Wasserstoff-Luftfahrt: Warum jede Schraubverbindung zählt

Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten Wege zur Dekarbonisierung der Luftfahrt. Airbus und MTU Aero Engines haben im Juni 2025 auf der Paris Air Show eine Absichtserklärung unterzeichnet, um die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieben gemeinsam voranzutreiben - ein deutliches Signal, dass die Technologie aus der Forschungsphase in die industrielle Entwicklung übergeht. ^[1]

Doch hinter den großen Ankündigungen steckt eine nüchterne Ingenieursrealität: Alle Komponenten - vom Tank über die Leitungen bis zur Brennstoffzelle - müssen erst noch so weit entwickelt werden, dass sie luftfahrttauglich sind. ^[2] Und genau dort, an den Verbindungsstellen dieser Komponenten, entscheidet sich, ob ein System sicher ist oder nicht.

Das Dichtheits-Problem: Wasserstoff verzeiht keine Fehler

Wasserstoff ist das kleinste Molekül, das in der Natur vorkommt. Wasserstoff ist ein sehr leichtes und diffusionsfähiges Gas, das dazu neigt, in Materialien einzudringen und sie zu durchdringen - in manchen Fällen kann es die Struktur von Materialien verändern und verspröden (Wasserstoffversprödung). ^[3]

Für Flansch- und Rohrverbindungen in H2-Systemen bedeutet das: Wasserstoff-Leckagen an Fittings, Kupplungen und Verbindungsstellen sind aufgrund der Entflammbarkeit des Gases und des Verletzungsrisikos für Personen ein erhebliches Sicherheitsproblem. ^[4] Die FAA formuliert es in ihrem Zertifizierungs-Roadmap von Dezember 2024 unmissverständlich: Leckagen an Verbindungsstellen seien praktisch unvermeidlich - die Aufgabe der Konstruktion und Montage sei es, sie auf ein sicheres Minimum zu begrenzen.

Hinzu kommt die Betriebsumgebung: Flüssiger Wasserstoff (LH2) wird bei kryogenen Temperaturen von etwa -253 °C gespeichert, und der LH2-Tank muss neben mechanischen Lasten auch große thermische Belastungen sicher ertragen. ^[5] Für den Transport von flüssigem Wasserstoff in Richtung Triebwerk sind Drücke von bis zu 100 bar erforderlich. ^[6]

Das Ergebnis: Schraubenverbindungen in H2-Systemen arbeiten unter einem Lastspektrum, das in der konventionellen Luftfahrt kaum Parallelen hat - kryogen beim Befüllen, warm im Betrieb, unter Hochdruck, mit Vibrationen und Setzerscheinungen.

Warum Drehmoment allein nicht ausreicht

In der klassischen Schraubtechnik gilt Drehmoment als Standardgröße. Bei H2-Verbindungen greift dieser Ansatz zu kurz.

Die Dichtheit einer Flanschverbindung ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Schraubenvorspannung, Dichtungsflächenpressung und Betriebsbeanspruchung (Druck, Temperatur, Vibration). ^[7] Das eigentliche Ziel ist eine definierte Flächenpressung an der Dichtfläche - und Drehmoment ist nur ein indirekter Weg dorthin. Reibungszahl, Schmierungszustand und Oberflächenbeschaffenheit streuen die tatsächliche Vorspannkraft erheblich.

Erschwerend kommt hinzu: Nach der Montage können im Wesentlichen die drei Mechanismen Setzen, Fließen und Kriechen zu einer Vorspannkraftreduktion führen - im Bereich der werkstoffspezifischen Übergangstemperatur kann es zudem zu Relaxation durch Werkstoffkriechen kommen. ^[8] Bei kryogenen Systemen, die thermische Lastwechsel von mehreren hundert Grad durchlaufen, ist dieser Effekt besonders ausgeprägt.

Geeignete Montageverfahren - Drehmoment-, Drehwinkel- oder Streckverfahren - begrenzen die Streuung zwischen Soll- und Ist-Vorspannung. ^[7] Für sicherheitskritische H2-Verbindungen empfiehlt sich die kombinierte Drehmoment-Drehwinkel-Methode: Das Drehmoment definiert den Ausgangspunkt (Fügezustand), der Drehwinkel steuert die tatsächliche Schraubendehnung und damit die Klemmkraft - unabhängig von Reibungsschwankungen.

