Auslegung, Optimierung und Technologiebewertung von ultraleichten Verbundstrukturen mit integrierter elektrischer Speicherfunktion; als Teilprojekt des Verbundvorhabens: Entwicklung und Erprobung ultraleichter Verbundstrukturen mit integrierter elektrischer Speicherfunktion (ElViS)

Abstract

Der Leichtbau spielt bei der Entwicklung elektrisch betriebener Luftfahrzeuge eine zentrale Rolle, da heutige Energiespeichersysteme ein hohes Zusatzgewicht verursachen und damit Reichweite, Nutzlast sowie die Gewichtsverteilung – insbesondere bei kleinen Luftfahrzeugen wie Drohnen – stark einschränken. Ein wesentlicher Ansatz zur Überwindung dieser Herausforderungen liegt neben der Erhöhung der gravimetrischen Energiedichte von Batterien in der gezielten Multifunktionalisierung von Bauteilen. Das Forschungsprojekt ElViS verfolgte diesen Ansatz, indem mechanisch belastbare Verbundstrukturen mit integrierter elektrischer Speicherfunktion entwickelt und für den Einsatz in der Luftfahrt bewertet werden. Hierbei wurden konventionelle, nicht lasttragende Speichermaterialien durch strukturell wirksame Werkstoffe ersetzt, z.B. durch modifizierte Fasern, die sowohl Trag- als auch Speicherfunktionen übernehmen. In ElViS übernahm die HTWK Leipzig die Forschungs-Aufgaben der theoretischen und numerischen Auslegung, der Strukturbewertung sowie der Optimierung lasttragender Energiespeichersysteme. Auf Basis experimenteller Ergebnisse wurden gekoppelte Modelle entwickelt, die das mechanisch-elektrochemische Verhalten der neuartigen Materialien beschreiben. Es wurden umfangreiche numerische Analysen unter realen Belastungsbedingungen durch, um Optimierungspotenziale abzuleiten. Dar-über hinaus war die HTWK an der virtuellen Auslegung und strukturellen Bewertung von Energiespeicherkomponenten beteiligt. Die entwickelten Modelle wurden experimentell validiert und bildeten schließlich die Grundlage für Konstruktionsrichtlinien und einer Roadmap zur industriellen Verwertung. Damit leistete die HTWK einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung innovativer, multifunktionaler Leichtbaustrukturen mit integrierter Energiespeicherfunktion.