Source: Fraunhofer-GesellschaftSommerzeit ist Ferienzeit – viele reisen per Flugzeug an den Urlaubsort. Mit an Bord sind tragbare elektronische Geräte wie Laptops, Tablets, Powerbanks, E-Book-Reader und Co. Doch diese bergen Gefahren: Durch Einklemmen im Sitz oder durch eine Überhitzung beim Laden können sich die Lithium-Ionen-Batterien in den PEDs erwärmen und aufblähen. Im Extremfall treten dabei heiße, toxische und brennbare Gase aus, die die Passagiere und die Crew gefährden können. Zwischenfälle mit PEDs häufen sich. Nach Angaben der amerikanischen Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration FAA kommt es etwa ein bis zwei Mal pro Woche zu Vorfällen, in denen ein Lithium-Ionen-Akku an Bord extrem erhitzt, raucht oder gar brennt.
Nicht zuletzt die hohe Zahl der Vorkommnisse war Anlass für den Start des Projekts LOKI-PED, das von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit EASA gefördert wurde. Im Rahmen des Vorhabens haben die Fraunhofer-Institute für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, und Bauphysik IBP mit der Airbus Operations GmbH zusammengearbeitet. Mit Prüfständen wie dem Batterietestzentrum TEVLIB des Fraunhofer EMI, einem A320-Mock-up für Kabinenfeuertests und dem europaweit einzigartigen Fluglabor des Fraunhofer IBP untersuchten sie die durch PEDs verursachten Konsequenzen von Rauch und Feuer. Sowohl beim A320-Mock-up als auch bei der Flight Test Facility des Fraunhofer IBP handelt es sich um realistische Flugzeugumgebungen mit entsprechender Kabinenbelüftung. Die Experimente waren die Basis für numerische Simulationen und die anschließende Risikobewertung. Die Tests umfassten unter anderem die Charakterisierung der Hauptgefahren, die von PEDs ausgehen, die experimentelle Charakterisierung von Verbrennungsgasen, die Risikobewertung hinsichtlich Anzahl und Energiegehalt von PEDs, die Beurteilung von Notfallmaßnahmen, die Bewertung zusätzlicher Gegenmaßnahmen – beispielsweise Feuerlöscher und spezielle Taschen – sowie die Identifizierung von Lücken in den regulatorischen Bestimmungen. Die EASA hat die Ergebnisse der Studie auf ihrer Homepage veröffentlicht.
Zunächst führten die Forschenden am Batterietestzentrum TEVLIB des Fraunhofer EMI und im A320-Mock-up Batterie-Abuse-Tests durch, bei denen die Batterien von Laptops, Tablets und Smartphones erhitzt wurden, um ein thermisches Durchgehen zu provozieren. Darunter versteht man ein Abbrennen der Lithium-Ionen-Batterien, bei dem die gesamte chemische Energie der Zelle innerhalb kurzer Zeit freigesetzt wird. Durch einen internen Kurzschluss in der Batteriezelle steigt die Temperatur stark an. Es kommt es zu einer Kettenreaktion, bei der eine Zelle aufgrund der Hitzeentwicklung die benachbarte Zelle ebenfalls zum thermischen Durchgehen anregt.
Freigesetzte Wärme- und Gasmenge abhängig vom Energiegehalt der Batterien
»Bei der Überhitzung eines PEDs hängt die freigesetzte Wärme- und Gasmenge vom Energieinhalt der Batterien ab«, sagt Dr. Simon Holz, Projektleiter vom Fraunhofer EMI. Aktuell sind PEDs an Bord auf 100 Wattstunden (Wh) begrenzt. Derzeit erhältliche Laptops kommen dieser Grenze sehr nahe, die künftig durch neue Batterie-Technologien aller Voraussicht nach überschritten wird. »Daher bestand die Notwendigkeit, die Richtlinien und Maßnahmen zur Risikominimierung wissenschaftlich zu bewerten. Mit Tests und Simulation konnten wir zeigen, dass das 100-Wh-Limit für PEDs auch weiterhin ausreicht«, so Holz.
