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Super hydrophobic and erosion resistant coating for turbine scroll and downstream pipe

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Eine innovative Enteisungsmethode für Flugzeuge, die zugleich vor Korrosion schützt

Die Enteisung von Flugzeugen ist ein sicherheitskritischer Vorgang, der mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist. Neu entwickelte korrosionsbeständige Beschichtungen könnten die Betriebseffizienzen in der Luftfahrt verbessern und auch für andere Industriesektoren Vorteile bieten.

Verkehr und Mobilität

Bei Temperaturen unter null Grad wird das Fliegen zu einem gefährlichen Unterfangen. Ein Grund dafür ist das dann bestehende Risiko, dass sich auf den Flügeln und anderen mechanischen Flächen Eis bildet – und das wiederum kann einen sicheren Start gefährden und den normalen Betrieb des Flugzeuges beeinträchtigen. So kann das zusätzliche Gewicht durch das Eis beispielsweise den Widerstand erhöhen und somit zu erschwerten Flugbedingungen und einem höheren Energieverbrauch führen. Die Enteisung ist deshalb nach wie vor ein entscheidender Bestandteil der Instandhaltung von Flugzeugen. Das Projekt ERICE widmete sich der Herausforderung, die bei der Enteisung eines ganz bestimmten Flugzeugteils besteht – der Kühlturbine. Dieses wichtige System versorgt die Kabine mit temperiertem Sauerstoff und setzt sich aus einem Kühlaggregat und einer Verrohrung, die auch Abluftrohre umfasst, zusammen. „Die Vereisung auf diesen Rohren stellt ein ähnliches Problem dar wie die Vereisung auf Flügeln und anderen Teilen des Flugzeugs“, merkt ERICE-Projektkoordinatorin Fabiola Brusciotti von Tecnalia in Spanien an. „Der Unterschied besteht darin, dass Eispartikel oder unterkühlte Wassertröpfchen beim Auftreffen auf die Innen- und Außenfläche von Auspuffleitungen, durch die kalte Luft strömt, nicht nur Korrosion, sondern auch Oberflächenerosionen verursachen können.“

Superhydrophobe Lösungen

Die gegenwärtige Methode zur Enteisung von Rohren einer Kühlturbine besteht normalerweise darin, ihre Oberflächen mit hohen Temperaturen zu behandeln. Doch das ist teuer und energieintensiv. Um diesem Problem beizukommen, nahm sich das ERICE-Projekt die Entwicklung neuer Enteisungstechniken vor, die verhindern, dass sich das Eis überhaupt erst auf der Oberfläche festsetzen kann. „Wir wollten Oberflächenbehandlungen mit resistenten Eigenschaften gegenüber Eisadhäsion und Korrosion entwickeln und testen und sicherstellen, dass Eis, das sich doch festsetzt, leicht wieder abfällt“, erklärt Brusciotti. Dafür prüfte das Projektteam zunächst bestehende superhydrophobe Lösungen für Rohrinnenflächen und entwickelte dann neue hydrophobe Behandlungen für unterschiedliche Arten von Substraten (Aluminiumlegierungen und den thermoplastischen Werkstoff PEEK). Um superhydrophobe und erosionsbeständige Oberflächen zu erhalten, testeten die Forschenden mehrere innovative Strukturierungsverfahren in Kombination mit der sogenannten Hybrid-Sol-Gel-Technologie. Alle eingesetzten chemischen Stoffe entsprachen in vollem Umfang den Vorschriften der REACH-Verordnung für Chemikalien. „Unsere Beschichtungslösungen wurden auf einem Prüfstand an der Universität Cranfield im Vereinigten Königreich erprobt, der speziell konzipiert war, um die Bedingungen der Eisbildung in Kühlturbinen genau zu reproduzieren“, ergänzt Brusciotti. Der Prüfstand befand sich in einem klassischen Eistunnel, d. h. kalte Temperaturen, Wind und vereisendes Spritzwasser. Dadurch war es dem Projektteam möglich, die Leistung ihrer Beschichtung mit gegenwärtigen Enteisungsmethoden zu vergleichen.

Bahnbrechende Schutzbeschichtungen

Die Tests belegten das Potenzial der bahnbrechenden Schutzbeschichtungen von ERICE. „Wir konnten zeigen, dass unsere Lösungen bei der Enteisung und beim Erosionsschutz gut funktionieren“, so Brusciotti. „Das ist nicht immer leicht, denn Eis verhält sich unterschiedlich, je nachdem, unter welchen Bedingungen es sich gebildet hat.“ Pilottests der Projektinnovationen unter realen Bedingungen sind für diesen Sommer geplant. Die Beschichtungstechnologie von ERICE könnte sich auch auf andere eisempfindliche Umgebungen ausweiten lassen, wie etwa andere Bereiche des Flugzeugs wie die Flügel. „Es sind auch Branchenvertretungen an uns herangetreten, die mit Vereisung zu kämpfen haben, darunter Betreiber von Windkraftanlagen und Hochspannungskabeln“, so Brusciotti. Ein Vorteil ist, dass die Beschichtungen nicht bloß hydrophob, sondern „omniphob“ sind – damit werden Oberflächen bezeichnet, die nahezu jede Flüssigkeit abweisen. Damit könnte der Weg für weitere Anwendungen wie leicht zu reinigende Anti-Fingerabdruck-Oberflächen und antimikrobielle Oberflächen frei werden. „In diesem Projekt haben wir uns konkret mit Eis und der Herausforderung durch die Enteisung von Kühlturbinen beschäftigt“, so Brusciotti. „Doch aus der Marktperspektive betrachtet – und mit einigen Änderungen – könnte dieses Konzept auch für andere Märkte in Frage kommen.“

Schlüsselbegriffe

ERICE, Vereisung, Flugzeug, Kühlturbine, Polyetheretherketon, PEEK, hydrophob, omniphob, Erosion, antimikrobiell

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