Fuel pro- duction from unconventional types of biomass, such as microalgae, or non-bio- genic approaches, such as solar fuels and Power-to-Liquid (PtL), represent important research topics in this context. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

42 alternative fuels Zukünftige Pfade hin zu mehr Nachhaltigkeit in der Luftfahrt Die Luftfahrt steht vor großen ökologischen Heraus- forderungen. Durch das starke Wachstum des Flugverkehrs werden die Treibhausgasemissionen des Sektors voraussichtlich weiter stark ansteigen. Dies steht im Widerspruch zum Ziel der Luftfahrt, die ﬂottenweiten Emissionen bis 2050 um 50 % gegenüber 2005 zu reduzieren, und dem globalen Ziel, die Erderwärmung auf möglichst 1,5 °C zu begrenzen. Es stellt sich somit die Frage, welche techno- logischen Möglichkeiten für eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen zur Verfügung stehen und welche Kosten durch deren Implementierung auf die Luftfahrt zukommen könnten. In Zusammenarbeit mit dem Flughafen München wurden mithilfe systemdynamischer Simulations- modelle verschiedene Technologieszenarien be- leuchtet. Diese umfassen sowohl evolutionäre Entwicklungen zur Efﬁzienzsteigerung von Flugzeu- gen als auch den Einsatz von nachhaltigem Kerosin. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine kombinierte Strategie aus starken Efﬁzienzsteigerungen und einer massiven Nutzung nachhaltiger Kraftstoffe die Erreichung der Klimaziele potenziell ermöglicht. Unter bestimmten Bedingungen ließe sich dabei der Anstieg der Kraftstoffkosten pro Passagier- kilometer auf unter 50 % im Vergleich zum heuti- gen Niveau begrenzen. Dies erfordert allerdings günstige sozioökonomische Rahmenbedingungen, hohe Technologieinvestitionen sowie ernsthafte und unverzügliche Anstrengungen aller Luftfahrt- akteure. Weiterführende Forschung wird sich auf den Ausbau der Simulationsmodelle und die Präzisie- rung der Rahmenbedingungen konzentrieren, um erweiterte und robustere Szenarien entwickeln und Handlungsempfehlungen für die Luftfahrtakteure ableiten zu können. Eine wettbewerbs- fähige und nach- haltige Luftfahrt ist möglich, erfordert aber ganzheitliche Ansätze. A competitive and sustainable aviation industry is possible, but requires holistic approaches. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Future Pathways towards Sustainability in Aviation Aviation is facing substantial ecological challenges. Strong growth of air travel will likely lead to a sus- tained increase in greenhouse gas emissions. This stands in contrast to the goal of the aviation industry to reduce ﬂeet-wide emissions by 50 % until 2050 and the worldwide goal to limit global warming to preferably under 1.5 °C. This brings up a core question: Which techno- logical solutions are available in order to achieve substantial emissions reductions, and which imple- mentation costs might the aviation industry have to face? In cooperation with Munich Airport, system dynamic models have been developed to shed light on different possible technology scenarios. These comprise both evolutionary technologies increasing aircraft efﬁciency and the deployment of sustaina- ble jet fuel. First results show that climate goals can be achieved with a combined strategy of strong aircraft efﬁciency improvements and a massive use of sustainable fuels. Under certain conditions, fuel cost increase per passenger kilometre can be limited to 50 %, compared to current levels. However, this requires a supportive socioeconomic framework, high investments in technology, as well as serious and immediate commitments by all avia- tion actors. In order to develop more complete and robust scenarios and deduce policy recommendations for aviation actors, future research will focus on expanding the simulation models and specifying more precisely framework conditions.

Technology roadmaps Technology A, B, C, etc. EIS, ramp-up & production Socioeconomic scenarios Fleet model yearly RPK growth slf2 slf1 ASK 1 RPK 1 ASK2 ASK*2 RPK2 Market growth gap Retirement gap Capacity gap Remaining ASKs (after retirement from previous year) Year 1 (base year) Year 2 Time Socioeconomic developments Technology dynamics Regional/global air traffic dynamics Substitution rate/market penetration Retirement rate [%] 10 8 6 4 2 0 2012 [%] 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 2012 ) n o i l l i b n i ( s K P R 25000 20000 15000 10000 5000 0 GDP (world) RKP (world) 3.78 % p.a. (2000 – 2050) 4.00 % p.a. (2020 – 2050) 3.44 % p.a. (2000 – 2020) 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 years 250 200 150 100 50 0 ) X n o i l l i b n i ( X X X Air traffic growth p.a. Fuel production model 2016 2020 2024 2028 2032 2036 2040 2012 Industrial Countries XXXXXX XXXXXX Air traffic growth p.a. 2016 2020 2024 2012 Industrial Countries 2028 XXXXXX 2032 2036 XXXXXX 2040 € n e n o i l l i B 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Econ. framework conditions , , Capacity and cost dynamics 43 Future fleet composition 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 e c i v r e s n i t e e l F Seat category 601 – 650 501 – 600 401 – 500 301 – 400 211 – 300 151 – 210 101 – 150 51 – 100 0 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Fuel/CO2 scenarios CO2 emissions Co2 emissions scenarios no action CO2 emissions gaps carbon-neutral growth -50 % 2005 2020 2030 2040 2050 CO2 scenarios A , A , B , etc. Integrierte Modellstruktur zur holistischen Analyse von Zukunftsszenarien Basierend auf Annahmen zu Technologieentwicklung und sozioökonomischen Trends, können mit diesem ganzheitlichen Modellierungsansatz Flottenzusammen- setzungen, Kraftstoffbedarfe und -produktionskapazitäten abgeleitet werden. Integrated model structure for a holistic assessment of future scenarios This integrated modelling approach allows to deduce ﬂeet compositions, fuel demands, and fuel production capacities based on assumptions for technology development and socioeconomic trends. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Modellierte CO2-Emissionstrajektorien der Luftfahrt im Vergleich zu Emissionsreduktionszielen Selbst bei starken Efﬁzienzsteigerungen entsteht eine Lücke zwischen den erwarteten und anvisierten CO2-Emissionen. Diese Lücke kann theoretisch durch den massiven Einsatz alternativer Kraftstoffe geschlossen werden. Projected CO2 emissions trajectories of aviation in comparison to emissions reduction goals Even with strong efﬁciency gains, a gap appears between expected and targeted CO2 emissions. This gap can theoretically be closed by a massive use of alternative fuels. ) 0 0 1 = ( 5 0 0 2 r a e y o t e v i t a l e r , s n o i s s i m e 2 O C d e t c e j o r P 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2005 2015 2025 2035 2045 2055 2065 2075 2085 2095 2100 Projected growth, no efﬁciency improvements Aviation industry‘s emissions reduction goals Projected growth, with substantial efﬁciency improvements Paris climate goals (estimate) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Arne Roth Lead Alternative Fuels Die im Pariser Klimaabkommen vereinbarten Ziele zum Klimaschutz erfordern auch von der Luftfahrt eine drastische Reduktion der Treibhausgasemissionen und langfristig eine vollständige Dekarbonisierung des Sektors. Dafür muss zum einen der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, etwa durch technologische Innovationen und operationelle Optimierung. Zum anderen muss eine Energiewende im Luftverkehr erfolgen, also ein Wechsel zu einer erneuerbaren Energiebasis. Die Analyse technischer, ökologischer und sozioökonomischer Potenziale von erneuerbaren Energieträgern bildet die zentrale Aufgabe des Forschungsschwerpunktes „Alternative Kraftstoffe“ am Bauhaus Luftfahrt. The targets for climate protection deﬁned in the Paris Agreement demand drastic reductions in greenhouse gas emissions and, ultimately, a complete decarbonisation of all sectors, including aviation. An important measure for aviation to meet these targets is to reduce fuel consumption, for example, through technological innovations and operational optimisation. Another mandatory measure is the energy transition in air trafﬁc, that is, the transition to a renewable energy basis. The assessment of technical, environmental, and socioeconomic potentials of renewable energy carriers represent the central task of the research focus area “Alternative Fuels” at Bauhaus Luftfahrt.