Entweichende Gase überschreiten gesundheitsschädliche Grenzwerte nicht
Das provozierte thermische Durchgehen ermöglichte den Forschenden darüber hinaus die Quantifizierung des emittierten Kohlendioxids sowie toxischer Verbindungen wie Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff. Diese Messwerte korrelierten sie mit den CO2-Spitzenkonzentrationen und zogen anschließend ein validiertes zonales Kabinensimulationsmodell heran, um die zeitliche und räumliche Ausbreitung von Gasen und Rauch vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kabinenbelüftung die Exposition unterhalb schädlicher Grenzwerte hält. »Bei einem Batteriebrand treten durchaus schädliche Gase aus. Durch die Kabinenbelüftung werden diese gemäß unseren Simulationen jedoch so stark verdünnt, dass man bereits zwei Sitzplätze von dem Brandherd entfernt unterhalb der gesundheitsschädlichen Grenzwerte bleibt. Bei diesem Abstand droht keine akute Gefahr«, erläutert Dr. Victor Norrefeldt, Technischer Leiter am Fraunhofer IBP. »Bei den Tests haben wir PED-Emulatoren an fünf verschiedenen Positionen in der Kabine unserer Flugtestanlage platziert und neun CO2-Messsensoren installiert.« Auch die Rauchentwicklung verlief in Korrelation zu den CO2-Verläufen. Bereits zwei Reihen vom Brandherd entfernt lichtete sich der Rauch wieder, durch die hohe Luftwechselrate herrschte nur direkt bei der entflammten Batterie dichter Qualm.
Zusätzliche Sicherheitsausrüstung auf dem Prüfstand
Die FAA sieht bei brennenden PEDs die folgenden Maßnahmen vor, die Crewmitglieder befolgen müssen: Die wesentlichen Schritte bestehen zunächst im Löschen der Flammen, anschließend im Kühlen des Geräts mittels einer alkoholfreien Flüssigkeit und schließlich im vollständigen Eintauchen des Geräts in ein mit Wasser gefülltes Behältnis. Darüber hinaus bieten Hersteller zusätzliche Eindämmungsmittel wie Feuerlöscher und spezielle Taschen an, die für den Fall eines thermischen Durchgehens von Lithium-Batterien konzipiert sind. Einige dieser auf dem Markt erhältlichen Sicherheitsausrüstungen wurden im Projekt LOKI-PED ebenfalls getestet. So wurde die Kühlleistung von Feuerlöschern, die Eindämmungsfähigkeit von Taschen und deren Handhabbarkeit beim Tragen von Atemschutzmasken und Handschuhen untersucht. Mit allen Feuerlöschern gelang es, die Flammen während des Einsatzes zu unterdrücken. Hingegen konnte keine der untersuchten Taschen die Anforderungen hinsichtlich des Austretens von Flammen und Rauch erfüllen. Für die Tests der Sicherheitsausrüstung wurden Besatzungsmitglieder in den Kabinendemonstrator der Fraunhofer-Flugversuchsanlage eingeladen. Die von den Besatzungsmitgliedern durchgeführten Tests mit den Taschen etwa mündeten in zahlreichen Empfehlungen für deren Konstruktion und Handhabung. Die Tasche sollte sofort einsatzbereit sein und keine zusätzlichen Montageschritte – wie etwa das Anbringen von Griffen oder Befestigungsbändern – erfordern. »Dass Fliegen sicher ist, konnten wir mit unseren umfangreichen Tests untermauern. Das Kabinenpersonal der Airlines ist für Brandunfälle mit Akkus sehr gut geschult. Durch gezielt optimierte Sicherheitsausrüstungen und Vorgehensweisen lässt sich der Einsatz von portablen elektronischen Geräten an Bord jedoch noch sicherer gestalten«, resümiert Holz.
Die von der EASA veröffentlichten Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung eines raschen Eingreifens der Besatzung, von Beschränkungen der Batteriekapazitäten von PEDs sowie ein ausgefeiltes Risikomanagement zur Gewährleistung der Flugsicherheit. Fluglinien, Aufsichtsbehörden, Kabinenpersonal und Passagiere profitieren gleichermaßen von den wissenschaftlich basierten Schlussfolgerungen und Vorschlägen des Projekts.
Projekt LOKI-PED
Lithium batteries in pOrtable electronic devices – risK of fIre and smoke
Fördermaßnahme: Horizon Europe-Programm der Europäischen Union
Fördernde Institution: Europäische Agentur für Flugsicherheit EASA
Konsortium : Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, FreiburgFraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, HolzkirchenAirbus Operations GmbH, Bremen