Antennen: Forschung für mehr Sicherheit in der Luftfahrt

Antennen in Flugzeugen müssen unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Damit sie das tun, stellen Forscher Messungen in reflexionsarmen Räumen an – und werfen hier und da sogar einen Blick in die Natur.

© Wolfram Schroll

Ohne Funkwellen ginge an Bord von Flugzeugen nichts: Sprechfunk, boden- und satellitengestützte Navigation, Wetterradar, Transponder, Kollisionswarnsysteme, Online-Verbindung und nicht zuletzt das WLAN an Bord – jede Menge Daten werden drahtlos aus dem und ins Flugzeug übertragen. Dies geschieht in mehreren Kilometern über dem Erdboden bei Geschwindigkeiten knapp unter der Schallmauer unter lebensfeindlichen Temperaturen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Antennen, die in allen erdenklichen Flugzuständen und unter extremen Umweltbedingungen – etwa bei einem Gewitter in der Nähe – zuverlässig und frei von elektromagnetischen Störungen funktionieren müssen.


Antennenexperimente ohne Umwelteinflüsse

Für unser ARTS-Kalenderblatt im Januar erhielt Fotograf Wolfram Schroll Zugang zu einem ganz besonderen Ort: Er war zu Gast in einem reflexionsarmen Raum, in dem Ingenieure der Airbus Group Innovations verschiedene Konfigurationen von Antennen an und in Flugzeugen erforschen. Weithin bekannt sind solche Räume vor allem als Orte der Stille. Die mit absorbierenden Materialien verkleideten Wände schlucken den Schall, was präzise akustische Messungen ermöglicht. Je nach Beschaffenheit des verwendeten Absorbermaterials lassen sich in solchen Räumen aber auch Reflexionen von Funkfrequenzen ausschalten. In diesem Fall sprechen Fachleute von der „radar anechoic chamber“. Egal ob Schall oder Funkwellen: Simuliert wird ein in der Theorie unendlich großer Raum ohne Störungen.


Verschiedene Antennen an einem Kleinflugzeug

Schon bei einem Kleinflugzeug sind einige Antennen für verschiedene Funktionen verbaut - © Wolfram Schroll 


Die Airbus Group Innovations versteht sich als zentrale Forschungs- und Technologieeinrichtung innerhalb des größten europäischen Luftfahrtkonzerns. In diesem Umfeld werden innovative Technologien für die zivilen und militärischen Airbus-Geschäftsbereiche entwickelt – unter anderem geht es auch um Antennen.

Den Ingenieuren der Airbus Group Innovations bietet so ein Raum frei von jeglichen Störungen die perfekte Arbeitsumgebung, wenn es darum geht, das Verhalten von Materialien, Strukturen und Antennen detailliert zu simulieren. Ein Ziel ist es, die Positionierung und Beschaffenheit von Antennen an und in Flugzeugen weiter zu optimieren. Dazu werden verschiedene Antennen-Installationen an maßstabsgetreu verkleinerten Flugzeugmodellen installiert und vermessen. Auch Simulationen im Computer gehören dazu, basierend auf fortgeschrittenen Algorithmen. Nicht zuletzt geht es auch um die Störsicherheit von elektronischen Geräten. Ein weiteres Forschungsgebiet sind auch Radaranwendungen und die Stealth-Technologie zur Tarnung auf dem Radarschirm.



Verschiedene Antennen an einem Kleinflugzeug

Schon bei einem Kleinflugzeug sind einige Antennen für verschiedene Funktionen verbaut - © Frank Murmann [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons


Radarforschung am Fraunhofer-Institut

Auch in Wachtberg bei Bonn stehen Funkwellen im Zentrum der Forschungen. Dort ist das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR beheimatet – die „Radarkugel“ zwischen Bonn und Eifel ist ein markantes Wahrzeichen der Region. Mit rund 280 Mitarbeitern gilt die Einrichtung als eines der größten Radarforschungsinstitute in Europa. „Das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR entwickelt Konzepte, Verfahren und Systeme für elektromagnetische Sensorik, insbesondere im Bereich Radar, verbunden mit neuartigen Methoden der Signalverarbeitung und innovativen Technologien vom Mikrowellen- bis zum unteren Terrahertzbereich“, erklärt das Institut auf seiner Website.