44 alternative fuels Partikelreaktor- konzept zur solaren Synthesegas- produktion Solarthermochemische Kraftstoffe könnten den CO2-Eintrag der Luftfahrt um über 80 % gegenüber konventionellem Kerosin senken und sind prinzipiell in beliebiger Menge verfügbar. Zu ihrer Herstellung werden Wasser und CO2 in einem thermochemi- schen Reaktor mit konzentrierter Solarenergie zu Synthesegas umgewandelt, welches anschließend im Fischer-Tropsch-Prozess zu Kerosin verarbeitet wird. Der thermochemische Reaktor mit dem Fest- stoff-Reaktant Cerium ist das Herzstück der Pro- zesskette mit heutigen Wirkungsgraden von etwa 5 %.1 Für eine ökonomische Produktion sollten jedoch Werte von circa 20 % erreicht werden,2 weshalb neue Konzepte erforscht werden. Unter den neuen Reaktorkonzepten ist der Cerium-Partikelreaktor sehr vielversprechend, da er die effektive Wärmeübertragung von heißem zu kaltem Reaktant-Material und neue Reaktorgeo- metrien ermöglicht. Im untersuchten Reaktorkonzept laufen die Partikel vertikal im Gegenstrom, wobei die kalten Partikel von den heißen aufgeheizt werden. Auf der oberen, heißen Seite erfolgt die Reduktion des Materials, welches dann auf der unteren, kalten Seite durch Oxidation mit Wasser und CO2 zur Synthesegasproduktion genutzt werden kann. Die detaillierte Modellierung der Wärmeübergänge des Konzeptes zeigt, dass etwa 50 bis 80 % der Wärme rekuperiert werden können, abhängig von der Durchmischung der Partikel. Mithilfe des im Projekt SUN-to-LIQUID entwickelten Modells ist die Bestimmung der optimalen Geometrie zur Maxi- mierung des Wirkungsgrades möglich. Die durch- geführten Arbeiten stellen somit einen wichtigen Schritt dar auf dem Weg zu efﬁzienteren Reaktoren für die solarthermochemische Kraftstoffproduktion. Particle Reactor Concept for the Production of Solar Synthesis Gas Solar thermochemical fuels could reduce the net CO2 emissions of the aviation sector by over 80 % with respect to conventional fuels and are in princi- ple available in unlimited volumes. Using concen- trated solar energy in a thermochemical reactor, water and CO2 are converted into synthesis gas from which jet fuel is subsequently synthesised in the Fischer-Tropsch process. The thermochemical process step with cerium oxide as the solid reactant is the cornerstone of the process chain, achieving energy conversion efﬁciencies of about 5 %1 today. For an economical fuel production, values approaching 20 %2 should, however, be accomplished. For that reason, new reactor con- cepts are being investigated. Among the new concepts, a reactor using mobile cerium oxide particles is very promising because it enables the effective transfer of heat from hot to cold reactant material, as well as new reactor geometries. In the analysed reactor concept, the particles move in a vertical counter-ﬂow, whereas the cold particles are heated by the hot ones. At the upper, hot side, the material is reduced, while it is subse- quently reoxidised at the lower, cold side of the reactor for the production of synthesis gas from water and CO2. The detailed modelling of heat transfer in this concept shows that about 50 to 80 % of the heat can be recuperated, dependent on the level of mixing of the particles. Developed in the SUN-to-LIQUID project, this model can be used to determine the optimal geometry for the maximisa- tion of efﬁciency. The performed work therefore represents an important step on the path towards more efﬁcient reactors for solar thermochemical fuel production. 1 Marxer, D., Furler, P., Takacs, M., & Steinfeld, A. (2017). Solar thermo- chemical splitting of CO2 into separate streams of CO and O2 with high selectivity, stability, conversion, and efﬁciency. Energy & Environmental Science, 10(5), pp. 1142–1149. doi: 10.1039/C6EE03776C 2 Falter, C., Batteiger, V., & Sizmann, A. (2015). Climate Impact and Eco- nomic Feasibility of Solar Thermochemical Jet Fuel Production. Environ- mental Science & Technology, 50(1), pp. 470–477. doi: 10.1021/acs. est.5b03515Taufkirchen, Germany, 2018. 1800 K 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 ] K [ T 1000 K Mit dem entwickel- ten Modell kann die Wärmeüber- tragung im Detail untersucht werden. The developed reactor model enables detailed analysis of heat transfer. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + This project has received + funding from the European + Union’s Horizon 2020 research + and innovation programme + under grant agreement No. + 654408. (www.sun-to-liquid.eu) + +

45 O2 T Funktionsweise des Partikelreaktors Die Partikel des reaktiven Materials werden bei hohen Temperaturen reduziert (rot, oben), durchlaufen einen Gegenstromwärmeübertrager und werden bei niedrigeren Temperaturen unter Bildung von Synthesegas (H2, CO) oxidiert (blau, unten). Operating principle of the particle reactor Particles of the reactive material are reduced at high temperatures (red, upper side), moved through a counter-ﬂow heat exchanger and are reoxidised at lower temperatures (blue, lower side), producing synthesis gas (H2, CO). Source: Falter, C., & Pitz-Paal, R. (2018). Modeling counter-ﬂow particle heat exchangers for two-step solar thermochemical syngas production. Applied Thermal Engineering, 132, pp. 613–623. doi: 10.1016/j.applthermaleng. 2017.12.087 H2O, CO2 H2,CO ∆r + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Wirkungsgrad des Wärmeübertragers im Partikelreaktor Der Wärmeübergang im Reaktor ist entscheidend von der Durch- mischung der Partikel abhängig und wird zu kleinen Schichtdicken des Partikelbettes (∆r, Abbildung oben) maximiert. Efﬁciency of heat transfer in the particle reactor Heat transfer in the reactor is crucially dependent on the level of mixing of the particles and is maximised towards small thicknesses of the particle bed (∆r, ﬁgure above). 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 0 e h ε s s e n e v i t c e f f e r e g n a h c x e t a e H Perfect mixing No mixing 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 ∆r of hot particle bed [m] Source: Falter, C., & Pitz-Paal, R. (2018). Modeling counter-ﬂow particle heat exchangers for two-step solar thermochemical syngas production. Applied Thermal Engineering, 132, pp. 613–623. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.12.087

46 alternative fuels Kraftstoffe durch hydro- thermale Verﬂüssigung von Biomasse Die hydrothermale Verﬂüssigung (HTL) ist ein thermochemisches Verfahren zur Konversion von Biomasse. Der HTL-Prozess kann selbst problematische Abfallströme, wie Klärschlamm und Gülle, ohne energieintensive Trocknung in ein erdölähnliches Rohprodukt umwandeln. Dieses „Biocrude“ wird durch petrochemische Rafﬁnation zu Kraftstoffen aufbereitet. Im EU-geförderten Projekt HyFlexFuel arbeiten zehn europäische Partner an der Ent- wicklung einer HTL-basierten Prozesskette zur Produktion nachhaltiger Kraftstoffe. Alle Teil- prozesse, einschließlich der Verwertung von Nebenprodukten und Restströmen, werden im Projekt unter relevanten Prozessbedingungen demonstriert. Im ersten Projektjahr wurden an der Uni- versität Aarhus (DK) mehrere HTL-Kampagnen an einer weltweit einzigartigen Pilotanlage durchgeführt. Dabei wurden durch Konversion von Klärschlamm, der Mikroalge Spirulina und dem Energiegras Miscanthus jeweils über 10 kg Biocrude sowie 200 L wässrige Produkt- phase gewonnen.1 Erste Tests zur katalytischen Aufbereitung des Biocrudes wurden an der Universität Aal- borg (DK) durchgeführt. Dabei konnten der gebundene Sauerstoff vollständig sowie der Stickstoff weitgehend entfernt werden.2 Die Abtrennung dieser Elemente ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Produktion hochwer- tiger Kraftstoffe. Das Bauhaus Luftfahrt koordiniert das Pro- jekt HyFlexFuel und ist für die techno-ökono- mische und ökologische Analyse des Prozess- pfades verantwortlich. Erste Analysen zeigen, dass die Integration einzelner Teilprozesse, wie etwa die energetische Nutzung der wäss- rigen Produktphase, eine entscheidende Rolle spielt, um HTL-Kraftstoffe zu etablieren. Fuels from Hydro- thermal Liquefaction of Biomass Hydrothermal liquefaction (HTL) is a thermochemical technology for the conversion of biomass. Even problematic wastes and residues, such as sewage sludge and manures, can be processed through HTL into a raw product that is similar to conventional crude oil. This “biocrude” is upgraded to fuels through petrochemical reﬁning procedures. In the EU-funded project HyFlexFuel, a consor- tium of ten European partners collaborates on the development of an HTL-based fuel production chain. All sub-processes, including the valorisation of by-products and residual process streams, are demonstrated in a relevant operational environment. In the ﬁrst year of the project, HyFlexFuel part- ner Aarhus University (DK) conducted several HTL campaigns in a unique pilot facility. These cam- paigns yielded more than 10 kg of biocrude and 200 L of aqueous product phase from processing sewage sludge, microalgae (Spirulina), and the energy grass miscanthus.1 First screening experiments on catalytic up- grading of biocrude were carried out by Aalborg University (DK). Under certain process conditions, the chemically bound oxygen could be completely removed, while removal of nitrogen proved more challenging and was partially achieved.2 Complete deoxygenation and denitrogenation represent important steps on the way to produce liquid trans- portation fuels. In HyFlexFuel, Bauhaus Luftfahrt acts as coordi- nator and is responsible for the techno-economic and environmental assessment of the entire pro- cess chain. First ﬁndings indicate that the integra- tion of individual sub-processes, such as the ener- getic utilisation of the aqueous product phase, plays a crucial role in the development of a HTL- based fuel production. 1 Anastasakis, K., Biller, P., Madsen, R., Glasius, M., & Johannsen, I. (2018). Continuous Hydrothermal Liquefaction of Biomass in a Novel Pilot Plant with Heat Recovery and Hydraulic Oscillation. Energies, 11(10), p. 2695. doi: 10.3390/en11102695 2 Haider, M., Castello, D., Michalski, K., Pedersen, T., & Rosendahl, L. (2018). Catalytic Hydrotreatment of Microalgae Biocrude from Continuous Hydrothermal Liquefaction: Heteroatom Removal and Their Distribution in Distillation Cuts. Energies, 11(12), p. 3360. doi: 10.3390/ en11123360 Produktion von Biocrude: Biocrude ist das Rohprodukt der hydrothermalen Verﬂüssigung von Biomasse. (Quelle: Universität Aarhus) Production of bicrude: Biocrude is the raw product of hydrothermal liquefaction of biomass feedstock. (Source: Aarhus University) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + This project has received + funding from the European + Union’s Horizon 2020 research + and innovation programme + under grant agreement + No. 764734. (www.hyﬂexfuel.eu) + +

