Technik Orgeln der Lüfte

Mit Schalldämpfern, Hohlräumen, Lautsprechern und Keramikplatten versuchen Ingenieure, Flugzeuge leiser zu machen

Wenn Fredi Holste von seiner Mission erzählt, hebt seine flache Hand vom Schreibtisch ab wie ein startendes Flugzeug. Die andere Hand deutet einen Kreis auf dem Schreibtisch an. Sie zeigt jenen Abstand von der Startbahn an, wo der Krach so laut wird wie ein Güterzug. Holstes Aufgabe ist es, den Flugzeuglärm zu dämpfen, sodass der meiste Krach auf die Startbahn beschränkt bleibt. „Wir kämpfen um jedes Dezibel“, sagt der blonde Holsteiner. Als Chefingenieur von Rolls-Royce Deutschland soll er die leisesten Triebwerke der Welt bauen.

An leiseren Flugzeugen hat Holste durchaus auch ein persönliches Interesse. Denn sein Büro liegt am Rand einer geplanten Einflugschneise, zwanzig Kilometer südlich von Berlin, in der Nähe des Flughafens Schönefeld. Hier, auf den Feldern von Dahlewitz, stehen die silbergrauen Hallen, in denen Rolls-Royce die Triebwerke montiert. Hier hängen an den Bäumen aber auch gelbe Plakate mit der Aufschrift „Großflughafen Schönefeld NEIN“. Damit bringen die Dahlewitzer ihre Angst vor künftigem Krach zum Ausdruck.

Denn Flugzeugturbinen sind laut. Einziger Trost: Früher waren sie noch lauter. Durch Landeverbote und Strafgebühren für Krachmacher versuchen die Flughäfen den Lärm in den Griff zu kriegen. Am Flughafen Frankfurt, der im vergangenen Jahr 460000 startende und landende Flugzeuge zählte, sind nachts für eine Boeing-747 pro Start oder Landung 2500 Euro fällig, für Flugzeuge der lautesten Kategorie aber 15000 Euro. Begleitet von schärferen Lärmgesetzen und protestierenden Anwohnern, haben die Gebühren bewirkt, dass die Fluggesellschaften immer leisere Flieger ordern.

Daher haben auch Forschungsprogramme für lärmarme Flugzeuge Konjunktur. Die Europäische Union startete im vergangenen Jahr das bislang umfangreichste Anti-Fluglärm-Programm, Silence(r), das mit 110 Millionen Euro gefördert wird und an dem sich 50 Triebwerksbauer und Unternehmen beteiligen. Bis zum Jahr 2008, so das ehrgeizige Ziel, sollen Flugzeuge 40 Prozent weniger Lärm machen. In Deutschland hat die Lufthansa gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Ähnliches vor. Leises Verkehrsflugzeug heißt das Projekt, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird. Im September filmten DLR-Wissenschaftler ein Lufthansa-Flugzeug mit einer „akustischen Kamera“ aus 240 Mikrofonen, um die stärksten Lärmquellen am Flugzeug zu identifizieren. Solche Aufnahmen zeigen, dass die Umströmungsgeräusche an den Flügeln beim Landeanflug fast so laut sind wie die Triebwerke selbst.

Auch bei den Flugzeugturbinen entsteht der meiste Lärm durch die Reibung der Luftmassen. Am Prinzip der Turbinen hat sich dabei jahrzehntelang wenig geändert: Vorn wird Luft angesaugt, im Verdichter zusammengedrückt, in der Brennkammer mit Kerosin vermischt und gezündet, und hinten kommt sie mit hoher Geschwindigkeit wieder heraus. Der Rückstoß treibt das Flugzeug vorwärts – „prinzipiell wie beim Luftballon, aus dem die Luft entweicht“, sagt Holste. Rauscht die schnelle heiße Luft vom Austrittsstrahl durch die Atmosphäre, bilden sich Luftwirbel. Diese erzeugen Druckwellen, und das bedeutet Krach: Die Turbojet-Turbinen der fünfziger Jahre waren am Rand der Startbahn doppelt so laut wie ein Presslufthammer.

Heute macht neue Technik die Triebwerke nicht nur sparsamer, sondern auch leiser. Die Ingenieure vergrößerten den Durchmesser der Triebwerke. Den eigentlichen „Motor“ aus Verdichter, Brennkammer und Turbine verkleinerten sie auf ein Kerngehäuse. Er treibt den Ventilator an, auch Fan genannt, den man vorn am Triebwerk sieht. Der Fan bläst einen Großteil der Luft außen am Kern vorbei, durch den so genannten Bypass. Diese Luft ist langsamer und weniger laut. Zwar verringert sich dadurch auch der Rückstoß und damit die Antriebskraft. Doch die größeren Luftmassen gleichen diesen Nachteil aus. Die besten Triebwerke pusten heute nur noch zehn Prozent der Luft mit hohem Tempo durch die Brennkammer. Der Rest wird vom Fan durch den Bypass getrieben. Möglich wurde das durch bessere Stähle für die Rotorblätter.

