Wissenschaft

„Haifischhaut“ macht Flugzeuge sparsamer

Die Luftfahrtindustrie sucht laufend nach Möglichkeiten, Kosten einzusparen. Eine steirische Technologie soll künftig dafür sorgen, dass Flugzeuge sparsamer und leiser fliegen – möglich werden soll das mit Hilfe einer „haifischhautähnlichen“ Beschichtung.

Um Kosten zu sparen müssen Flugtriebwerkshersteller ihre Antriebe weiter entwickeln und verbessern, das führte steirische Forscher dazu, sich mit Strömungsexperimenten und der besonderen Eigenschaft von Haifischhaut zu beschäftigen. An der Technischen Universität Graz fanden sie in Kooperation mit einem Grazer Start-up etwa heraus, dass die Simulierung einer Haifischhaut-Oberfläche im Triebwerk den Strömungswiderstand verringert, was wiederum die Triebwerksleistung verbessert.

Methode soll Gewicht und somit Treibstoff sparen

Ein Flugzeugtriebwerk saugt, vereinfacht dargestellt, vorne Luft an, die hinten durch Verdichtung und Verbrennung mit Treibstoff mit einer viel höheren Geschwindigkeit wieder ausgestoßen wird. Je größer und langsamer das Gebläserad vorne am Triebwerk ist, umso effizienter und leiser kann diese Antriebskomponente arbeiten. Das Gebläserad wird wiederum von der Niederdruckturbine angetrieben.

Dem sogenannten Übergangskanal zwischen Hoch- und Niederdruckturbine schreiben viele Antriebsexperten eine wichtige Schlüsselkomponente für zukünftige Triebwerke zu. Dieser Kanal befindet sich nach der Brennkammer und zählt somit zu den Heißgaspfadteilen des Triebwerks. Mit einer neuen integralen Lösung wollen die Grazer Techniker die Länge des Triebwerks sowie die Komponentenanzahl senken, um Gewicht und somit auch Treibstoff einzusparen.

Weniger Umweltemissionen

„Ein zu kurzer Übergangskanal könnte einen Strömungsabriss verursachen, da die Luft dem Strömungspfad aufgrund der aggressiveren Geometrie eventuell nicht mehr folgen kann“, erklärte Emil Göttlich, Forscher am Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der TU Graz, die damit einhergehende Herausforderung.

Göttlich untersuchte im EU-Projekt TURANDOT (Turbulence and Duct Surface Optimization in Turbofans) in einer Versuchsturbine unter anderem die komplexen dreidimensionalen Strömungen im Übergangskanal der Turbine um Wirkungsgradverbesserungen aufzuzeigen. Die Experimente werden in enger Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Triebwerkshersteller General Electric ausgeführt. Dabei zeigte sich, dass geringe Änderungen in der Geometrie beträchtliche Einsparungen im Kerosinverbrauch und damit zugleich eine Verringerung von umweltschädlicher Emissionen mit sich bringen können.

Haifischhaut macht schneller

Um den Wirkungsgrad der Turbinen weiter zu verbessern, testeten die Forscher auch, wie Veränderungen der Oberflächen im Gebläserad die Strömungsqualität optimieren könnten. Dabei griffen sie auf eine haifischhautähnliche Beschichtung zurück. Entwickelt wurde Hightech-Haifischhaut vor mehr als zehn Jahren von den beiden einstigen Grazer Maschinenbau-Absolventen Andreas Flanschger und Peter Leitl. Heute führen sie das Grazer Unternehmen „bionic surface technologies“.

Als die Ingenieure damals unter einem Mikroskop die Oberflächenbeschaffenheit von Haifisch-Schuppen untersuchten, erkannten sie, dass die Haut von einem regelmäßigen Muster aus nano-und mikrostrukturierten Rillen in Strömungsrichtung überzogen ist. Diese sogenannten Riblets, die sonst kein Fisch besitzt, sind nur einen Mikrometer breit und doch geben sie dem Hai den entscheidenden Vorteil: Die spezielle Feinstruktur verringert den Reibungswiderstand so sehr, dass der Fisch äußerst flink und energieeffizient durch das Wasser gleiten kann.

Treibstoffverbrauch wird deutlich gesenkt

Diese der Natur abgeschauten Mikrostrukturen macht sich das Grazer Unternehmen seither zunutze, um etwa Boote, Flugzeuge oder auch Windkraftwerke durch entsprechende Riblets zu optimieren. Die Ribletoberflächen können als selbstklebende Folie, als Lack, gedruckt oder direkt mit einem Laser auf hochfeste Materialien aufgetragen werden. Im Rahmen des von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG unterstützten Projektes wurde nachgewiesen, dass die Riblet-Beschichtung auch die Reibung an der Wand des Übergangskanals von Turbinen verringert und somit der Wirkungsgrad des Übergangskanals und die Triebwerksleistung enorm verbessert wird, wie die TU Graz am Donnerstag zu Projektabschluss mitteilte.

„Mit der sogenannten Riblet-Technologie können wir den Druckverlust im Übergangskanal unabhängig von seiner Geometrie um bis zu fünf Prozent reduzieren. Auch wenn das auf den ersten Blick nach wenig klingt, kann so der Treibstoffverbrauch merklich reduziert werden“, schilderte Göttlich.