Frachtschiff unterwegs auf dem Meer
TrendAus der Natur kopiert

Schwimmfarn hilft Schiffen beim Spritsparen

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Anja Reiter

Anja Reiter

Freie Journalistin

In der Schifffahrt geht ein Großteil der Antriebsenergie durch Reibung verloren. Ein bionischer Bootslack könnte den Kraftstoffverbrauch drastisch reduzieren.

16. August 2016

Ein Schiff, das in Luft gehüllt durch das Wasser gleitet? Was abwegig klingt, soll in Zukunft beim Spritsparen helfen. Die Idee dahinter: Wenn sich statt des Stahlrumpfes Luft mit dem Wasser reibt, senkt das die Verluste der Antriebsenergie. 

Vorbild für die Luftschmierung von Schiffsrümpfen ist ein faszinierender Trick aus der Pflanzenwelt: Der tropische Schwimmfarn Salvinia molesta ist wasserscheu. Wird er von einer Ente oder einem Windstoß unter Wasser getaucht, bleibt er trotzdem trocken. Das gelingt ihm, indem er sich unter Wasser blitzschnell in ein millimeterdickes Kleid aus Luft hüllt. So kann die Pflanze auch unter Wasser atmen – selbst bei einem wochenlangen Tauchgang.

Und so funktioniert der Trick des Farns: Auf seiner Blattoberfläche wachsen kleine Härchen, die auch mit bloßem Auge zu sehen sind; unter dem Mikroskop betrachtet sehen sie aus wie kleine Schneebesen. Winzige Wachskristalle auf den Härchen sorgen dafür, dass sie Wasser abweisen. Materialforscher nennen dieses wasserscheue Verhalten „superhydrophob“. Die Schicht aus winzigen Wachskristallen verhindern eine Benetzung der Härchen – ähnlich wie beim Lotus-Effekt.

Haarspitzen ziehen Wasser an

Damit ist jedoch erst ein Teil des Rätsels gelöst. Wie gelingt es dem Farn, die Luft unter Wasser festzuhalten, ohne dass Luftbläschen an die Oberfläche entweichen können? Forscher aus Bonn, Rostock und Karlsruhe suchten nach der Erklärung für dieses Phänomen. „Die Spitzen der Haare selbst sind nicht mit Wachskristallen besetzt“, sagt Nanowissenschaftler Thomas Schimmel, Physikprofessor am Karlsruher Institut für Technologie. „Sie ziehen Wasser an, sie sind also hydrophil.“ An den Haarspitzen wird das Wasser förmlich „angeklebt“, während die Luft zwischen den hydrophoben Härchen festgehalten wird. Die Haare spannen ein schützendes Zelt aus Luft um das Blatt.

Um den Effekt im Labor nachzuweisen, deckten die Forscher die wasserliebenden Fleckchen der Haarspitzen des Schwimmfarns mit einer wasserabstoßenden Nanoschicht ab. Sofort war die Pflanze nicht mehr in der Lage, die Luftschicht festzuhalten. In einem nächsten Schritt bildeten die Wissenschaftler die Eigenschaften des Schwimmfarns so nach, dass es technisch möglich ist, sie als Schiffslack zu applizieren. Die Details für die optimale Herstellung der künstlichen Oberflächen – auch im Hinblick auf eine künftige industrielle Anwendung – werden von den Forschern derzeit noch entwickelt.

Milliarden sparen durch weniger Reibung

Die Erfinder orten großes Potenzial für ihre Entdeckung in der Schifffahrt. Mit Hilfe des Salvinia-Effekts könnte der Energieverlust durch Reibung in der Schifffahrt um bis zu zehn Prozent gesenkt werden, rechnet Schimmel vor. Bei Containerschiffen gehen bislang weit mehr als die Hälfte der gesamten Antriebsenergie durch Reibung des Wassers am Rumpf verloren. Reibung ist ein großer Kostenfaktor in der maritimen Schifffahrt – weltweit geht es um zweistellige Milliardenbeträge pro Jahr. 

Doch auch einen weiteren Nutzen hätte die künstliche Oberfläche: Weil Meeresorganismen sich nicht mehr direkt auf dem Schiffsrumpf ansiedeln könnten, sondern nur auf der wenig attraktiven Lufthülle, müsste man den Rumpf nicht mehr mit giftiger Antifoulingfarbe einstreichen. 

Whirlpool-Technik für die hohe See

Die Idee, dass Luft zur Verminderung des Schiffswiderstands dienen könnte, ist nicht neu: Bei der sogenannten Microbubble-Technik, ähnlich einem Whirlpool, werden kleine Luftblasen unter den Schiffboden geblasen. Dieses Luftschmierungssystem reduziert die Reibung, allerdings kostet der Betrieb des Gebläses Energie. „Wir gehen einen anderen Weg und beschichten das Schiff selbst“, sagt Schimmel.

Im Hallenbad der Universität in Karlsruhe tuckern derzeit Modellboote von einem Bahnende zum anderen. Die 60 Zentimeter langen und 40 Zentimeter breiten Boote sind mit der neuen lufthaltigen Beschichtung präpariert. „Und sie hält“, sagt Schimmel.

Eisberge und tonnenschwere Anker fordern heraus

Nun gilt es, die Schiffe vom Labor in die Praxis zu entlassen. Trotz aller bisherigen Erfolge ist der Weg bis zum luftbeschichteten Ozeantanker noch weit. Im Meer warten andere Herausforderungen als im Schwimmbad. Wenn ein tonnenschwerer Anker gegen die Schiffswand donnert oder das Schiff sich durch Eisberge schlängeln muss, wird die Schiffswand zerkratzt. „Der Vorteil unserer Technologie ist: Wenn am Ende fünf Prozent der Oberfläche zerstört sind, dann bedeutet das lediglich, dass die Höhe der Energieeinsparung geringfügig von ursprünglich 100 Prozent des erzielbaren Wertes auf 95 Prozent zurückgeht“, sagt Schimmel.

Industrie und Schiffskonstrukteure zeigen sich interessiert am Salvinia-Effekt. Einstweilen denken die Forscher aber auch schon über andere Anwendungsmöglichkeiten nach: Ein Tank, der mit dem Anstrich präpariert ist, könnte unterschiedliche Flüssigkeiten befördern, ohne dass eine Reinigung notwendig wird. Schließlich kämen die Tankwände mit der Flüssigkeit kaum in Kontakt. Und auch für den Strand wären die neuartigen Oberflächen nützlich: Gewebe für Bademoden könnten zum Beispiel immer trocken bleiben.