47 Von der Biomasse zum Kraftstoff Änderung der chemischen Zusammensetzung durch hydrothermale Verﬂüssigung von Biomasse (hier: Mikroalge Spirulina) und anschließende Aufbereitung: Stickstoff- und Sauerstoffgehalt werden stark reduziert (Quelle: Universität Aalborg).2 From biomass to fuels Changing chemical composition upon hydrothermal liquefaction of biomass (here: microalgae Spirulina) und subsequent upgrading: The contents of nitrogen and oxygen are strongly reduced (Source: Aalborg University).2 Microalgae Spirulina Biocrude Biocrude upgraded 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Carbon Hydrogen Nitrogen Oxygen Composition (daf) wt% + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Steigerung der Prozessefﬁzienz Einﬂuss des Trockenmassegehaltes des HTL-Eingangs- stromes auf die Efﬁzienz der energetischen Nutzung der wässrigen Produktphase. Erst ab etwa 10 bis 16 % Trockenmassegehalt wird eine positive Energie- bilanz erreicht. Increase of process efﬁciency Impact of dry matter content in HTL feedstock slurry on the efﬁciency of energetic utilisation of the aqueous product phase. A minimum of 10 to 16 % dry matter content is required for a positive energy balance. 25 20 15 A) 10 B) J M n i y g r e n E 5 0 Energy output (methane) Thermal energy input A) 73 % heat recovery B) 83 % heat recovery 5 10 15 20 25 Dry matter content in HTL feed in wt%

48 energy technologies & power systems Bookkeeping schemes and ﬁgures of merit Synergistic propulsion system design Wake-ﬁlling aircraft concepts + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + 49 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + The interdisciplinary research focus area concentrates the research activities on novel combustion-based and alternative (hybrid-)electric motive power systems for aircraft. This extends the search for new aircraft energy options well beyond so-called drop-in solutions. The technological challenges associated with novel thermo-dynamic cycles as well as fully or hybrid-electric motive power systems are addressed from the basics upwards: Relevant key technologies are identiﬁed, future potentials for energy converters are assessed, and hybrid systems are conceptually designed and analysed at aircraft level. Therefore, scientists and engineers search answers along the main research questions: 1) Energy and propulsion technologies: What are enabling key technologies? 2) Energy conversion devices: What are their future potentials? 3) Hybrid system architectures: How can the best of two worlds be combined? Der interdisziplinäre Forschungs- schwerpunkt konzentriert die For- schungsarbeiten zu neuartigen auf Verbrennung basierenden und alter- nativen (hybrid-)elektrischen Antrie- ben in der Luftfahrt. Dies erweitert die Suche nach neuen Energie- optionen im Flugzeug deutlich über so- sogenannte Drop-in-Lösungen hinaus. Die technologischen Herausforde- rungen durch neue Kreisprozesse wie auch voll- oder hybridelektrische Antriebstechnik werden von den Grundlagen her aufbauend adres- siert: Es werden relevante Schlüssel- technologien identiﬁziert, zukünftige Potenziale von Energiewandlern bewertet sowie hybride Antriebskon- zepte entwickelt und auf Flugzeug- ebene analysiert. Dabei arbeiten die Wissenschaftler und Ingenieure ent- lang der wesentlichen Fragestellungen: 1) Energie- und Antriebstechnologien: Was sind die Schlüsseltechnologien? 2) Energiewandler: Was sind ihre zukünftigen Potenziale? 3) Hybride Systemarchitekturen: Wie lässt sich das Beste aus zwei Welten kombinieren? + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R E S E A R C H F O C U S A R E A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

50 energy technologies & power systems Brennstoffzellen als Mobilitätsoption: Fort- schritte und Perspektiven Fuel Cells as Power Option for Mobility: Progress and Prospects Mit der direkten elektrochemischen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie stellen Brennstoffzellen eine vielversprechende Lösung für elektrische Mobilität dar. Im Gegensatz zum Ver- brennungsmotor mit Generator ist die PEM-Brenn- stoffzelle kompakter bei vergleichbarer speziﬁscher Leistung. Die PEM-Brennstoffzelle ist heutzutage eine ausgereifte Technologie, wobei Kosten, Lebensdauer und Zuverlässigkeit drei Hauptkrite- rien für den kommerziellen Erfolg und die Akzeptanz sind, in denen ein Brennstoffzellensystem besser sein muss als ein herkömmliches System. Die Kosten eines PEM-Systems werden auf Zellebene durch den Katalysator und die Membran bestimmt. Der Stapel hat jedoch nur einen Anteil von circa 40 % an den Gesamtkosten, die damit zum größeren Teil durch die Nebenaggregate bestimmt werden. Letztere sind auch die „Achilles- ferse“ bei der Zuverlässigkeit. So führen Probleme mit Lüftern, Kompressoren und Undichtigkeiten am häuﬁgsten zu einer Abschaltung des Systems. Die Kernkomponente, der Stapel, arbeitet dagegen meist zuverlässig über die geforderten Betriebs- stunden und ist wartungsfrei. Die Technologieziele für die PEM-Brennstoff- zelle von 2009 für das Jahr 2020 sowie die langfris- tigen Ziele des „Fuel Cell Technologies Ofﬁce“ im „US Department of Energy“ wurden bereits in 2015 erreicht und teilweise übertroffen, wie zum Beispiel die Leistungsdichte des Stapels und Systems oder die geforderte Betriebsdauer. Der kommerzielle Durchbruch erfordert jedoch ein leistungsfähiges Gesamtsystem mit einer entsprechenden Wasser- stoff-Infrastruktur. Ein solches wird im Rahmen urbaner Mobilität bereits erprobt. Im Gesamtbild der Klimawirkung des Luftverkehrs werden am Bau- haus Luftfahrt die langfristigen Technologiepoten- ziale auf allen Hierarchieebenen der Integration neu bewertet, von der Efﬁzienz des Stapels bis zum techno-ökonomischen Potenzial des Gesamtsys- tems. H2 O2 Schematische Darstellung eines Brennstoffzellen- systems Schematic representation of a fuel cell system + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + With the direct electrochemical conversion of chem- ical energy to electrical energy, fuel cells represent a promising solution for electrical mobility. In con- trast to the internal combustion engine with a generator, the PEM fuel cell is more compact at a comparable speciﬁc power. The PEM fuel cell is a mature technology today, whereby cost, lifetime, and reliability are three main criteria for commercial success and acceptance on the market, wherein a fuel cell system must be better than a conventional system. The catalyst and the membrane determine the cost of a PEM system at cell level. At system level, the auxiliary equipment cost accounts for the largest share, whereas the stack accounts for about 40 % of the total system cost. The auxiliary equipment is also the “Achilles’ heel” in terms of reliability. Prob- lems with fans, compressors, and leakages are the most frequent causes for a shutdown of the system. The core component, the stack, usually works relia- bly over the required operating hours and is truly maintenance-free. The technology targets for the PEM fuel cell for 2020 and the long-term targets, both set in 2009 by the “Fuel Cell Technologies Ofﬁce” of the “US Department of Energy”, were already achieved in 2015 and surpassed in some cases, such as the power density of the fuel cell stack and system or the required operating time. The commercial break- through, however, requires a well-performing overall system with a corresponding hydrogen infrastruc- ture. Such system is already being tested in the context of urban mobility. Bauhaus Luftfahrt re-eval- uates in the ﬁeld of climate impact of aviation the long-term technology potentials at all levels of inte- gration, ranging from stack efﬁciency to the tech- no-economic potential of the overall system.

Gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte Aktueller Stand der Technologie 2018 von PEM-Brennstoffzellenstapeln in verschiedenen Leistungsklassen im Vergleich zu den Technologiezielen des „US Department of Energy“ Speciﬁc power and power density State of the art (2018) of the technology of PEM fuel cell stacks in different power classes compared to the technology targets of the “US Department of Energy” 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 g k / W k n i r e w o p c i f i c e p S Intelligent Energy Ltd. DoE ultimate target kW/kg Ballard Power Inc. Toyota Mirai 0 0 air-cooled 20 General Motors 40 80 Net. el. power in kW 60 100 120 L / W k n i y t i s n e d r e w o P 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Intelligent Energy Ltd. DoE ultimate target kW/L Toyota Mirai Ballard Power Inc. General Motors air-cooled 0 20 40 80 Net. el. power in kW 60 51 100 120 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Erfüllung der Technologieziele Multi-Kriterien-Darstellung des Istzustandes (2015) von PEM- Brennstoffzellen (Bestwerte) gegenüber den Department-of-Energy 2020-Zielen und langfristigen Ambitionen Fulﬁlling technology targets Multi-criteria representation of the 2015 state of PEM fuel cells (best values) against the Department of Energy 2020 targets and long-term ambitions 2015 2020 targets Ultimate targets (reference) Power density W/L System Peak efﬁciency % 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2015 2020 targets Ultimate targets (reference) Stack Power density W/L Power density W/L Durability h 1.21.00.80.60.40.2 0 Speciﬁc power W/kg Cost-speciﬁc power kW/$ Speciﬁc power W/kg Cost-speciﬁc power kW/$ Relative cost-specific power 2015 2020 targets MEA kW/$ 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Bipolar plate kW/$ Membrane kw/$ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Holger Kuhn Co-lead Energy Technologies and Power Systems Batteriebasierte Elektromobilität hat sich als praxistauglich erwiesen, trotz des bestehenden Entwicklungsbedarfs hin zu höherer Reichweite. Brennstoffzellensysteme hingegen haben andere Skalierungseigenschaften und bieten daher eine bessere Lösung bei längeren Betriebszeiten. Während Brennstoffzellensysteme heute mit Verbrennungsmotoren vergleichbar sind, weisen sie bei ähnlichen elektrischen Gesamtwirkungsgraden im Gegensatz zu einer Gasturbine-Generator-Kombination für den hohen Leistungsbereich immer noch erhebliche Gewichtsnachteile von bis zu einem Faktor von 10 auf. Brennstoffzellen scheinen jedoch als APU-Ersatz aufgrund spezieller Integrationsvorteile ein sinnvolles Anwendungspotenzial zu bieten. Battery-based electric mobility has proven practical, despite the need for further development towards extended operating range. Fuel cell systems, on the other hand, have different scaling characteristics and may provide a better solution for extended operation times. Whereas fuel cell systems can compare to internal combustion engines today, they still exhibit signiﬁcant weight penalties by a factor of 10 at similar overall electric efﬁciencies, when opposed to core engines of gas turbines coupled with an electric generator in the high-power regime. However, fuel cell systems as replacement for the APU seem to have reasonable potential because of their speciﬁc integration beneﬁts.

52 energy technologies & power systems Antriebs-Vorstudien eines turboelektrischen „Propulsive Fuselage“ Powerplant Pre-Design Studies for a Turboelectric Propulsive Fuselage The conceptual design of the turboelectric drive train for a Propulsive Fuselage Concept is one of the research areas investigated as part of the European Union-funded research project CENTRELINE. In this context, pre-design studies of major systems were conducted at Bauhaus Luftfahrt. The power trans- mission concept is characterised by wing-installed geared turbofan (GTF) engines speciﬁcally designed to allow for power off-takes required for the opera- tion of the fuselage-installed electric propulsor. These power extractions are signiﬁcantly greater than the amount typical for aircraft subsystems and may have a strong impact on the power balance of the engine spools. The powerplant off-design study presented in the upper ﬁgure on the right page shows the implications of varying operational power extraction levels for a design off-take representing 15 % of the low-pressure turbine power output. For comparison, the part power characteristic of a con- ventional GTF is shown as well. As can be seen, the extraction variability during off-design operation is constrained by several operating limits of the asso- ciated turbo components. Important results on the design and operating characteristics of the fuselage-installed propulsor can be derived from the ﬁgure below. It has been established that freestream total pressure recovery ratio (p2/p0) – a parameter that is typically impaired in case of propulsors working in the boundary layer – has a signiﬁcant impact on the performance char- acteristics. Beside the implications of design fan pressure ratio variations, the second ﬁgure shows the pronounced effect of p2/p0 on fan diameter and required shaft power at take-off conditions. Die Auslegung des Antriebsstranges eines turbo- elektrisch betriebenen „Propulsive Fuselage Concept“ stellt einen der Forschungsschwerpunkte des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes CENTRELINE dar. In diesem Zusammenhang wurden am Bauhaus Luftfahrt Vor- studien der wesentlichen Systeme durchgeführt. Das Antriebskonzept zeichnet sich durch ﬂügel- installierte Getriebefan-Triebwerke (GTF) aus, die speziell für die zusätzliche Bereitstellung der Leis- tung des elektrischen Propulsors am Rumpfheck ausgelegt sind. Diese Zusatzleistung übersteigt die typischen Leistungsbedarfe für Flugzeugsub- systeme bei Weitem und kann starken Einﬂuss auf die Leistungsbilanz der zugehörigen Trieb- werkswellen haben. Für ein Triebwerk mit einer Design-Entnahmerate von 15 % der Niederdruck- turbinenleistung sind die Auswirkungen operativer Entnahmeleistungen in der Abbildung rechts oben gezeigt. Das Teillastverhalten eines konven- tionellen GTF ist zum Vergleich dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht, dass die Variabilität der Entnahme im Off-Design-Betrieb durch verschie- dene Betriebsgrenzen der Turbokomponenten limi- tiert ist. Wichtige Erkenntnisse zum Auslegungs- und Betriebsverhalten des rumpﬁnstallierten Propulsors sind aus der unteren Abbildung ableitbar. Es zeigt sich, dass sich das Rückgewinnungsverhältnis des Totaldruckes im Einlauf (p2/p0) – ein Parameter, der bei in der Grenzschicht arbeitenden Antrieben typischerweise beeinträchtigt ist – signiﬁkant auf die Systemeigenschaften auswirkt. Neben den Folgen von Fandruckverhältnis-Änderungen zeigt die zweite Abbildung auch den ausgeprägten Ein- ﬂuss von p2/p0 auf den Fandurchmesser und die erforderliche Wellenleistung im Startfall. CENTRELINE – ConcEpt validatioN sTudy foR fusElage wake-ﬁlLIng propul- sioN intEgration + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 723242.

53 Untersuchung signiﬁkanter Leistungsentnahmen Die Graﬁk erläutert den Einﬂuss operationeller Leistungs- entnahme-Variationen von der Niederdruckwelle auf TSFC. Die erzielbaren Entnahmen sind durch Betriebsgrenzen der beteiligten Turbokomponenten limitiert. Investigation of signiﬁcant power off-takes The graphic indicates the impact of operational variations in relative off-take from the low-pressure spool on TSFC. Feasible power off-takes are constrained by operating limits of associated turbo components. 26 24 22 20 18 16 14 ] ) s x N k ( / g [ ) C F S T ( n o i t p m u s n o c l e u f c i f i c e p s - t s u r h T 0.80 Scaling factor of relative LP power offtake [-] Total power offtake [kW] Inner fan surge margin constraint (10 %) IPC surge margin constraint (15 %) HPC corrected speed constraint Flow path sizing point 0.85 Rel. corrected fan speed (NL,rel,corr) [-] 0.90 3000 2000 1000 PLP,rel,ds = 0 Typical cruise condition (M0.82, FL350, ISA+10K) Design LP spool power offtake (PLP,rel,ds): 0.15 HP power offtake for aircraft subsystems: 600 kW 1.00 1.01 1.65 0.95 4000 5000 1.00 PLP,rel,ds = 0.15 0.10 15 20 25 35 40 30 Net thrust (FN) [kN] 45 50 55 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Auslegungsstudie des im Rumpfheck installierten Antriebssystems Einﬂuss des von der Grenzschicht beeinträchtigten Druckrück- gewinnungsverhältnisses im Einlauf und des Design-Fan- druckverhältnisses auf die Dimension und die Startleistung des rumpﬁnstallierten Propulsors Sizing study of the fuselage fan propulsion system Impact of the boundary layer-impaired intake total pressure recovery ratio and the design fan pressure ratio on dimension and take-off performance of the fuselage fan propulsion system 900 800 700 600 500 400 300 ] / N W [ ) C P S T ( n o i t p m u s n o c r e w o p c i f i c e p s - t s u r h t n g i s e D Study settings: Flow path sizing point: FL350, M0.82, ISA+10K Fan inlet hub diameter: 1.15 m Takeoff point: SL, M0.25, ISA+15K Fan relative corrected speed: 0.7 Color contours: Design-speciﬁc thrust [m/s] Design intake total pressure recovery ratio (p2/p0) [-] 0.80 7 0.90 0.95 1.65 0.85 5 1.40 1.50 Design fan pressure ratio [-] 1.30 10 9 7 8 Shaft power at takeoff [MW] 6 1.25 1.6 1.8 2.0 2.4 Fan inlet tip diameter [m] 2.2 2.6 2.8 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Dr. Arne Seitz Co-lead Energy Technologies and Power Systems Elektrische Antriebe sind ein Schlüsselfaktor zur Erschließung neuer Marktsegmente am unteren Ende des Nutzlast- Reichweiten-Spektrums. Wärmekraftmaschinen werden jedoch auch weiterhin das Rückgrat der klassischen Transportluft- fahrt bilden. Damit die Antriebselektriﬁzierung eine größere Relevanz für die Nachhaltigkeit der Luftfahrt erlangen kann, muss sie eng mit fortschrittlicher Gasturbinentechnologie integriert werden. Dies gilt auch für das vielversprechende turboelektrische „Propulsive Fuselage Concept“. Entscheidend sind hierzu geringe Verluste im turboelektrischen Antriebsstrang und eine optimale Abstimmung der Haupttriebwerke und des Rumpfheckantriebes. Electric propulsion and power are a key enabler for new market segments at the low end of the payload-range spectrum. Heat engines, however, will remain the backbone for propulsion and power in classic air transportation. To enable a strong impact on aviation’s sustainability, the electriﬁcation of aircraft motive power requires a synergistic systems design integration with advanced gas turbine technology. This holds true for the promising turboelectric Propulsive Fuselage Concept, where low losses in the turboelectric power train and an optimum design and operational matching of the main power plants and the aft fuselage fan are essential.