Handy-Antennen funktionieren anders

Wirft man einen Blick über den Tellerrand der Luftfahrt hinaus, findet man auch einen komplett anderen Ansatz der Antennenforschung: So genannte Modenverwirbelungskammern sind das Gegenteil der hier vorgestellten echofreien Kammern. Funkwellen werden darin absichtlich gestreut und reflektiert, um das Verhalten von Mobiltelefonen unter realistischen Bedingungen zu simulieren. Stehende Wellen und Störungen sind ausdrücklich erwünscht; die Wände bestehen also nicht aus Absorbermaterialien, sondern aus Metall. Wesentlicher Grund für diesen Forschungsansatz sind die besonderen Anforderungen an Mobilfunkantennen, bei denen es in erste Linie auf Energie-Effizienz ankommt.


Beispiel einer Modenverwirbelungskammer

Modenverwirbelungskammer mit einem Motorrad als Testobjekt - © Dr. Hans Georg Krauthäuser [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons


Inspiriert von der Natur

Spannend ist auch ein Blick ins Tierreich – wie so oft stand die Natur auch bei den Antennen Pate. Zugvögel nutzen das Magnetfeld der Erde zur Orientierung.

Delfine verständigen und orientieren sich unter der Wasseroberfläche mit Hilfe von Ultraschallwellen, unbeeindruckt von Reflexionen. Einige Fischarten erzeugen elektrische Impulse, um sich zurechtzufinden. Diese und weitere Techniken haben sich so gut bewährt, dass der Mensch sie mehr oder weniger gekonnt nachahmt. Dieser Artikel von Planet Wissen gibt Einen lesenswerten Einblick, wie Forscher versuchen, von der Natur zu lernen. Der Kreis schließt sich bei den reflexionsarmen Räumen. Wie eingangs erwähnt, eignen sie sich nicht nur für die Erforschung von Antennen und Radarsystemen, sondern werden auch für akustische Messungen genutzt – und sind damit relevant, wenn es um den Lärmschutz geht.

 Ultraschallwellen zur Orientierung bei Delfinen

Delfine verständigen und orientieren sich über Ultraschallwellen und deren Reflexionen an anderen Tieren oder Gegenständen

Lärmschutz: Messungen der anderen Art

Lärmschutz ist ein zentrales Thema in der Luftfahrt, das wir mit dem Kalenderblatt im September näher betrachten werden. So viel vorweg: Die Prognosen sind sich einig darin, dass der Luftverkehr in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen wird. Allein im Jahr 2016 meldete die International Air Transport Association (IATA) ein überdurchschnittliches Wachstum des Passagierverkehrs um 6,3 Prozent. Auch wenn der Transport von mehr Passagieren durch den Einsatz von Großraumflugzeugen nicht zwingend eine Erhöhung der absoluten Flugbewegungen bedeuten muss, ist die Luftfahrtbranche bestrebt, künftig noch leiser zu werden. Gerade in dicht besiedelten Gebieten ist das Verhältnis zwischen Anwohnern und benachbarten Flughäfen und Verkehrslandeplätzen der Allgemeinen Luftfahrt nicht immer das Beste.

In der kommerziellen Luftfahrt gibt es verschiedene Ansätze im Kampf gegen die Geräuschemissionen. Einen gewichtigen Beitrag leisten die Triebwerkshersteller, deren Antriebe immer leiser und effizienter werden. Seitens der Flugsicherung werden Anflugverfahren optimiert. Und es gibt Ansätze auf lokaler Ebene. So ist am Flughafen Zürich eine Schallschutzhalle in Betrieb gegangen, in der Triebwerke am Boden zu Wartungszwecken unter Volllast laufen dürfen, ohne dass Anwohner davon gestört werden.

Auch die Allgemeine Luftfahrt macht sich stark gegen Lärm. Ein positives Beispiel für leises Fliegen sind Ultraleichtflugzeuge: Für sie gelten besonders strenge Limits, die im Zuge der Musterzulassung erflogen werden müssen. Auch bei den zertifizierten Ein- und Zweimots gibt es technische Wege, die den Lärm wirksam bekämpfen. Der Schlüssel liegt in effektiven Auspuffsystemen und modernen Propellern. Oft, wenn auch nicht immer, lassen sich so auch ältere Muster auf den neuesten Stand bringen. Flugzeuge, die die Vorgaben nicht erfüllen, werden zumindest hierzulande mit Auflagen bei Starts und Landungen sowie erhöhten Gebühren abgestraft. Wenn künftig immer mehr Hybrid- und Elektroflugzeuge unterwegs sein werden, könnte das Thema Lärm in gar nicht allzu ferner Zukunft ohnehin entschärft sein.


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