İpek KOCAOĞLU
Uzman
Yenilik ve Girişimcilik Politikaları Birimi
ipek.kocaoğlu@izka.org.tr

Wright Kardeşlerin 1903 yılında ilk motorlu uçuşu gerçekleştirmesinden bu yana geçen sürede uçaklar ahşap, tel ve kumaştan imal edilmiş hassas yapılardan, ileri teknolojili malzemelerden yapılmış yüksek hızlı makinelere dönüşmüştür. Bu dönüşüm sürecinde çelik ve alüminyumun yerini giderek artan oranda kompozit malzemeler almaya başlamıştır. [1]

Şekil 1: Wright Kardeşlerin Uçağı (1903)

Gerçekten de malzeme bilimindeki gelişmelerden en fazla etkilenen sektörlerin başında havacılık gelmektedir. Artan yakıt maliyetlerinin yanı sıra işletme ve bakım maliyetleri ile çevresel düzenlemeler, havacılık endüstrisinde “daha fazla hafiflik” arayışlarını körüklemektedir. Çünkü uçakların gövde ağırlığının azaltılması daha düşük yakıt tüketimi sağlayarak hem karbon emisyonlarını hem de işletme maliyetlerini düşürmektedir. Bu noktada sektörün güvenlikten ödün vermeden daha fazla hafiflik ihtiyacına kompozit malzemeler çare olmaktadır. Havacılık kompozitlerinin geleneksel malzemelere kıyasla sahip olduğu üstün özellikler şöyle sıralanabilir: [2]

• Daha fazla hafiflik
• Yüksek darbe dayanımı
• Yüksek termal kararlılık
• Metal yorgunluğu ve korozyona dayanıklılık
• Daha düşük malzeme maliyeti
• Radara karşı görünmezlik (Radar stealth)
• Ahşap veya metal ile mümkün olmayan aerodinamik şekillerin oluşturulması
• Parça sayısının azaltılarak montaj sürecinin basitleştirilmesi

Havacılık Kompozitlerinin Gelişimi

Havacılık endüstrisinde kompozit malzemelerin erken kullanımı 1950’lerin sonlarında Boeing 707 ve DC-9 gibi uçaklarla başlamaktadır. Cam elyafı ile güçlendirilmiş plastik “fiberglas”, uçaklarda kullanılan ilk kompozit malzeme olmuştur. Uçakların yüksek güvenlik standartları nedeniyle, kompozitlerin yaygın kullanımı üç aşamada gerçekleşmiştir. Başlangıçta uçuş güvenliğiyle doğrudan ilgili olmayan iç kısımlar, yan duvarlar, baş üstü dolapları ve mutfaklar gibi üçüncül yapılarda kullanılmıştır. 1960’ların sonlarında, iç kısımlarda başarılı olduğu kanıtlanan kompozitler; rüzgarlıklar, dümenler, kanatçıklar ve flaplar gibi ikincil uçak yapılarına dahil edilmiştir. Ticari havacılıkta kompozit malzemelerin en kritik uygulamaları, 1980’li yıllarda stabilizatörler, kanatlar ve gövde gibi birincil yapılar üzerinde görülmeye başlamıştır. Bunun ilk örneği, 1984 yılında Boeing 737 yatay stabilizatöründe kompozit malzeme kullanımı olmuştur. 1990’lardan itibaren üretim tekniklerindeki ilerlemelerle birlikte kullanımı yaygınlaşan “karbon fiber”, havacılık endüstrisi için devrim niteliğinde bir malzeme sayılmaktadır. Airbus A310’da kullanılan ve ağırlığı 250 kg’dan fazla azaltan karbon fiber dikey stabilizatör, bunun ilk başarılı örneği kabul edilmektedir. [3]

Günümüzde ise yeni nesil ticari uçak Boeing 787’nin,  stabilizatörler, kanatlar ve gövde dahil olmak üzere yapısal ağırlığının %50’si kompozit malzemelerden imal edilmektedir. Benzer şekilde Airbus’ın çığır açan A350 XWB modeli %53 oranında kompozitten yapılmış ve yakıt tüketiminde %25 tasarruf sağlanmıştır. [4]

Şekil 2: Yeni nesil uçaklarda kompozit malzeme kullanım oranı

Küresel Havacılık Kompozitleri Pazarı

Havacılık endüstrisi bir ülke olsaydı, yılda 691,3 milyar dolar GSYİH ile dünyanın 17. büyük ekonomisi olurdu. [5] Bu devasa ekonomi içinde kompozit kullanımı 1980’lerden bu yana her beş yılda bir ikiye katlanmıştır. [6]

Piyasa araştırma şirketi Global Market Insights’ın 2020 tarihli raporuna göre, havacılık endüstrisinde kullanılan kompozitlerin pazar büyüklüğü 2019’da 12,7 milyar dolar değere ulaşmıştır. Havacılık kompozitleri arasında, elyaf türüne göre karbon fiber, reçine türüne göre termosetler, uçak türüne göre ticari uçak segmenti, uygulama türüne göreyse dış uygulamalar pazarda öne çıkmıştır. [7]

Şekil 3: Küresel Havacılık Kompozitleri Pazar Görünümü

Malzeme Türü ve Kullanım Alanlarına Göre Havacılık Kompozitleri

Uçak tipine göre havacılık kompozitleri bakımından, ticari uçak segmenti en büyük pazar payına sahiptir. 2019 yılında bu segmentte Airbus ve Boeing gibi ticari uçak üreticilerinden gelen küresel talep 29 kilotonun üzerinde gerçekleşmiştir. [8] Önümüzdeki dönemde, uçakların yakıt verimliliğine ilişkin katı emisyon standartlarının ticari uçaklarda kompozit kullanımını daha da artırması beklenmektedir.