54 systems & aircraft technologies Innovative thermal management systems Unconventional conﬁguration generation and assessment Transparent bookkeeping of technology impacts + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + 55 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Die Systeme und ihre technologischen Potenziale im Flugzeug stehen im Fokus der Arbeiten im Forschungsschwerpunkt „System- und Flugzeugtechnologien“. Experten aus unterschiedlichen Disziplinen wirken hier zusammen, um die Flugzeugefﬁzienz weiter zu verbessern, Emissionen zu reduzieren und neue Ansätze für die Flugzeug- entwicklung zu erarbeiten. Die betrachteten Emissionen beinhalten klimatische Aus- wirkungen in Verbindung mit dem Kraftstoffverbrauch des Flugzeuges sowie Lärm- bewertungen. Des Weiteren werden auch die Flugzeugsysteme detailliert untersucht und alternative Architekturen inklusive Sensitivitäten gegenüber Änderungen durch unkonventionelle Aspekte modelliert. So sind in dieser Forschergruppe wichtige Ergebnisse zur besseren Antriebs-Aerodynamik-Wechselwirkung und zur grundle- genden Integration hybrider Antriebe erzielt worden. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + R E S E A R C H F O C U S A R E A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Research in aircraft systems and their technological potentials is the focus of the “Systems and Aircraft Technologies” research focus area. Experts from different disciplines collaborate together to target aircraft efﬁciency improvements, to develop new aircraft design approaches, and to reduce emissions. The emissions cover environmentally relevant exhausts, which are closely linked to aircraft fuel consumption, as well as noise impacts. The aircraft systems themselves are also actively investigated and architectural alternatives are modelled, including sensitivities to the changes introduced by unconventional aspects. Important results for improved propulsion-air- frame integration and integrated concepts for hybrid propulsion systems could be shown. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

56 systems & aircraft technologies Kraftstoff als alternative Wärmesenke für zukünftige Flugzeug- konzepte Das Bauhaus Luftfahrt untersucht Kraftstoff als alternative Wärmesenke, um den Kühlbedarf zukünftiger Flugzeuge zu decken. Mit der Einfüh- rung von teilweise elektrischen Antriebssystemen wird der Kühlbedarf im Vergleich zu heutigen Flug- zeugen voraussichtlich um bis zu einer Größen- ordnung steigen. Für Hybridkonzepte stellt der Kraftstoff eine mögliche Alternative als Wärme- senke im Vergleich zur traditionell verwendeten Stauluft dar. Er hat eine höhere Wärmeleitfähig- keit, Wärmekapazität und Dichte. Außerdem wird der Kraftstoff in ﬂügelintegrierten Tanks gelagert, sodass die Flügel als Wärmetauscher mit der Umgebungsluft fungieren können, ohne dass sich die benetzte Oberﬂäche des Flugzeuges erhöht. Darüber hinaus kann die Masse des Kühlsystems durch kürzere Übertragungswege und kompaktere Komponenten reduziert werden. In einer ersten Studie wurde ein parallel- diskret-hybridelektrisches Kurzstreckenﬂugzeug mit einer maximalen Wärmebelastung von 120 kW untersucht. Das erste entwickelte Modell ist statio- när, wobei jedoch mehrere Betriebspunkte berück- sichtigt wurden. Ein Kraftstoffstrom absorbiert die gesamte Abwärme des elektrischen Antriebssys- tems und zirkuliert unter der Flügelhaut, um die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu ver- bessern. Das System ist in der Lage, die gesamte Abwärme unter allen Betriebsbedingungen mit Ausnahme des Rollens am Boden abzuführen. Während des Fluges hat das konservativ dimen- sionierte System die Fähigkeit, temporäre Spitzen- belastungen aufzunehmen. Die Studie zeigte, dass Kraftstoff eine geeignete alternative Wärmesenke für Flugzeuge mit großen Abwärmebelastungen ist. Das bestehende Modell wird weiterentwickelt, um die Leistung unter schwierigen Bedingungen, wie beispielsweise beim Rollen, weiter zu unter- suchen und zu optimieren. Hp 50 % Hp 30 % Hp 10 % % 0 1 p H @ m 1 . 6 3 = b Electric fan Geared turbo fan Geared turbo fan Electric fan % 0 5 p H @ m 3 . 3 4 = b L = 37.6 m Der Bauhaus Luft- fahrt Quad Fan verfügt über zwei konventionelle Getriebefantrieb- werke und zwei Elektrofans, um das Bypassverhält- nis zu erhöhen. The Bauhaus Luft- fahrt quad fan has two conventional geared turbofan engines and two ducted electric fans to increase the bypass ratio. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Fuel as Alternative Heat Sink for Future Aircraft Bauhaus Luftfahrt investigates fuel as an alterna- tive heat sink to manage future aircraft’s cooling needs. With the introduction of partial electric pro- pulsion systems, cooling requirements are likely to increase by up to an order of magnitude compared to today’s aircraft. For hybrid concepts, fuel poses an excellent alternative as heat sink compared to traditionally used ram air. It has a higher thermal conductivity, heat capacity, and density. It is stored in wing-integrated tanks, which enables the wings to act as heat exchangers with ambient air, without the addition of a drag increment to the aircraft system. Furthermore, the cooling system mass can be reduced due to shorter transmission distances and more compact components. In a ﬁrst case study, the Bauhaus Luftfahrt quad fan – a short-range, year-2035+, parallel discrete hybrid-electric aircraft concept with a maximum heat load of 120 kW – was investigated. The ﬁrst developed model is stationary, but multiple operat- ing points were considered. A fuel ﬂow absorbs all emitted waste heat from the electric propulsion system and circulates underneath the wing skin to enhance heat transfer to ambient. The system is able to remove the entire waste heat during all operating conditions, except for the taxi case. During ﬂight, the conservatively designed system has the capacity to absorb temporary peak loads. The study showed that fuel is a viable alternative heat sink for aircraft with large waste heat loads. The developed model can be reﬁned to further investigate and optimise performance in challeng- ing conditions, such as the taxi case.

57 Thermodynamisches Modell eines ﬂügelintegrierten Kraftstoffwärmetauschers Abwärme (Qin) wird auf kalten Kraftstoff aus dem Tank übertragen. Der heiße Kraftstoff zirkuliert dann unter der Flügeloberﬂäche, um die Wärmeübertragung an die Umgebung zu verbessern (Qout). Thermodynamic model of wing-integrated fuel heat exchanger Waste heat (Qin) is transferred to cold fuel from the tank. The hot fuel then circulates underneath the wing surface to enhance heat transfer to ambient (Qout). Qin Ta n k Ambient Qout Wall Fuel Insulation Tank + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Leistung des kraftstoffbasierten Kühlsystems Tatsächliche Wärmeübertragungsrate, normiert mit der erforderlichen Wärme- übertragungsrate (Q/Qreq) über dem Kraftstoffﬂuss (wf) für verschiedene maximale Brennstofftemperaturen an verschiedenen Betriebspunkten. Fuel cooling system performance Actual heat transfer to required heat transfer ratio (Q/Qreq) over fuel ﬂow (wf) for different maximum fuel temperatures at different operation points. Take-off 400 K 360 K 320 K ] – [ q e r Q Q / 3 2 1 0 Cruise 400 K 360 K 320 K ] – [ q e r Q Q / 6 4 2 0 ] – [ q e r Q Q / 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 Wf [kg/s] Wf [kg/s] Taxi 400 K 360 K 320 K 2 Wf [kg/s] 3 4 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Fabian Peter Lead Systems and Aircraft Technologies Die Handhabung von Abwärme nimmt eine zentrale Rolle für viele alternative Antriebskonzepte ein. Beispielsweise ist sowohl für Brennstoffzellen als auch Leistungselektronik, sofern sie Teil der primären Antriebsarchitektur sind, die Kühlung eine der größten Herausforderungen für die Integration in Passagierﬂugzeugen. Wärmeströme dieser Größenordnung können sinnvoll nur auf Gesamtﬂugzeugebene bewertet und verarbeitet werden. Innovative Ansätze für die synergetische Einbe- ziehung von Flugzeugkomponenten wie Strukturelementen und weiteren Subsystemen in ein Kühlkonzept können entscheidend für die erfolgreiche Integration alternativer Antriebe sein. The handling of waste heat plays a central role in many alternative propulsion concepts. For example, for both fuel cells and power electronics, if they are part of the primary propulsion architecture, cooling is one of the biggest challenges for integration in passenger aircraft. Heat ﬂows of this magnitude can only be reliably evaluated and processed at the overall aircraft level. Innovative approaches for the synergetic integration of aircraft components, such as structural elements and other subsystems, into a cooling concept can be crucial for the successful integration of alternative propulsion systems.

