Airbus sucht nach neuer Antriebstechnik und Material und einer IT, die dabei hilft High-Performance-Systeme und Quantencomputer als Team

Ein Energie-effizienter Wasserstoffantrieb, enorm leichte Materialien und eine optimierte Aerodynamik - Airbus setzt bei der Dekarbonisierung der Luftfahrt auf mehrere, sich ergänzende Technologiestränge: Simulationen beschleunigen die Entwicklung und reduzieren den Bedarf für physische Tests. Zum Einsatz kommen dabei nicht nur klassische Superrechner. Auch der Einsatz von Quantencomputern wird erforscht.

„Die Luftfahrt gehört zu den Branchen mit dem höchsten Bedarf an Rechenleistung“, konstatiert Isabell Gradert, Vice President Central Research & Technology beim Flugzeugbauer Airbus, in einer Keynote auf der Supercomputerkonferenz ISC. „Wir nutzen High Performance Computing, um Flugzeuge zu entwickeln, die weniger Energie verbrauchen sowie weniger Abgase und Lärm erzeugen.“

Aktuell ist die kommerzielle Luftfahrt für rund 2 Prozent der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich. Da sich der weltweite Bestand an Flugzeugen in den kommenden 20 Jahren laut Prognosen verdoppelt und gleichzeitig Gesetze einen hohen Umweltschutz vorschreiben, arbeitet Airbus daran, die Emissionen zu verringern und somit zur Dekarbonisierung der Luftfahrtindustrie beizutragen.

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelt der Flugzeugbauer unter anderem extrem leichte Materialien und aerodynamische Profile, die den Luftwiderstand verringern. Diese Anstrengungen sollen die bisherigen Erfolge erweitern, bei denen jede neue Flugzeuggeneration um 20 bis 30 Prozent effizienter war als die vorherigen Modelle. Künftig sollen auch nachhaltige Treibstoffe den CO_{2-Ausstoß im gesamten Lebenszyklus eines Flugzeugs um bis zu 80 Prozent reduzieren.}

Mit Wasserstoffantrieb CO₂-neutral fliegen

Großes Potential hat laut Airbus der Wasserstoffantrieb. Hierbei erzeugt entweder eine Brennstoffzelle Strom, der einen Propeller antreibt, oder aber der Wasserstoff wird in einer Turbine verbrannt. Sobald Wasserstoff über die Elektrolyse mit erneuerbaren Energien erzeugt werde, sei der weitere Betrieb CO₂-frei.

Um das heute genutzte Kerosin durch Wasserstoff zu ersetzen, sind allerdings laut Gradert noch enorme Herausforderungen zu bewältigen. Wasserstoff nimmt wegen seiner extrem geringen Dichte bei einem Atmosphärendruck ein großes Volumen ein.

Lösen lasse sich dieses Problem, indem man das Gas mit einem Tankdruck zwischen 350 und 700 Bar setzt und es verflüssigt. Dazu wiederum müsse das Gas auf -253 Grad heruntergekühlt werden.

Airbus will das wasserstoffbetriebene „Zeroe Aircraft“ bis 2035 bis zur Marktreife entwickeln. „Angesichts der typischerweise sehr langen Entwicklungszyklen in der Luftfahrt ist das praktisch morgen“, erläutert Gradert. Nun stellt sich die Frage, wie der Flugzeugbauer diese Entwicklung so schnell stemmen will.

Ein großer Hebel dazu sind computerbasierte Simulationen. Diese erzeugen Daten, die später in physischen Tests an der Realität gemessen werden. Dank der Simulationen seien deutlich weniger Praxistests nötig als früher: „Simulationen sind eine kostengünstige Art, Entwicklungen außerhalb der Windtunnel präzise und realistisch zu testen“, erläutert Gradert.

High-Performance-Computing an seiner Grenze

Der Pferdefuß dabei ist der enorme Bedarf an Rechenleistung. So benötigt Airbus für die Simulation eines Biegeversuchs einer Tragfläche ein IT-System mit Hunderten von CPUs und mehreren Hundert Gigabyte RAM.Trotzdem würden die Berechnungen mehrere Tage dauern.

Die aerodynamischen und chemischen Berechnungen der Reaktionen in der Brennstoffzelle erfordern ebenfalls eine enorme Rechenleistung. Die Brennstoffzelle erzeugt Wärme und Wasserdampf, die nach außen abgeleitet werden müssen. Nötig dafür seien große Wärmetauscher, die Airbus möglicherweise mit dem Verfahren des 3D-Drucks herstellen will.

