Image: Haifisch-Haut hilft beim KerosinsparenFERCHAUFERCHAUHai-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.