58 systems & aircraft technologies Eine vereinheitlichte Bewertung von Konzepten mit Grenz- schichteinsaugung In den vergangenen Jahren haben Flugzeugkon- zepte an Aufmerksamkeit gewonnen, die mithilfe des „Wake ﬁlling“-Prinzips aus dem bisher unge- nutzten Potenzial schöpfen, das sich durch eine stärkere Integration des Antriebssystems in die Gesamtkonﬁguration ergibt. Diesen Konzepten mit grenzschichteinsaugenden Antrieben ist ein besonders hoher Kopplungsgrad zwischen Aero- dynamik- und Antriebscharakteristiken zu eigen. Klassische Vereinfachungen in der systemischen Bewertung von Antrieben in Gondelanordnung werden somit ungültig. In der Vergangenheit wur- den daher für unterschiedliche Konﬁgurationen speziﬁsche Methoden entwickelt, um den Vorteil von Grenzschichteinsaugung zu quantiﬁzieren. Die meisten dieser Methoden können nicht ohne Weiteres auf andere Konzepte und auf die ver- schiedenen Phasen des Flugzeugvorentwurfes angewandt werden. Unter diesen Gesichtspunkten und dem fortschreitenden Detaillierungsgrad des „Propulsive Fuselage Concept“ wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojektes CENTRELINE eine Übersicht existierender Bewertungsmethoden erarbeitet. Darauf aufbauend wurde ein Bewer- tungsansatz entwickelt, der für die konzeptionelle Bewertung der Eigenschaften unkonventioneller Konﬁgurationen mit einer starken Kopplung zwischen Antriebssystem und Flugzeugaerodynamik universell anwendbar ist. Der Ansatz basiert auf integraler Impulserhaltung in einem Nahfeld- Kontrollvolumen. Die Methode ist mit Standard- Flugzeug- und Antriebssystemauslegungsmethoden kompatibel und kann unter bestimmten Annahmen auf Berechnungsmethoden unterschiedlich hoher Genauigkeit, wie zum Beispiel semiempirische Methoden, numerische (CFD) oder experimentelle Methoden, angewandt werden. Darstellung des CENTRELINE- Konzeptes Artist’s view of the CENTRELINE concept. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 723242. A Uniﬁed Bookkeeping Approach for Boundary Layer Ingestion Concepts Targeting the exploitation of thus far unused vehi- cular efﬁciency beneﬁts, aircraft concepts with a closely coupled propulsion-airframe integration, such as boundary layer ingestion (BLI) conﬁgura- tions, have gained much attention in the recent past. These concepts feature a closely integrated propulsion system and therefore exhibit a high level of coupling between airframe aerodynamics and propulsion system characteristics. Their perfor- mance assessment cannot be based on an existing bookkeeping scheme for a conventional aircraft with separated airframe and propulsion system. A number of bookkeeping approaches can be found in literature that address this issue in various ways for speciﬁc conﬁgurations and particular purposes. Most are not easily applicable to other concepts or to all phases of conceptual design. The increasingly detailed investigation of a Propulsive Fuselage Concept in the on-going project CENTRELINE drove the need for a uniﬁed bookkeeping scheme. An approach was developed that is able to integrate results from numerical optimisation as well as experimental assessment in an integrated sizing and optimisation process, being able to consider all closely coupled aerodynamic effects of BLI. The bookkeeping scheme follows an integral momentum conservation approach in a near ﬁeld control vol- ume. It is universally applicable to coupled air- frame-propulsion aircraft concepts, compatible with standard aircraft and propulsion system sizing methods, and under certain assumptions deployable for low- and high-ﬁdelity evaluation methods, such as semi-empirical methods as well as computa- tional ﬂuid dynamics or physical testing results.

59 Nahfeld-Kontrollvolumen-Ansatz Der entwickelte Ansatz sieht ein Gesamtkontrollvolumen bestehend aus fünf aneinandergrenzenden Kontrollvolumen vor. So können alle benötigten Parameter mithilfe der Impulserhaltung berechnet werden. CV1 CV3 0 CV0 CV2 CV5 Boundary layer profile Control volume boundary Propulsions system streamtube contour Fuselage boundary layer thickness CV4 1 2 13 18 Thermodynamic stations Near ﬁeld control volume approach The proposed bookkeeping scheme consists of an overall control volume, which is subdivided into ﬁve interfacing control volumes. Thus, all parameters of interest can be calculated with a momentum conservation approach. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Klassiﬁzierung der existierenden Bewertungsmethoden Die existierenden Bewertungsmethoden werden nach zugrunde liegenden Erhaltungsgrößen, Kontrollvolumen sowie dem Integrationsgrad des Antriebssystems klassiﬁziert. Differential methods Integral control volume methods Force (momentum) Kinetic (mechanical) energy Exergy Far field Near field Power balance Exergy balance Isolated/uninstalled propulsion system Installed propulsion system + Thermal energy Classiﬁcation of existing bookkeeping methods Existing bookkeeping methods are classiﬁed by conserved quantity (momentum, energy, exergy), control volume, as well as by the degree of the propulsion system integration.

60 facts & ﬁgures Finances Personnel Patents Publications + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + 61 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Lectures + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Media + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

62 facts & ﬁgures Finanzen Finances Im Geschäftsjahr 2018 sind die Erträge des Bauhaus Luft- fahrt unter Berücksichtigung der Bestandsveränderungen für unfertige Leistungen um 13,9 % auf 5,1 Millionen EUR angestiegen. Der Anstieg ist unter anderem auf die Aufträge mit den Industriepartnern zurückzuführen. Diese sind deut- lich um 349.000 EUR (+ 36,3 %) angewachsen. Auch die Drittmitteleinnahmen haben sich im Jahr 2018 wesentlich um 395.000 EUR (+ 34,3 %) erhöht. Die Steigerung der Drittmitteleinnahmen ist im Wesentlichen auf die beiden im Vorjahr gestarteten EU-Projekte zurückzuführen. Für das Jahr 2019 erwartet das Bauhaus Luftfahrt einen weiteren deutlichen Anstieg bei den Aufträgen mit den Industriepartnern. Die Drittmitteleinnahmen werden voraus- sichtlich auf dem Vorjahresniveau bleiben. + + + + + + + + + + + + + + + In the ﬁscal year 2018, earnings of Bauhaus Luftfahrt increased by 13.9 % to 5.1 million euros, taking into account the changes in inventories of work in progress. The increase is attributable to the revenues from industrial partners. These grew by 349,000 euros (+ 36.3 %), compared to the previous year. Funding from third-party projects rose as well signiﬁcantly by 395,000 euros (+ 34.3 %). The increase in revenues mainly results from two new EU projects that have started in the previous year. For the year 2019, Bauhaus Luftfahrt further expects a distinct increase in revenues from industrial partners. Funding from third-party projects will probably stay at the previous year’s level. € 5,500,000 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 2016 2017 2018 Forschungsaufträge Industrie Industry research contracts Drittmittelförderprojekte national/EU Third-party-funded projects national/EU Mitgliedsbeiträge Membership fees Zuschüsse Freistaat Bayern/Spenden Grants from the Free State of Bavaria/donations

