Werden die Passagierflugzeuge der Zukunft den „Lärmtest“ bestehen?

Für Anwohner von Flughäfen und Flugrouten ist Fluglärm oft eine Belästigung und im schlimmsten Fall auch eine Gefahr für die Gesundheit: von Schlafstörungen bis hin zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Laut einem Bericht der Europäischen Umweltagentur waren im Jahr 2017 rund vier Millionen Menschen in Europa übermäßigem Lärm durch Flugzeuge ausgesetzt.

Als Hoffnungsträger, auch diese Belastung zu lindern, gelten die neuen Flugzeugtypen mit Mixed Wing Bodys (BWB), deren Rumpf nahtlos in die Flügel übergeht und die zudem einen geringeren Luftwiderstand und einen geringeren Treibstoffverbrauch aufweisen.

Darüber hinaus würden sie weniger Lärmemissionen zum Boden erzeugen, wenn die Motoren oben auf dem Rumpf montiert wären.

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Im Mittelpunkt des europäischen ARTEM-Projekts für Flugzeugkonfigurationen 2035 und 2050

ARTEM (Aircraft Noise Reduction Technologies and related Environmental iMpact), eine große Studie der Europäischen Union zum Fluglärm, ist ein fünfjähriges Forschungsprojekt, das Ende 2017 begann und sich auf innovative Lärmminderungstechnologien für Flugzeugkonfigurationen konzentriert. Flugzeuge von 2035 und 2050.

Zunächst wurden innovative Ansätze entwickelt, um Fluglärm an der Quelle zu reduzieren.

Zweitens befasste sich das Projekt mit Konzepten zur wirksamen Dämpfung von Motorgeräuschen und anderen Lärmquellen durch neue Materialien.

Neue Technologien haben zum Design eines zukünftigen Jets mit gemischtem Flügelkörper geführt.

An dem Großprojekt waren 24 Partner aus zehn europäischen Ländern beteiligt, darunter das französische Office National d'études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das das Projekt koordinierte, die Universität Rom III in Italien. und das Eidgenössische Polytechnikum von Lausanne.

ARTEM wurde im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 finanziert.

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Im Labor entstandene Auralisation: Reto Pieren, Axel Heusser und Beat Schäffer bei der Arbeit

Obwohl die Lärmemissionen dieser Flugzeuge mit Simulationstools abgeschätzt werden können, lässt sich ihre störende und belastende Wirkung auf den Menschen nur unter Berücksichtigung des subjektiven Empfindens der Betroffenen realistisch erfassen.

Akustikexperten der Bundesanstalt für Materialprüfung und -forschung verfolgen seit Jahren erfolgreich den sogenannten „Auralisation“-Ansatz für Höreindrücke, analog zur Visualisierung für das Auge, um beispielsweise die Auswirkungen von Eisenbahnlärm auf den Menschen zu untersuchen.

Diese Erfahrungen nutzten Reto Pieren, Axel Heusser und Beat Schäffer vom Labor für Akustik und Lärmschutz der EMPA auch im europäischen Projekt ARTEM (Aircraft Noise Reduction Technologies and related Environmental iMpact), in dem zahlreiche Partner langfristige Flugzeugkonzepte entwickelten. Lärmbalken, mit einem speziell entwickelten BWB und mehreren Motorvarianten.

Das Konsortium berücksichtigte auch andere Geräuschminderungstechnologien, wie die Hinterkante mit optimierten „Krüger-Klappen“ oder moderne Getriebefan-Triebwerke mit einem großen Verhältnis zwischen dem Luftstrom außerhalb der Brennkammer und dem Luftstrom des heißen Abgasstrahls, was den Lärm deutlich reduziert.

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Sehr aufwändige Experimente im AuraLab mit Menschen im Alter zwischen 18 und 61 Jahren

Wie würden sich diese neuen Langstreckenflugzeuge für etwa 400 Passagiere im Vergleich zu herkömmlichen Flugzeugen schlagen?

Die Ergebnisse veröffentlichte das Team der Bundesanstalt für Materialprüfung und -forschung in der Fachzeitschrift „Aerospace Science and Technology“.

Basierend auf den Gesetzen der Physik haben Experten mithilfe von Computerprogrammen rein synthetisch Simulationen des Lärms von Überflügen bewohnter Gebiete erstellt.

Sie verifizierten diese Simulationen mit Aufzeichnungen der aktuellen Ankünfte und Abflüge von Verkehrsflugzeugen rund um den Flughafen Zürich.

Da der simulierte Lärm gut mit den gemessenen Daten übereinstimmte, konnte dieser zum Vergleich mit Simulationen des neuen BWB-Flugzeugkonzepts herangezogen werden.

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31 Personen im Alter zwischen 18 und 61 Jahren wurden gefragt, ob sie gestört oder genervt seien

Um herauszufinden, wie sehr die Lärmemissionen verschiedener Flugzeuge die Menschen beim Überfliegen stören, nahmen 31 Personen im Alter zwischen 18 und 61 Jahren an recht aufwändigen Experimenten im AuraLab der EMPA teil.

Die räumlichen Simulationen der präzise angeordneten Lautsprecher umfassten nach einer ersten Eingewöhnungsphase 36 Überflüge: Starts und Landungen konventioneller und innovativer Flugzeugtypen, jeweils in unterschiedlichen Flugphasen.

In diese Lärmszenarien wurden auch Details wie die Position der Klappen oder des Fahrwerks sowie atmosphärische Bedingungen wie Turbulenzen oder Schallreflexionen am Boden einbezogen.

Nach dem Experiment füllten die Probanden Fragebögen aus, in denen sie ihre subjektiven Eindrücke auf einer gemeinsamen und standardisierten 11-Punkte-Skala von 0 („überhaupt nicht gestört oder genervt“) bis 10 („extrem gestört oder genervt“) schilderten.

Es wird auch gefragt, wie vertraut ihnen das jeweilige Klangereignis war.

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Der BWB wurde mit 4,3 Einheiten weniger Lärm als das herkömmliche Passagierflugzeug bewertet

Das Ergebnis: Das neue BWB-Flugzeug ist 4,3 Einheiten leiser als das herkömmliche Passagierflugzeug.

Dies ist ein offensichtlicher Unterschied, auch weil das virtuelle Flugzeug in der Simulation mit zusätzlichen Lärmminderungstechnologien oder besonders emissionsarmen Triebwerken ausgestattet war.

Darüber hinaus zeigten die Befragungen, dass Starts dieses Flugzeugtyps einen Klangeindruck hinterließen, der den Teilnehmern weniger vertraut vorkam, was auf ungewöhnliche akustische Eigenschaften hinweist, die das Belästigungsempfinden vermutlich positiv beeinflussen.

Natürlich lässt sich angesichts der zahlreichen möglichen Hypothesen nur schwer vorhersagen, welche BWB-Flugzeugvariante sich in Zukunft durchsetzen wird.

Eines ist laut EMPA-Forscher Reto Pieren jedoch sicher.

„Der größte Beitrag zur Lärmreduzierung kommt zweifellos von der Form des Flugzeugs, die die Schallemissionen des Triebwerks nach unten hin abschirmt.“, sagt der Akustikexperte.

„Andere Technologien zur Geräuschreduzierung tragen nur zu etwa 15 Prozent zur Belästigungsreduzierung bei“.

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