Symmetrische Lastverteilung und Anziehmuster

Eine symmetrische Lastverteilung über das Schraubenfeld und ein robustes Anziehmuster sind entscheidend, um Dichtungswanderung und Flanschverkippung zu vermeiden. ^[7] Bei mehrstufigen Anzugsverfahren - typischerweise 30 % -> 60 % -> 100 % des Zieldrehmoments im Kreuzschema - muss jeder Schritt reproduzierbar und dokumentiert sein. ^[9]

Der regulatorische Rahmen wächst

Die Zertifizierungsbehörden reagieren auf die neuen Anforderungen. FAA und EASA haben im Oktober 2023 eine gemeinsame Hydrogen Technologies Working Group eingerichtet, die harmonisierte Anforderungen für die Lufttüchtigkeit von Wasserstoffsystemen - sowohl Brennstoffzellen als auch Gasturbinen - erarbeiten soll. ^[4]

EASA hat eine Zertifizierungs-Roadmap für Wasserstofftechnologien gestartet, um Lücken in den bestehenden Certification Specifications (CS-25, CS-23, CS-E) zu identifizieren und einen konsolidierten Aktionsplan zu erstellen. ^[10] Für Hersteller und Zulieferer bedeutet das: Wer heute H2-Systeme entwickelt, muss Montageprozesse so gestalten, dass sie künftigen Nachweispflichten standhalten.

Die DIN-Normungsroadmap Wasserstofftechnologien empfiehlt explizit, technische Regeln für Dichtigkeitsprüfverfahren von Bauteilen und Materialsystemen in der Luftfahrt zu erarbeiten. ^[11] Rückverfolgbarkeit ist dabei kein bürokratisches Beiwerk - sie ist Voraussetzung für den Nachweis, dass jede Verbindung mit dem richtigen Verfahren und dem richtigen Werkzeug angezogen wurde.

Dokumentation: Lückenlos oder wertlos

In der Luftfahrt gilt ein einfacher Grundsatz: Was nicht dokumentiert ist, hat nicht stattgefunden. Für H2-Systeme gilt das in besonderem Maß, weil die Verbindungen nach der Integration oft nicht mehr zugänglich sind und weil Leckagen im Betrieb schwer zu lokalisieren sind.

Rückverfolgbarkeit muss sichergestellt werden: Schraubensatz, Dichtungslos und Prüfmittelstatus müssen dokumentiert sein. ^[7] Das bedeutet in der Praxis:

• Werkzeugkalibrierung: Jedes eingesetzte Drehmoment- und Drehwinkelwerkzeug muss zum Zeitpunkt der Montage gültig kalibriert sein - mit rückverfolgbarem Kalibriernachweis.
• Prozessparameter: Solldrehmoment, Drehwinkel, Anzugsreihenfolge und Anzahl der Stufen müssen für jede Verbindung festgelegt und archiviert werden.
• Messwerterfassung: Ist- und Sollwerte müssen je Schraube erfasst, gespeichert und dem Bauteil zugeordnet werden.
• Werkzeugstatus: Bei Mehrfachverwendung muss der Kalibrierzustand des Werkzeugs zum Montagezeitpunkt nachweisbar sein.

Für Entwicklungs- und Qualifizierungsphasen kommt eine weitere Anforderung hinzu: die Schraubverbindungsanalyse. Hier geht es nicht nur darum, einen Sollwert zu treffen, sondern das Anzugsverhalten der Verbindung zu verstehen - Streuung, Setzverhalten, Einfluss der Reibzahl.

Werkzeuge, die dieser Aufgabe gewachsen sind

Für H2-Verbindungen in der Luft- und Raumfahrt brauchen Sie Werkzeuge, die zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: messtechnische Präzision und lückenlose Datendokumentation.

QUANTEC MCS® - das Schraublabor für die Entwicklungsphase

Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug von GWK ist für genau diese Aufgabe konzipiert. Es misst Drehmoment und Drehwinkel simultan - mit festpunktloser Drehwinkelmessung, die keine externe Referenz benötigt. Die Genauigkeit beträgt ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches.

In der Entwicklung und Qualifizierung von H2-Verbindungen ermöglicht das QUANTEC MCS® die vollständige Analyse des Anzugsverhaltens: Drehmoment-Drehwinkel-Kurve, Fügepunkt, Klemmkraftentwicklung. Die Daten werden über WLAN übertragen und in QuanLab Pro® archiviert - revisionssicher und auditierbar. Die robuste Alu-Titan-Konstruktion ist für den Einsatz auch unter anspruchsvollen Bedingungen ausgelegt.