Elyaf türüne göre havacılık kompozitleri, karbon fiber, seramik elyaf, fiberglas ve diğerleri olarak segmentlere ayrılmaktadır. Karbon fiber, 2019 yılında %40’ın üzerinde payla havacılık kompozitleri pazarına hakim olmuştur. Özellikle kanatlar, gövde, motor kaplamaları, fan muhafazaları, döşemeler ve iç parçalar gibi uygulamalarda karbon fiber kompozitler öne çıkmaktadır. [9]

Reçine türüne göre havacılık kompozitleri, termosetler ve termoplastikler olarak ikiye ayrılmaktadır. Termoset reçineler, 2019 yılında pazar gelirlerinin yaklaşık dörtte üçünü elde etmiştir. [10]

Uygulama türleri bakımından dış (exterior) uygulamalar, pazarın %60’ını oluşturmaktadır. Mukavemet, esneklik, dayanıklılık, kararlılık, hafiflik; ısıya, sıcaklığa ve neme karşı direnç gibi üstün özellikleri nedeniyle havacılık kompozitleri dış uygulamalarda daha fazla tercih edilmektedir. Örneğin, uçakların gövdeleri, stabilizatörler, kuyruklar, kanatlar, iniş takımları, ön ve arka kenarlar ile motor kaplamalarında bu malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. [11]

Bölgesel pazarlara göre değerlendirildiğinde ise, Kuzey Amerika’nın havacılık kompozitlerinde lider durumda olduğu, Boeing ve Lockheed Martin gibi büyük havacılık şirketlerinin varlığı nedeniyle 2019’da %40’ın üzerinde pazar payı elde ettiği görülmektedir. Ar-Ge yatırımları, hava yolculuğu sıklığı, daha ucuz fiyatlar gibi faktörlerin Kuzey Amerika’daki pazar talebini artırması ve önümüzdeki dönemde havacılık kompozitleri için en büyük pazar olmaya devam etmesi beklenmektedir. [12]

Şekil 4: Bölgelere göre Küresel Havacılık Kompozitleri Pazarı

Gelecek Öngörüleri

Havacılık endüstrisi, insan kaynaklı karbondioksit emisyonlarının yaklaşık %2’sini üretmektedir. [13] Karayolu taşımacılığına kıyasla havacılığın karbon ayak izi daha düşük olsa da, uluslararası sivil havacılığın iklim üzerindeki olumsuz etkilerini en aza indirmek amacıyla havacılık endüstrisi öncü adımlar atmıştır. Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) tarafından 2016 yılında Uluslararası Havacılığa Yönelik Karbon Denkleştirme ve Azaltma Programı (CORSIA) yürürlüğe konmuştur. Buna göre, 2050 yılına kadar net havacılık karbon emisyonlarının 2005’tekinin yarısı olması hedeflenmektedir. [14]

Öte yandan, 2020 yılında COVID-19 salgını pek çok sektörde olduğu gibi havacılık kompozitlerine yönelik talebi de olumsuz etkilemiştir. 2019 yılında dünya havayolları 4,5 milyar yolcu taşımış buna karşın pandemiyle birlikte getirilen seyahat kısıtlamaları nedeniyle küresel hava trafiği neredeyse durma noktasına gelmiştir. Tedarik zincirindeki gecikmeler, hammadde kesintileri ve kapanmalar, uçak üreticilerini kısmi kapasitelerle çalışmaya zorlamıştır. Özellikle ticari uçak siparişlerindeki iptaller nedeniyle Airbus ve Boeing’in, önceki yıla kıyasla daha az sayıda uçak teslim etmesi havacılık kompozitlerine olan talebi de daraltmıştır. 2021 sonrası iyimser senaryoda, seyahat kısıtlaması ve tedarik zincirinde herhangi bir kesinti olmaksızın havacılık şirketleri tam kapasiteyle çalışmaya başladığında, kompozit malzemelere olan talebin de tekrar artışa geçmesi beklenmektedir. [15] Güncel sektör raporlarına göre, havacılık kompozitleri pazarının her yıl ortalama %9 büyüyerek 2026 yılında yaklaşık 15,7 milyar dolara ulaşması öngörülmektedir. [16]

Sonuç olarak, havacılık endüstrisi, uçakları daha güçlü, daha hafif, daha hızlı ve daha verimli hale getirmek için bir malzeme evrimi geçirmektedir. Sektör devleri, ağırlığı azaltmak, yakıttan tasarruf etmek ve ticari uçuşların çevresel etkilerini azaltmak için uçaklara kompozit bileşenler eklemektedir. Yeni üretim teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte kompozit malzemeler, geleceğin uçaklarında başrolü üstlenecektir.

Kaynakça:

1. Aviation’s Material Evolution
2. A Brief History of Aircraft Materials
3. Composites Used in the Aerospace Industry
4. Composite Structures: The First 100 Years
5. Aviation’s Material Evolution
6. Air Transport Action Group “ATAG”
7. Composites in Aerospace
8. Industry Trends
9. Industry Trends
10. Aerospace Composites Market
11. Industry Trends
12. Aerospace Composites Market
13. Industry Trends
14. Air Transport Action Group “ATAG”
15. CORSIA Explained
16. Aerospace Composites Market
17. Industry Trends