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Super-IcePhobic Surfaces to Prevent Ice Formation on Aircraft

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Der gefährlichen Eisbildung auf Flugzeugen vorbeugen

Die Eisbildung auf Flugzeugen verursacht zahlreiche Schäden, die von ökologischen Ineffizienzen bis hin zu Abstürzen reichen. PHOBIC2ICE entwickelte innovative Technologien und Konstruktionen, um das Problem zu verhindern und abzuschwächen.

Verkehr und Mobilität

Eis und Flugzeuge sind eine gefährliche Mischung. Die Eisbildung auf Flugzeugen stellt ein ernstzunehmendes Problem dar: selbst eine kaum sichtbare Eisschicht kann die Funktionsweise lebenswichtiger Systeme wie Flügel, Propeller, Windschutzscheiben, Antennen und Entlüftungen ernsthaft einschränken. Es bildet sich Eis, da große, kalte Tropfen auf der kühlen Oberfläche des Flugzeugs landen und dort bei Kontakt gefrieren. Flugverkehrsdaten legen nahe, dass Eisbildung für 35 % der witterungsbedingten Flugzeugunfälle verantwortlich ist (die Hauptursache), die für etwa ein Fünftel der witterungsbedingten Todesfälle im vergangenen Jahrhundert verantwortlich ist (die zweitgrößte Ursache nach Turbulenzen). „Die Eisbildung erhöht auch den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen, da das Gewicht und der Luftwiderstand steigen, während der Schub und Auftrieb verringert werden“, erklärt Professor Jolanta Sapieha von der Polytechnischen Hochschule Montreal, der für die Entwicklung der Beschichtung verantwortliche Teamleiter. Dies bedeutet, dass jede Lösung für das Problem der Umwelt zugute kommt und die Kosten für häufige Enteisungsverfahren am Boden beseitigt. Im Jahr 2016 rief ein internationales Konsortium von Experten aus Europa und Kanada das Projekt PHOBIC2ICE ins Leben, das der ambitionierten Herausforderung der Entwicklung und Prüfung von Technologien zur Prävention und Reduktion der Eisbildung auf Flugzeugen gewidmet war. Einen Gefrierschutz schaffen Das Team entwickelte mehrere Typen von Polymer-, Metall- und Hybridbeschichtungen, welche die Eisbildung abweisen sollen. Diese eisabstoßenden Beschichtungen waren auf fünf Materialien fokussiert: Aluminium- und Titanlegierungen aus dem Luftfahrtbereich, rostfreier Stahl, ein Kohlenstoff-Epoxid-Verbundwerkstoff und Polyamid. Die Forschung wurde in drei Kategorien unterteilt: Grundlagenforschung einschließlich Prüfungen zur Materialoberflächentopographie und -adhäsion, fortgeschrittene Prüfungen zu den Eisbildungsbedingungen sowie praktische Prüfungen hinsichtlich der Beständigkeit der neuen Beschichtungen angesichts natürlicher Effekte wie z. B. Korrosion und UV-Exposition. „Die effektivsten Beschichtungen funktionierten so, dass sie vor dem Gefrieren möglichst viele Wassertropfen abwiesen (Superhydrophobizität) oder durch Reduzierung der Haftfähigkeit von Eis, das sich an der Oberfläche bildet“, sagt Dr. Elmar Bonaccurso von Airbus in Deutschland, der für die Entwicklung der Industrieerfordernisse (Anwendungsszenarien) und Prüfprotokolle verantwortliche Teamleiter von PHOBIC2ICE. „Spezifische Behandlungen und Beschichtungen können verhindern, dass Wassertropfen gefrieren, indem die Wasseradhäsion verringert und die Eisnukleation verlangsamt wird, damit Wassertropfen durch die Scherkraft des Luftstroms beseitigt werden können“, sagt Antonio Miraglia, Direktor für Forschung und Entwicklung bei DEMA Aeronautics in Montreal, der im Projekt PHOBIC2ICE für die Modellierung des Tropfenschlags verantwortlich ist. Belastungsprüfungen Es wurden groß angelegte Eiswindkanal- und Flugversuche in Kanada bzw. Spanien durchgeführt, um die vorgeschlagenen Lösungen zu erproben und zu entwickeln. Dies erfolgte in Kombination mit fortgeschrittenen Computermodellierungssimulationen, die auf drei Ebenen durchgeführt wurden: auf der Ebene der Atomwechselwirkungen, im Mikrometermaßstab und im Makromaßstab. Die Modelle wurden zur Simulation des Verhaltens von Regentropfenströmen auf Flügelprofilen in drei Maßstäben verwendet – im Maßstab der Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen, im Mikrometermaßstab und im Makromaßstab (größere Oberflächenanteile). Die neuen Oberflächendesigns wiesen zusätzliche Vorteile auf, die über das Abweisen von Eis hinausgingen: mehrere Beschichtungen oder Oberflächenmodifikationstechniken übertrafen die Leistung von blanken Metallen hinsichtlich des Widerstands gegen Regen- und Sanderosion, gegen Korrosion sowie gegen Chemikalien, die bei der Flugzeuginstandhaltung Verwendung finden. Die Beschichtungen wurden unter Berücksichtigung bestehender Flugzeuge sowie potenzieller zukünftiger Modelle geschaffen. „Alle Oberflächenmodifikationstechniken waren auf die Kompatibilität mit bestehenden Komponenten ausgelegt, damit diese auf aktuelle Flugzeuge angewandt oder direkt in die Konstruktion neuer [Flugzeuge] integriert werden könnten“, sagt Prof. Sapieha. Ein erfolgreiches Unterfangen im Team Das interkontinentale Forschungsteam bestand aus neun Partnern, und alle Mitglieder gaben zu verstehen, wie nützlich und erfreulich die Arbeit im Team gewesen sei, bei der auf das jeweilige Fachwissen zurückgegriffen wurde. „Wir bewiesen, dass Geduld und Respekt zur Entwicklung einer vertrauenswürdigen Kooperation und Beziehung führen“, sagt Leo Turno aus Warschau, Polen, der Projektkoordinator von PHOBIC2ICE. „Es lohnt sich auch, darauf hinzuweisen, dass die Anwesenheit engagierter Menschen aus der Industrie das Management des ganzen Projekts weitaus einfacher macht, da alle Wissenschaftler viel motivierter sind, mit ihren Fähigkeiten über ihre normalen Grenzen hinauszugehen.“ Professor Ali Dolatabadi von der Concordia University in Montreal, der für die Modellierung und Beschichtungsentwicklung verantwortliche Leiter des Arbeitspakets und Projektkoordinator für die kanadischen Partner, fügt hinzu: „Es war das erfreulichste Projekt, an dem ich in den vergangen 15 Jahren das Vergnügen hatte, mitzuarbeiten.“

Schlüsselbegriffe

PHOBIC2ICE, Eis, Flugzeuge, Ansammlung, Bildung, Innovation, Prävention, Konstruktion, Treibstoffverbrauch, Flugfahrt, Beschichtungen

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