„Bislang haben wir High Performance Computing genutzt, um mit Billionen von Daten die Design-Varianten für Werkstoffe, Rumpfdesign und Tragflächenprofile zu testen“, berichtet Gradert. „Wir erreichen damit allerdings die Grenzen der heute verfügbaren High-Performance-Systeme.“

IT aktuell

Aktuell plant Airbus die Inbetriebnahme eines neuen hochmodernen HPC Cluster in Form eines wassergekühlten, containerbasierten Systems um die verfügbare Hardware Performance weiter zu steigern. Da sich die Hardware-Ressourcen nicht beliebig steigern lassen, kümmert sich Airbus um die Algorithmen als zweiten Teil der Gleichung.

Den Effekt verdeutlicht Gradert am Beispiel der extrem rechenintensiven Berechnungen des Geräuschpegels im Kabinenraum: „Ersetzen wir die CPUs durch Grafikprozessoren, steigern wir die Geschwindigkeit um den Faktor hundert.“

Da das nicht ausreicht, um mehrere Varianten in einer akzeptablen Zeit zu berechnen, hat das Mathematik-Team von Airbus die Algorithmen optimiert und dabei die bisherigen 'Dense Matrix Solver' durch 'Hierarchic Matrix Solver' ersetzt. Die Performance-Fortschritte waren hierbei laut Gradert 28 Mal größer als beim Umstieg von klassischen CPUs zu Grafikprozessoren.

Optimierte Algorithmen schlagen Graphics Computing

Um weitere Fortschritte dieser Art zu erzielen, entwickelt Airbus ein Entwicklungsparadigma für Algorithmen, das sich 'Task based over Runtime' nennt. Auf der Personalseite sind hier Extrem-Mathematiker nötig. Um diese zu bekommen, unterhält der Flugzeugbauer Partnerschaften mit einschlägigen Instituten der Spitzenforschung wie beispielsweise INRIA (National Institute for Research in Digital Science and Technology), CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique), der französischen Luftfahrt und Raumfahrtagentur ONERA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

„Airbus braucht smarte Experten, um bestehende Algorithmen zu optimieren und neue zu entwickeln“, erläutert Gradert und setzt hinzu: „Auch wenn wir viel eigene Expertise haben, werden wir das nicht alleine schaffen. Wir kommen viel weiter, wenn wir uns ich einer internationalen Community vernetzen.“

Neben optimierten Algorithmen erhofft sich Airbus auch auf der Hardwareseite einen weiteren Gamechanger, wie Gradert ausführt: „Quantencomputer sind aktuell in einem sehr frühen Stadium. Wir bereiten uns aber schon jetzt auf den Einsatz vor, denn wir wollen zu den Early Adopters dieser neuen Technologie gehören.“

Aktuell erforsche Airbus Quantencomputer für vier Anwendungsklassen:

• Quantum Simulation für die Entwicklung neuer Materialien,

• Quantum Optimization, um im Betrieb die Flugzeiten, die Flugbahn und die Beladung zu optimieren,

• Quantum Machine Learning für eine vorausschauende Wartung und

• Quantum Solver, um enorm komplexe aerodynamische Berechnungen in der Zukunft zu verbessern.

Quantencomputer stechen Supercomputer noch nicht aus

Trotz enormer Fortschritte werden Quantencomputer das bisherige High Performance Computing nicht ersetzen: „Bislang sind Quantencomputer noch in einer frühen Entwicklungsphase“, so Gradert. „Wir gehen deshalb davon aus, dass wir künftig beide Welten kombinieren. Dabei laufen einige Anwendungen auf High-Performance-Systemen, und wir lagern passende Teilaufgaben auf Quantencomputer aus, um sie maximal zu beschleunigen.“

Doch auch für für den Einsatz von Quantencomputern gilt das gleiche Credo zur Beschaffung notwendiger Expertise: Airbus schließt Partnerschaften. Um die chemischen Reaktionen in Brennstoffzellen zu verbessern, hat der Flugzeugbauer eine Partnerschaft mit dem PKW-Hersteller BMW geschlossen und einen globalen Wettbewerb namens Quantum Mobility Quest ausgeschrieben. „Wir simulieren zusammen mit unseren Partnern die Reaktionen in einer Brennstoffzelle auf einem Quantencomputer“, so Gradert.

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