Entwicklung nanobasierter Strukturen zur Verringerung des Strömungswiderstands in der Luftfahrt und in der Fertigungsindustrie
Dank der Anstrengungen bezüglich der Entwicklung von Techniken, mit denen der Strömungswiderstand im Luftverkehr reduziert werden kann und somit auch der Treibstoffverbrauch sowie die CO2- und Lärmemissionen abnehmen, gewinnt der Einsatz von Mikrostrukturen und Nanostrukturen zunehmend an Beliebtheit. Bei Flugzeugen, die einen erheblichen Anteil an den Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor haben, wurden Riblets als Methode zur Reduzierung des Luftwiderstands bereits vielfach untersucht. Hier setzt das EU-finanzierte Projekt ReSiSTant (Large Riblet Surface with Super Hardness, Mechanical and Temperature Resistance by Nano Functionalization) an: Schwerpunkt ist die Verringerung der Umweltauswirkungen im Luftverkehr und in der Industrie durch die Nutzung von Nanotechnologie. Es „entwickelt neue nanofunktionalisierte und optimierte Riblet-Oberflächen zum Einsatz in zwei echten Demonstratoren für Mantelstromtriebwerke von Flugzeugen und industrielle Kompressoren“, wie in einer Pressemitteilung erläutert wird. Riblets sind mikroskopisch kleine Rillen, die als Oberfläche auf die äußere Haut eines Flugzeugs aufgetragen werden. In derselben Meldung heißt es weiter: „Riblet-Oberflächen bestehen aus sehr kleinen (2-100 Mikrometer großen) Rillen, die parallel zur Strömung ausgerichtet sind. Sie sind die einzige passive Methode zur Verringerung des Strömungswiderstands bei Flugzeugen, die für die nächste Generation von Flugzeugen bereits einsatzreif ist. Mit diesen Oberflächenstrukturen ließe sich eine Reduzierung des Widerstands bei turbulenten Strömungsverhältnissen von möglicherweise bis zu 8 % erzielen. Ihr Potenzial in Bezug auf die Energieeinsparung wie auch auf die Gewichts- und Lärmminderung ist also enorm, und zwar sowohl für die Luftfahrtindustrie als auch mit Blick auf die Verbesserung der Generatorenleistung im Wind- und Gasturbinensektor.“
Die Leistung optimieren
Um die Gestaltung der Riblets zu bestimmen, bezieht das Projekt ReSiSTant die Berechnung von Geometrien, die numerische Simulation des Riblet-Effekts, die Riblet-Anzahl und deren Positionierung in die Erwägungen ein. Die Projektpartner führten eine Simulation der Riblet-Größen für alle Demonstratoren durch, berechneten die numerische Strömungsmechanik und analysierten Nanobeschichtungstechniken. „Auf der Grundlage dieser Ergebnisse werden das Material für die Riblets sowie die Nanofunktionalisierung und die Nanostrukturen für beide Demonstratoren [Mantelstromtriebwerke von Flugzeugen und industrielle Kompressoren] entwickelt“, wird in derselben Pressemitteilung erklärt. „Zur Erlangung nanofunktionalisierter Oberflächen für eine bessere Widerstandsfähigkeit unter rauen Bedingungen wurden Nanopartikel wie Siliziumdioxid angewendet. Es wurden mikrostrukturierte hitzeresistente Oberflächen entwickelt, die jetzt für Tests zur Verfügung stehen.“ Die Projektpartner hoffen, „optimierte beschichtete Riblet-Oberflächen auf Zielkomponenten für industrielle Demonstratoren wie auch Pilotlinien zur Fertigung dieser Komponenten“ bis zum Projektende im Dezember 2021 anwenden zu können. „Die rauen Betriebsbedingungen, darunter hohe Temperaturen, hohe Abrasion und Erosion sowie starke Korrosion, stellen eine große Herausforderung dar. Daher ist die Validierung der Technologie der optimierten Riblet-Beschichtungen in einer relevanten Umgebung unverzichtbar“, heißt es weiter. Die am Projekt ReSiSTant beteiligten Partner werden das Reifeniveau dieser Pilotlinien bis zum Technologie-Reifegrad der Stufe 7 voranbringen. Dies bezieht sich auf die Demonstration eines System-Prototypen in einer Betriebsumgebung. Weitere Informationen: ReSiSTant-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
ReSiSTant, Emissionen, Flugzeug, Verringerung des Strömungswiderstands, Nanotechnologie
