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Schwimm­farn hilft Schiffen beim Sprit­sparen

Lesezeit ca.: 4 Minuten
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.