63 Personal Personnel Der Personalbestand des Jahres 2018 stellt sich im Ver- gleich zu den Vorjahren mit rund 50 Mitarbeitern konstant dar. Zum Jahresende waren am Bauhaus Luftfahrt 36 Wissenschaftler beschäftigt, davon 17 mit einer abge- schlossenen Promotion. Drei Wissenschaftler, wovon zwei inzwischen aus dem Bauhaus Luftfahrt ausgeschieden sind, konnten im Jahr 2018 erfolgreich ihre Promotion abschließen. Eine weitere wurde bereits eingereicht. Der Anteil der Wissenschaftlerinnen am Bauhaus Luftfahrt betrug im Jahr 2018 25 %. Die Anzahl der Studenten war auf Planniveau. Im Jahresverlauf waren 27 Studenten und zwei Stipendiaten aus 13 Nationen als wissenschaftliche Hilfskräfte, Praktikanten oder zur Erstellung ihrer Studien- arbeit am Bauhaus Luftfahrt tätig. Insgesamt beschäftigte das Bauhaus Luftfahrt Mitarbeiter aus 17 Nationen. Zum 30. September 2018 ist der Vorstand Finanzen und Organisation ausgeschieden. Mitarbeiter aus dem Bereich Finanzen und Recht & Personal haben die Aufgaben über- nommen. Für das Jahr 2019 plant das Bauhaus Luftfahrt weitere Einstellungen von wissenschaftlichen Nachwuchskräften. Durch Teilnahme an Recruitingmessen und Austauschpro- grammen versucht das Bauhaus Luftfahrt, als möglicher Arbeitgeber oder auch als Ideengeber für die Anfertigung von Abschlussarbeiten sichtbar zu bleiben. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Compared to previous years, the number of employees in 2018 remained constant at around 50. At the end of the year, Bauhaus Luftfahrt employed 36 scientists, 17 of whom had completed their doctorates. Three scientists, two of whom have since left Bauhaus Luftfahrt, success- fully completed their doctorates in 2018. Another has already been submitted. The proportion of female scientists at Bauhaus Luftfahrt was 25 % in 2018. The number of students was on target. In the course of the year, 27 students and two scholarship holders from 13 nations worked as scientiﬁc assistants, interns, or to write their theses at Bauhaus Luftfahrt. In total, Bauhaus Luftfahrt employed people from 17 nations. As of September 30th, 2018, the Executive Director Finance and Organisation retired. Employees from the Finance and Legal & Human Resources departments took over the tasks. Bauhaus Luftfahrt plans to recruit more junior scientists in 2019. By participating in recruiting fairs and exchange programmes, Bauhaus Luftfahrt seeks to remain visible as a potential employer or as a source of ideas for the preparation of theses. Mitarbeiter (am Jahresende) Employees (end of the year) Executives Scientists Administration Students Munich Aerospace scholarship holders 2016 2 31 14 9 3 2017 2 36 14 10 3 2018 1 36 13 9 1

64 facts & ﬁgures Zeitschriftenbeiträge Journal Contributions 01.12.2018 Solar Energy | Vol. 176, pp. 230–240, DOI 10.1016/j.solener.2018.10.042 Energy analysis of solar thermochemical fuel production pathway with a focus on waste heat recuperation and vacuum generation Autoren/authors: C. Falter, R. Pitz-Paal 18.10.2018 01.08.2018 27.07.2018 10.07.2018 01.06.2018 29.03.2018 05.03.2018 05.01.2018 Zeitschrift für Verkehrswissenschaft | Vol. 89, No. 1, pp. 68–95 On-Street vs. Off-Street Parking: An Urban Economic Analysis Autoren/authors: A. Straubinger, S. Tscharaktschiew, G. Hirte Journal of Air Transport Management | Vol. 71, pp. 175–192, DOI 10.1016/j.jairtraman.2018.04.005 Airline categorisation by applying the business model canvas and clustering algorithms Autoren/authors: M. Urban, M. Klemm, K. Ploetner, M. Hornung Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering | Vol. 232, No. 14, pp. 2688–2712, DOI 10.1177/0954410018790141 Conceptual study of a mechanically integrated parallel hybrid electric turbofan Autoren/authors: A. Seitz, M. Nickl, A. Stroh, P. Vratny IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine | pp. 10, DOI 10.3929/ethz-b-000274798 Demand estimation for aerial vehicles in urban settings Autoren/authors: M. Balac, A. Vetrella, R. Rothfeld, B. Schmid The Aeronautical Journal | Vol. 122, No. 1252, pp. 869–888, DOI 10.1017/aer.2018.46 Investigations of the synergy of Composite Cycle and intercooled recuperation Autoren/authors: S. Kaiser, M. Nickl, C. Salpingidou, Z. Vlahostergios, S. Donnerhack, H. Klingels Environmental Science & Technology | Vol. 52, No. 9, pp. 5490–5498, DOI 10.1021/acs.est.7b05545 Modeling Microalgae Productivity in Industrial-Scale Vertical Flat Panel Photobioreactors Autoren/authors: C. Endres, A. Roth, T. Brueck Applied Thermal Engineering | Vol. 132, pp. 613–623, DOI 10.1016/j.applthermaleng.2017.12.087 Modeling counter-ﬂow particle heat exchangers for two-step solar thermochemical syngas production Autoren/authors: C. Falter, R. Pitz-Paal Chemie Ingenieur Technik | Vol. 90, No. 1–2, pp. 127–140, DOI 10.1002/cite.201700129 Power-to-Liquids as Renewable Fuel Option for Aviation: A Review Autoren/authors: P. Schmidt, V. Batteiger, A. Roth, W. Weindorf, T. Raksha

66 facts & ﬁgures Konferenzbeiträge Conference Contributions 10.10.2018 01.10.2018 27.09.2018 19.09.2018 11.09.2018 09.09.2018 09.09.2018 09.09.2018 09.09.2018 09.09.2018 Ökobilanzwerkstatt 2018 | Osnabrück Sustainable fuel production through hydrothermal liquefaction of various types of feedstock Autoren/authors: C. Penke, B. Portner The 6th International Conference on Enterprise Systems | Limassol Extracting and Modelling Knowledge about Aviation for Multilingual Semantic Applications in Industry 4.0 Autoren/authors: J. Lehmann, A. Heussner, M. Shamiyeh, S. Ziemer 3D-Mobilität | Stuttgart Urban Air Mobility – Trends & Challenges Autor/author: J. Kaiser 4. HTP-Fachforum „Hydrothermale Prozesse zur stofﬂichen und energetischen Wertschöpfung“ | Leipzig HTL-based liquid fuel production: First results from the European collaborative project HyFlexFuel Autoren/authors: A. Roth, K. Anastasakis, P. Biller, I. Johannsen, D. Castello, L. Rosendahl, F. Velghe 22nd International Forum on Advanced Microsystems for Automotive Applications | Berlin Urban Air Mobility – Trends & Challenges Autor/author: J. Kaiser 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte Design and Off-Design Performance of Electric System Architectures for Electric Powered Aircraft Autoren/authors: P. Vratny, F. Troeltsch, J. Bijewitz, J. Kaiser, M. Hornung 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte A Performance Benchmark of Recent Personal Air Vehicle Concepts for Urban Air Mobility Autoren/authors: M. Shamiyeh, R. Rothfeld, M. Hornung 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte A Framework for Unconventional Landing Gear Conﬁguration Modelling Autoren/authors: U. Kling, T. Bruegge, F. Peter, M. Hornung 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte A Composite Cycle Engine Concept for Year 2050 Autoren/authors: S. Kaiser, H. Kellermann, M. Nickl, A. Seitz 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte Evaluation of the Potential Impacts of Hybrid Electric Aircraft on the Global Air Transportation Network Autoren/authors: G. Tay, S. Gillen, R. Rothfeld, M. Hornung

67 Konferenzbeiträge Conference Contributions 09.09.2018 09.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 04.09.2018 24.07.2018 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte Concept Validation Study for Fuselage Wake-Filling Propulsion Integration Autoren/authors: A. Seitz, F. Peter, J. Bijewitz, A. Habermann, Z. Goraj, M. Kowalski, A. Castillo Pardo, C. Hall, F. Meller, R. Merkler, O. Petit, S. Samuelsson, B. Della Corte, M. van Sluis, G. Wortmann, M. Dietz 31st International Congress of the Aeronautical Sciences | Belo Horizonte Strategy and Implementation of a Parametric CAD Model for R2035 Aircraft Structure and External Conﬁguration Autoren/authors: Z. Goraj, B. Goliszek, M. Kowalski, A. Seitz, F. Peter, F. Meller Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Impact of Electric Taxiing on Hybrid Electric Aircraft Sizing Autoren/authors: P. Vratny, U. Kling Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Methods Evaluating the Impact of Structural Health Monitoring on Aircraft Lifecycle Cost Autoren/authors: D. Steinweg, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Performance Bookkeeping for Aircraft Conﬁguration with Fuselage Wake-Filling Propulsion Integration Autoren/authors: A. Habermann, J. Bijewitz, A. Seitz, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Landing Gear Assessment Methodology in the AVACON Project Autoren/authors: U. Kling, F. Peter, M. Hornung, R. Springmann, F. Thielecke Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Assessment of Fuel as Alternative Heat Sink for Future Aircraft Autoren/authors: H. Kellermann, A. Habermann, P. Vratny, M. Hornung Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen Urban Air Mobility – Trends & Challenges Autor/author: J. Kaiser Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2018 | Friedrichshafen LHD Target Conﬁgurations Autoren/authors: D. Reckzeh, B. Nagel, J. Kaiser, M. Hornung, C. Rossow, M. Hepperle GCEG 2018 | Cologne A regional perspective on jet fuel production – a ﬁrst exploration Autor/author: A. Habersetzer