Seit den sechziger Jahren haben die Ingenieure den Turbinenlärm auf ein Viertel reduziert. Doch die Zeit der schnellen Erfolge ist vorbei. „Früher brauchten wir nur eine Lärmquelle zu bekämpfen“, sagt Holste, „heute sind es mehrere.“ Beim Landeanflug etwa, wenn die Turbine nicht ganz so schnell dreht, ist der Fan lauter als der Jetlärm. Auf der Lästigkeitsskala des menschlichen Gehörs ist er dann viermal nerviger als der Jet. Dreht der Fan mit Überschallgeschwindigkeit, kreischt er bei vielen Triebwerken zudem wie eine Kreissäge. Und dieser Lärm zwischen einem und drei Kilohertz ist besonders nervtötend. Denn hier hört das Ohr am besten – es ist die Frequenz von Babygeschrei.

Nun ist guter Rat teuer, weil die weitere Lärmdämmung keinen Sprit mehr spart, das Triebwerk jedoch schwerer macht und die Entwicklungskosten in die Höhe treibt. Vergleichsweise preiswert sind da noch die Schalldämpfer in der Triebwerkswand. Kleine Hohlräume in der Ummantelung absorbieren einen Teil der Schallleistung in einem bestimmten Frequenzbereich. Die Frequenz des Fanlärms schwankt allerdings stark mit der Umdrehungszahl. Derzeit versuchen die Entwickler, die Bandbreite der absorbierten Frequenzen zu erhöhen, etwa durch verschieden große oder gar mechanisch veränderbare Hohlräume.

Doch der zunehmende Flugverkehr macht die Fortschritte zunichte. In Frankfurt stagniert die Belästigung seit zehn Jahren trotz besserer Turbinen. Denn im gleichen Zeitraum ist die Zahl der Starts und Landungen um die Hälfte gestiegen. Die letzten Hoffnungen ruhen nun auf Wissenschaftlern wie Wolfgang Neise von der Abteilung Turbulenzforschung des DLR. Der Akustiker gilt in Deutschland als Ventilatorpapst. In den Werkstätten der Technischen Universität Berlin schrauben seine Doktoranden Windkanäle zusammen und messen die akustischen Schwingungen der Rotoren. Fredi Holste hat bei Neise promoviert, Ulf Tapken ist noch dabei. Der schlaksige Physiker gebietet zwischen Holzschränken, Bücherstapeln und Flugzeugpostern über drei schnelle Hochleistungsrechner.

Ein paarmal im Jahr fährt Tapken zu Flugzeugherstellern und hält Dutzende Mikrofone an Triebwerke und in den Windstrom der Ventilatoren. „Das ist wie eine akustische Kamera“, sagt er. Auf dem Rechner zerlegt er den Schall in seine Grundtöne und erkennt, wo es im Triebwerk besonders laut ist. Diese Schallfeldanalyse wird von den DLR-Forschern genutzt, um mit Lautsprechern dagegen anzutönen. Lärm gegen Lärm. Das klingt absurd, funktioniert aber. Aktive Lärmkontrolle heißt das Verfahren (siehe Artikel unten). Dabei wird der Gegenschall so gesteuert, dass sich die Schallwellen gegenseitig neutralisieren. Der Trick wurde schon 1934 patentiert. Doch erst seit ein paar Jahren lässt sich ein kompliziertes Lärmfeld mit Computern schnell genug analysieren, um sofort gegenzusteuern.

Mit Lautsprechern in der Gehäusewand haben die Berliner zusammen mit Airbus und MTU München ein besonders nerviges Pfeifen bis auf das Hintergrundrauschen des Fans unterdrückt. „Das Gewicht der Lautsprecher ist noch ein Hindernis für praktische Anwendungen“, gibt Neise zu, „aber wir haben zwei interessante Alternativen im Visier.“ Die Forscher wollen die Lautsprecher durch flache Keramiken ersetzen, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnen. Sie könnten als flache Schallgeber in die Gehäusewand integriert werden. Die zweite Alternative sind elektronisch gesteuerte Düsen, die Pressluft hinter den Fan blasen. Diese Verfahren ließen sich eines Tages auch in der Praxis nutzen, glaubt der Rolls-Royce-Ingenieur Fredi Holste.

Manchmal sind die Verfahren zur Schalldämpfung aber auch ganz banal. So hat die Lufthansa in Zusammenarbeit mit dem DLR herausgefunden, dass an den Entlüftungslöchern in den Tragflächen eines Airbus 319 ein durchdringendes Heulen entsteht. „Die pfeifen wie Orgeln“, sagt der Leiter der Lufthansa-Abteilung Umweltkonzepte, Karlheinz Haag. Die Forscher schraubten ein paar Bleche vor die Löcher – und das Konzert verstummte.