Haie helfen beim KerosinsparenHai-Haut als Vorbild für den Flugzeugbau | Global_Pics
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Haifisch-Haut hilft beim Kerosinsparen

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Was im Wasser erfolgreich ist, könnte doch auch in der Luft funktionieren - das dachten sich Bioniker schon in den 70ern, als sie Haien erstmals auf die Flossen schauten. Nun sind ihre Erkenntnisse in der Praxis angekommen und sollen dazu beitragen, die Umwelt zu entlasten.

03. Januar 2018

400 Millionen Jahre Evolution müssen sich doch lohnen. So lange jedenfalls hatten Haifische Zeit, sich zu dem zu entwickeln, was sie heute sind: ultraschnelle Schwimmer und Vorbild für die Wissenschaft.

Im Forschungsprojekt „FAMOS“ (Führungssystem zur automatisierten Applikation multifunktionaler Oberflächenstrukturen) haben Ingenieure und Wissenschaftler von Lufthansa Technik, dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, Airbus Operations GmbH und der Bremer Werke für Montagesysteme bwm GmbH über drei Jahre ein Verfahren entwickelt, um die besondere Oberflächenstruktur von Haifischhaut automatisiert auf Flugzeughüllen aufzutragen. Zuvor waren bereits neue Lacke entwickelt und die Beständigkeit von Haifischhautstrukturen unter realen Bedingungen im Flugbetrieb erfolgreich getestet worden.

Zähne auf der Haut

Ein Blick durch das Mikroskop zeigt die Besonderheit von Haifischhaut: dreieckige Erhebungen auf den einzelnen Schuppen, die sich als Rillen über die gesamte Länge des Hais ziehen. Genetisch handelt es sich dabei um nach außen gewachsene Zähne. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) fanden heraus, dass sich ein bestimmtes Verhältnis zwischen Höhe und Abstand der Rillen strömungsreduzierend auswirkt. Damit konnten die Tiere schneller schwimmen als andere Fische.

Diese Riblets, so die technische Bezeichnung der Rillenstruktur, können ihre positive Wirkung auch in der Luft entfalten. Dabei prägt der höhere Geschwindigkeitsbereich ihr Aussehen. Über die Zeit verliert sich der Effekt allerdings, da sich die Rillen mit Staub und anderen Ablagerungen zusetzen. Haie haben deshalb einzelne Schuppen, die sich permanent gegeneinander bewegen. So verhindern sie, dass sich Mikroorganismen ansiedeln können. „Wir müssen die Beschichtung etwa nach einem halben Jahr wieder reinigen“, sagt Mathias Nolte, Projektleiter bei Lufthansa Technik.

Zehn Prozent weniger Strömungswiderstand

Nach Ergebnissen der DLR-Wissenschaftler lässt sich der Strömungswiderstand bei idealer Geometrie um rund zehn Prozent verringern. „Rund die Hälfte davon schlägt sich als Spritersparnis nieder, denn der Kraftstoffverbrauch resultiert aus der Reibung, die ein Flugzeug erfährt. Da aber 50 Prozent auf den Luftwiderstand der Flugzeugform entfallen, den der sogenannte cw-Wert beschreibt, kann man mit der Haifischhaut nur die andere Hälfte beeinflussen, die sich als Folge der Strömung auf der Oberfläche ergibt“, erklärt Nolte. Die künstlichen Riblets werden allerdings nur an den Stellen mit turbulenter Strömung aufgetragen. Dort wo die Strömung laminar anliege, sei die Haifischhaut sogar schädlich.

Turbulente Strömungen beträfen allerdings fast die gesamte Oberfläche. Am Flügelprofil moderner Verkehrsflugzeuge seien lediglich die ersten 50 Zentimeter laminar, dann werde es turbulent. Dieser Bereich würde ausgespart, ebenso Bereiche um Sensoren, die sich durch abfallende Riblet-Bestandteile zusetzen könnten.

Harter Lack verhindert Abnutzung

Um die Technik auf einem Flugzeug großflächig anzuwenden, werden die Riblet-Strukturen in eine spezielle Lackschicht gepresst. Der dafür eingesetzte Klarlack muss UV- und Chemikalienbeständig sein und vor allem schnell trocknen. „Wir verwenden einen UV-härtenden Lack, der bereits Sekunden nach der entsprechenden Licht-Dosis so hart ist, dass er sich von alleine nicht mehr verformt“, erklärt Nolte. Das ist notwendig, denn wenn bei 850 Stundenkilometern kleine Staubpartikel gegen die Oberfläche knallen, dürfen die Strukturen nicht sofort kaputtgehen.

Bei Airbus und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM wurde ein umlaufender Silikon-Gurt entwickelt, in das die Riblet-Struktur eingeprägt ist. Zunächst wird Lack gleichmäßig auf dem Bauteil verteilt. Dann fährt ein Roboter, einem kleinen Kettenfahrzeug vergleichbar, über die Oberfläche und drückt die Negativform in den Lack hinein. Die Positivstruktur im Lack wird anschließend mit Hilfe einer UV-Lampe gehärtet. Damit der Lack nicht am Förderband haftet, müssen Andruckkraft, Geschwindigkeit, Härtungsenergie, Umgebungstemperatur und Oberflächenrauigkeit exakt stimmen.

„Fahre ich mit dem Panzerband weiter, bleibt auf dem zu beschichtenden Bauteil ein Klarlackfilm mit der gewünschten Mikrostruktur zurück. Eine komplette Beschichtung dauert zwei bis drei Tage und damit nicht länger als die normale Lackierung eines Langstreckenflugzeugs“, erklärt der Projektleiter.

Einsparungen in Millionenhöhe werden möglich

Bei Airbus möchte man die Technologie zukünftig in die Endmontage integrieren. LHT plant, Bestandsflugzeuge nachträglich zu beschichten und Schäden zu reparieren. Wieviel am Ende gespart werden kann, hängt von vielen Faktoren ab: Dazu zählen sowohl die belegten Flächen, wie auch der Kraftstoffpreis. Auch das Mehrgewicht durch den zusätzlichen Lack, die zusätzlichen Wartungsintervalle, die Notwendigkeit regelmäßiger Reinigung und die Applikationskosten spielen eine Rolle. „Aber es werden allein bei Lufthansa jährlich viele Millionen Euro Kerosinkosten und erhebliche Mengen CO2 sein“, prognostiziert Nolte, auch wenn er fünf Prozent Einsparung für einen Idealwert hält. Das gehe nur mit optimierten Riblets unter definierten Strömungsbedingungen auf der gesamten Oberfläche des Flugzeugs. Dazu müsse man sich kontinuierlich verändernde Riblet-Strukturen darstellen können. Eine änderbare Matrix sei derzeit aber ebenso Zukunftsmusik, wie die Applikation der Riblet-Struktur per Laser oder 3D Drucker. In der Realität müsse man daher Abschläge hinnehmen.

Technologie mit Perspektive

Haifischhaut wird neben der Luftfahrt zukünftig auch andere Technologien bereichern. Im Rahmen des EU-Projekts „Riblets for Wind“ wird die Wirkung bei Rotoren untersucht, um die Energieeffizienz von Windrädern zu steigern. Auch als Auskleidung von Pipelines sind Riblets interessant. Sie verringern den Strömungswiderstand und helfen so, Pumpenergie zu sparen.