68 facts & ﬁgures Konferenzbeiträge Conference Contributions 09.07.2018 03.07.2018 02.07.2018 26.06.2018 25.06.2018 25.06.2018 25.06.2018 25.06.2018 25.06.2018 23.06.2018 AIAA Propulsion and Energy Forum and Exposition 2018 | Cincinnati Power Plant Pre-Design Exploration for a Turbo-Electric Propulsive Fuselage Concept Autoren/authors: J. Bijewitz, A. Seitz, M. Hornung Fourth European Conference of the PHM Society | Utrecht ROC-based Business Case Analysis for Predictive Maintenance – Applications in Aircraft Engine Monitoring Autorin/author: L. Koops 22nd ATRS World Conference | Seoul Current experience of corporate air passengers and future developments of business travel: an explorative study Autoren/authors: U. Kluge, A. Paul, V. Gissibl European Test and Telemetry Conference | Nuremberg Progress and Future Perspectives in Airborne Communication Networking Autor/author: K.-D. Buechter AIAA AVIATION 2018 | Atlanta Fulﬁlling long-term emission reduction goals in aviation by alternative fuel options: An evolutionary approach Autoren/authors: K. Ploetner, M. Urban, A. Habersetzer, A. Roth, G. Tay AIAA AVIATION 2018 | Atlanta Agent-based Simulation of Urban Air Mobility Autoren/authors: R. Rothfeld, M. Balac, K. Ploetner, C. Antoniou AIAA AVIATION 2018 | Atlanta Initial Analysis of Urban Air Mobility‘s Transport Performance in Sioux Falls Autoren/authors: R. Rothfeld, M. Balac, K. Ploetner, C. Antoniou AIAA AVIATION 2018 | Atlanta Integrated Modeling of Dynamic Airline Behavior in the Air Transport System Autoren/authors: M. Urban, K. Ploetner, M. Hornung 2018 ITEA Annual Conference and School on Transportation Economics | Hong Kong Options for a Welfare Analysis of Urban Air Mobility Autoren/authors: A. Straubinger, E. Verhoef, K. Ploetner MATSim User Meeting 2018 | Atlanta Agent-based Simulation of Urban Air Mobility Autoren/authors: R. Rothfeld, M. Balac, K. Ploetner, C. Antoniou

69 Konferenzbeiträge Conference Contributions 21.06.2018 20.06.2018 13.06.2018 13.06.2018 16.04.2018 16.04.2018 16.04.2018 08.01.2018 G.A.R.S. 15th Aviation Student Research Workshop | Bremen Requisites to realize future prospects of structural health monitoring in commercial aviation Autoren/authors: D. Steinweg, M. Hornung DGSD Annual Meeting 2018 | Stuttgart Hybrid model of dynamic airline behaviour in the air transport system Autorin/author: M. Urban mobil.TUM 2018 | Munich Policies Addressing Possible Urban Air Mobility Market Distortions – a First Discussion Autorin/author: A. Straubinger mobil.TUM 2018 | Munich Modelling and evaluating urban air mobility – an early research approach Autoren/authors: R. Rothfeld, M. Balac, C. Antoniou Transport Research Arena 2018 | Vienna Proﬁling Future Air Transport Passengers in Europe Autoren/authors: U. Kluge, A. Paul, H. Ureta, K. Ploetner Transport Research Arena 2018 | Vienna Identiﬁcation of Relevant Aspects for Personal Air Transport System Integration in Urban Mobility Modelling Autoren/authors: A. Straubinger, R. Rothfeld Transport Research Arena 2018 | Vienna Advancements in passenger processes at airports – An aircraft perspective Autoren/authors: M. Schultz, M. Schmidt 2018 AIAA Science and Technology Forum and Exposition | Kissimmee Extended Design Studies for a Mechanically Driven Propulsive Fuselage Aircraft Concept Autoren/authors: J. Bijewitz, A. Seitz, M. Hornung

70 facts & ﬁgures Technische Berichte Technical Reports 06.09.2018 23.04.2018 22.01.2018 Deliverable 2.1 | CAMERA, pp. 57, Grant Agreement No. 769606 Establishment of Performance Framework Autoren/authors: A. Paul, U. Kluge, A. Cook, G. Tanner, G. Gurtner, L. Delgado, S. Cristobal, D. Valput, P. López-Catalá, I. Gomez, P. Hullah, M. Biscotto Deliverable 2.01 | CENTRELINE, pp. 21, Grant Agreement No. 723242 Deﬁnition of Multidisciplinary Interfacing Strategy Autor/author: M. Shamiyeh Deliverable 2.3 | Mobility4EU, pp. 157, Grant Agreement No. 690732 Novel and Innovative Mobility Concepts and Solutions Autoren/authors: Various authors

71 Abschlussarbeiten Theses 06.12.2018 09.11.2018 04.06.2018 04.06.2018 31.05.2018 29.05.2018 20.04.2018 12.03.2018 07.03.2018 22.02.2018 Master Thesis | RWTH Aachen University Development of a Method to Predict Rotor Noise in Conceptual Design of Electric Aircraft for Urban Air Mobility Autor/author: M. Luedemann Master Thesis | Technical University of Munich Identifying the Factors Affecting the Use and Adoption of Urban Air Mobility Autorin/author: C. Al Haddad Master Thesis | Technical University of Munich Exploring Preferences for Transportation Modes in an Urban Air Mobility Environment: a Munich Case Study Autorin/author: M. Fu Dissertation | TU Dresden European Hub Airports – Assessment of Constraints for Market Power in the Local Catchment and on the Transfer Market Autorin/author: A. Paul Master Thesis | Technical University of Munich Historical Data Analysis of Global Airlines‘ Business Model Evolution Autor/author: M. Harnischfeger Master Thesis | Technical University of Munich A GIS-based Analysis for Selecting Ground Infrastructure Locations for Urban Air Mobility Autor/author: D. Fadhil Master Thesis | Technical University of Munich Model- and interview-based characterisation of strategic airport-airline relationships Autorin/author: S. Roettinger Master Thesis | Technical University of Munich Comparison of Global Market-Based Measures to Mitigate Growth-Related Aviation Carbon Emissions Autor/author: F. Madl Bachelor Thesis | Technical University of Munich Quantiﬁcation of Current and Future Transportation Systems for Urban Mobility Autor/author: J. Schmid Dissertation | Technical University of Munich Ground-Operational Assessment of Novel Aircraft Cabin Conﬁgurations Autor/author: M. Schmidt

74 facts & ﬁgures Expertenvorträge (ohne Konferenzen) Expert lectures (without conferences) Nationale Expertenvorträge (ohne Konferenzen) National expert lectures (without conferences) Internationale Expertenvorträge (ohne Konferenzen) International expert lectures (without conferences) 2016 2017 2018 Impressum Imprint 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Bauhaus-Luftfahrt-Jahrbuch 2018 Herausgeber /Publisher Bauhaus Luftfahrt e. V. Willy-Messerschmitt-Str. 1, 82024 Taufkirchen www.bauhaus-luftfahrt.net Redaktion /Editor Florian Riegel Autoren /Authors Julian Bijewitz Dr. Kai-Daniel Büchter Dr. Doris Empl Dr. Christoph Falter Anaïs Habermann Dr. Antoine Habersetzer Dr. Alexander Heußner Prof. Dr. Mirko Hornung Moritz Höser Dr. Jochen Kaiser Hagen Kellermann Dr. Lily Koops Dr. Holger Kuhn Ivana Matkovic Dr. Annika Paul Fabian Peter Patrycja Plochowitz Dr. Kay Plötner Florian Riegel Dr. Arne Roth Raoul Rothfeld Dr. Arne Seitz Michael Shamiyeh Dr. Andreas Sizmann Marcia Urban Bildnachweise /Picture credits Titelseite: istock (Photitos2016), DyhrGrieshaber, S. 4: S. Ramadier, S. 6: Jan Greune, S. 10/11: Alpensektor (Jürgen Dannenberg), Holger Gross, S. 14/15: istock (Photitos2016), DyhrGrieshaber, S. 17: Jan Greune, S. 18/19: Bauhaus Luftfahrt e. V., Pexels (Fancycrave.com), S 20: Adobe Stock (NicoElNino) S. 21: Jan Greune, S. 22/23: Jan Greune, Adobe Stock (sittinan), S. 24: Adobe Stock (sittinan), S. 26/27: Adobe Stock (jo.weber), istock (Kerrick, lucentius), Jan Greune, S. 28: Jan Greune, Adobe Stock (Oleksii Sergieiev), S. 30/31: Adobe Stock (Trueffelpix, pavlodargmxnet), S. 32: Adobe Stock (Oleksii Sergieiev), S. 34: Jan Greune, S. 37: Mobility4EU, S. 39: Jan Greune, S. 40: Jan Greune, S. 42/43: Adobe Stock (Daniel Vedamuthu), Jan Greune, S. 46: Aarhus University, S. 48: Jan Greune, S. 51: Jan Greune, S. 53: Jan Greune, S. 54: Jan Greune, Bauhaus Luftfahrt e. V, S. 56/57: Bauhaus Luftfahrt e. V, Jan Greune, S. 58: Bauhaus Luftfahrt e. V., S. 60: Jan Greune, istockphoto (Sean_Kuma) Konzept, Layout, Graﬁken /Concept, layout, graphics Jutta Dyhr Gerd Grieshaber GbR, Neufahrn, www.dyhrgrieshaber.de Druck /Print G. Peschke Druckerei GmbH, Parsdorf Auﬂage /Circulation 700 Exemplare/700 copies Aus Gründen der Lesefreundlichkeit verzichten wir auf die explizite Nennung der weiblichen Form. Wenn zum Beispiel von Mitarbeitern die Rede ist, sind selbstverständlich auch die Mitarbeiterinnen gemeint.