OPERATOR® - reproduzierbare Montage in der Serienfertigung

Für die Serienproduktion von H2-Komponenten bietet der OPERATOR® Produktionswerkzeug die notwendige Kombination aus Flexibilität und Prozesssicherheit. Das modulare Wechselvierkant-System erlaubt den schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Antriebsgrößen - ohne Rekalibrierung des Grundgeräts. Die WLAN-Datenübertragung stellt sicher, dass jeder Anzugsvorgang in Echtzeit erfasst und dem jeweiligen Bauteil zugeordnet wird.

Der OPERATOR® EST01 mit SPS-Kommunikation und Open Protocol ermöglicht die direkte Anbindung an übergeordnete Produktionssysteme - ein wesentlicher Baustein für eine lückenlose digitale Montagehistorie.

Q-CHECK® - Audit und Prozessüberwachung

Für die laufende Qualitätssicherung und Prozessfähigkeitsuntersuchungen (PFU) nach VDI/VDE 2645-3 steht das Q-CHECK® QS- und Audit-Werkzeug zur Verfügung. Mit einem Messbereich von 3 bis 1.000 Nm und einer Genauigkeit von ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches eignet es sich für die regelmäßige Überprüfung von Montageprozessen an H2-Verbindungen. Der interne 2-GB-Speicher sichert Messdaten auch ohne Netzwerkverbindung.

Kalibrierung: Die Basis der Rückverfolgbarkeit

Kein Messwert ist besser als das Werkzeug, das ihn erzeugt. Für Luftfahrtanwendungen ist die DAkkS-akkreditierte Kalibrierung der Werkzeuge keine Kür, sondern Voraussetzung für jeden Konformitätsnachweis.

GWK betreibt ein DAkkS-akkreditiertes Kalibrierlabor mit der DWPM Prüfmaschine der Genauigkeitsklasse 0,2 - für stationäre Kalibrierungen mit höchster Rückverfolgbarkeit. Für Standorte, an denen Werkzeuge nicht transportiert werden können oder sollen, steht der mobile Kalibrierservice zur Verfügung.

Für Projekte mit zeitlich begrenztem Bedarf - etwa in der Prototypen- oder Qualifizierungsphase - bietet GWK ToolRent® kalibrierte Geräte auf Abruf: wochen-, monats- oder jahresweise, mit weltweitem Versand. So entsteht keine Lücke in der Kalibrierhistorie, auch wenn das Projekt noch keine eigene Werkzeuginfrastruktur aufgebaut hat.

Der Markt entwickelt sich - die Anforderungen auch

Der globale Markt für wasserstoffbetriebene Flugzeuge soll laut Allied Market Research bis 2030 auf 23,7 Milliarden US-Dollar und bis 2040 auf 144,5 Milliarden US-Dollar wachsen. ^[12] Das MTU-Projekt HEROPS zielt darauf ab, ab 2035 Regionalflugzeuge mit einem klimaneutralen, wasserstoffbetriebenen Elektroantrieb zu betreiben. ^[1]

Für Entwicklungs- und Fertigungsteams, die heute an H2-Systemen arbeiten, bedeutet das: Die Prozesse, die jetzt etabliert werden, müssen zertifizierungsfähig sein. Werkzeuge, Kalibrierkonzepte und Dokumentationssysteme sollten von Anfang an auf die Anforderungen ausgelegt sein, die EASA und FAA in den kommenden Jahren verbindlich machen werden.

Fazit: Präzision ist keine Option

Wasserstoff-Luftfahrt ist kein Nischenthema mehr. Die Industrie bewegt sich - von Demonstratoren zu Zertifizierungsprogrammen, von Forschungslaboren zu Fertigungslinien. In diesem Umfeld sind Schraubverbindungen an H2-Leitungen, Tanks und Brennstoffzellen keine Standardaufgabe. Sie sind sicherheitskritische Verbindungen, die definierte Flächenpressung, thermische Beständigkeit und lückenlose Dokumentation erfordern.

Präzise Drehmoment-Drehwinkel-Werkzeuge mit rückverfolgbarer Kalibrierung sind dabei kein Mehraufwand - sie sind die Grundlage dafür, dass Zertifizierungsnachweise überhaupt erbracht werden können.