Image: Fehlender Haftgrund für Schmutz und TierchenFERCHAUFERCHAUSorgt der Lotoseffekt für saubere Flugzeuge? | phive2015
TechnikLotos ähnliche Effekte

Fehlender Haft­grund für Schmutz und Tier­chen

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Flugzeuge müssen bald nicht mehr gereinigt werden, weil auf ihnen wasser- und schmutzab­wei­sende Nanostruk­turen den Lotoseffekt kopieren. Auch lästige Seepocken fallen zukünftig von den Schiffsrümpfen einfach ab. Bionik macht’s möglich.

10. Januar 2019

Lotoseffekt nennt die Wissenschaft diese verblüffende Eigenschaft der Natur: Die Blätter der Lotosblume lassen Wasser und Schmutz auf Grund ihrer speziellen Oberflächen­struktur glatt abperlen. So bleibt die Nelumbo – das ist ihr wissenschaft­li­cher Name – immer sauber und trocken. Und als „Bionik“ bezeichnet die Wissenschaft das Bestreben, solche Naturphä­no­mene auf technische Anwendungen zu übertragen.

So auch im Bereich des Flugzeug­baus: Im Rahmen des europäischen Projektes „Laser4fun“ haben Ingenieure vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden zusammen mit Wissenschaft­lern der Technischen Universität Dresden sowie dem Flugzeug­her­steller Airbus ein Laserver­fahren entwickelt, das automatisch strukturierte Oberflächen erzeugt und so die Oberflächen­kon­ta­mi­na­tion auf den Fliegern erschweren soll.

Die Lotosflieger

Filigrane Laser-Gravuren auf den Außenflä­chen von Flugzeugen sollen diesen Lotos ähnlichen Effekt erzeugen damit diese Flächen sauber und die Luftströ­mung glatt bleiben. „Mit unserem Verfahren wollen wir jede Form der Verunrei­ni­gung von Flugzeugo­ber­flä­chen vermeiden“, sagt Dr. Tim Kunze, Leiter der Gruppe Oberflächen­funk­tio­na­li­sie­rung vom IWS Dresden.

Die Ingenieure nutzen dabei spezielle Optiken – genannt DLIP (Direct Laser Interference Patterning). Sie teilen damit einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen auf, die später zum Strukturieren auf der Material­ober­fläche wieder zusammen­ge­führt werden. Mit dieser neuen Methode können die Wissenschaftler sehr präzise und kontrollier­bare Lichtmuster erzeugen: Wird dieses Interferenz­muster nun auf ein Titanblech fokussiert, schmilzt das hochener­ge­ti­sche Laserlicht das Material und trägt es in den hellen Bereichen des Musters ab. Das Material in den dunklen Bereichen bleibt davon jedoch unbeeinflusst.

So erzeugen die Wissenschaftler ihre winzig kleinen Strukturen, die unter dem Mikroskop betrachtet wie Säulenhallen oder Wellblech-Dächer aussehen. Die Abstände zwischen solchen Säulen lassen sich frei zwischen 150 Nanometer und 30 Mikrometer einstellen. Jetzt muss die von DLIP hergestellte Beschich­tung noch ihr Potenzial in der Praxis unter Beweis stellen. Fest steht: Je geringer der Reibungs­wi­der­stand eines Flugzeugs in der Luft ist, desto geringer wird auch der Treibstoff­ver­brauch sein.

Pilzköpfe gegen Seepocken

Über eine künstliche Haifisch-Haut auf Flugzeugen, die den Kerosinver­brauch senken soll, hatte unser Blog bereits berichtet. Nun verpassen Kieler Forscher auch Schiffsrümpfen bald eine zweite Haut, die mit einem speziellen Anti-Hafttrick den unerwünschten Seepocken­be­fall verhindert.

Denn einem Forscher­team des Zoologischen Instituts der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) ist es gelungen, eine Silikonbe­schich­tung zu entwickeln, auf der fast keine Seepocken mehr haften können. Ähnlich wie der Lotoseffekt, der das Abperlen von Flüssigkeit auf glatten Oberflächen bewirkt, verhindert die Geometrie dieser neuen Struktur eine starke Klebever­bin­dung zwischen Seepocken oder Muscheln mit der neuen Beschich­tung.

Seepocken und Muscheln produzieren proteinhal­tige Klebstoffe, um sich an natürlichen und vom Menschen hergestellten Oberflächen wie Schiffsrümpfen oder Offshore-Anlagen dauerhaft anzusiedeln. Der unerwünschte Bewuchs sorgt bei Schiffen für einen höheren Treibstoff­ver­brauch durch einen größeren Strömungs­wi­der­stand. Deswegen will man sie loswerden. Konventio­nelle Methoden, Schiffsrümpfe gegen den unerwünschten Bewuchs zu schützen, sind sehr zeitaufwendig und häufig auch nur unter Einsatz von umweltschä­di­genden Giftstoffen zu erreichen.

Der Verdrängungs­ef­fekt

Die Kieler Seepocken abweisende Silikonbe­schich­tung ist dagegen ungiftig. Der Clou: sie besteht aus einer pilzkopfähn­li­chen Mikrostruktur auf der Oberfläche. Die Polster sind bis zu 50 Mikrometer groß und hexagonal in Abständen von etwa 40 Mikrometer angeordnet. In den kleinen Zwischen­räumen kann das Material Luftblasen auch unter Wasser über Monate hinweg einlagern „Und überall dort, wo sich die kleinen Luftbläs­chen befinden, kann der Pockenkleber nicht mehr haften“, erklärt der Forschungs­leiter Professor Stanislav Gorb. Selbst wenn die Folie vollständig mit Wasser benetzt ist, schaffen die Seepocken es nicht mehr, mit ihrem Klebstoff das Wasser aus den Vertiefungen der Mikrostruktur zu verdrängen.

Mit einer Einschrän­kung: „Jungtiere können aufgrund ihres geringen Gewichtes noch eine Weile darauf haften bleiben“, sagt Gorb. Aber das Wachstum der Schalentiere verbunden mit ihrer Gewichts­zu­nahme lässt die Pocken nach wenigen Wochen einfach wieder ins Wasser abgleiten. Erwachsene Tiere oder große Siedlungen von Seepocken finden hier jedenfalls keinen Haftgrund mehr.

Ein erster Praxistext fand bereits statt: Teile des Rumpfes an vier Segeljachten des Kieler Yachtclubs wurden mit der neuen Folie ausgestattet und eine Saison lang getestet. Das Ergebnis: als die Boote aus dem Wasser gezogen wurden, waren keine Seepocken oder andere Makrofouler wie Muscheln auf der neuen Beschich­tung zu finden. Das Folien-Verfahren ließe sich auf alte und neue Schiffe anwenden, berichtet Professor Gorb. Es gäbe hierzu auch schon einige Anfragen von Bootseig­nern. Denn mit dieser Kieler Folie bleibt der Schiffsrumpf auf lange Zeit gegen die Pocken geimpft.