Für den perfekten Luftstrom

Tote Insekten und anderer Schmutz erhöhen auf den Flügeln von Flugzeugen den Luftwiderstand – und damit den Treibstoffverbrauch. Forscher arbeiten darum an neuen, schmutzabweisenden Lacken.

Ein Airbus-Flugzeugrumpf wird neu lackiert. Foto: PD

Ein Airbus-Flugzeugrumpf wird neu lackiert. Foto: PD

Feedback

Tragen Sie mit Hinweisen zu diesem Artikel bei oder melden Sie uns Fehler.

Eine 757 der Boeing-Werke ist in diesen Tagen auf speziellen Testflügen unterwegs. Die Routen wurden sorgfältig ausgewählt, sie befinden sich bei der Stadt Shreveport im südlichen US-Bundesstaat Louisiana. Im Himmel über Louisiana schwirren nämlich besonders viele Insektenschwärme herum.

Und genau die sind gefragt bei der Kampagne, welche die Materialforscher «Anti-Bug Research» nennen. Erprobt werden neue insektenabweisende ­Beschichtungen für Flugzeugflügel. Während jeweils ein Flügel der Testmaschine als Vergleichsobjekt unbehandelt bleibt, werden auf dem anderen neue Speziallacke aufgetragen. Das Werkflugzeug, als «Eco-Demonstrator» bezeichnet, ist ein Gemeinschaftsunternehmen von Boeing und ihrer Kundin TUI, dem grössten europäischen Airlineverbund von Ferienfliegern. Die Untersuchungen zum Insektenproblem werden vom Langley-Forschungszentrum der Nasa durchgeführt. Bevor die neuen Lacke mit dem Demonstrator-Flugzeug in die Luft gehen, werden sie im Windkanal getestet.

Die Wirbel bremsen

Mit den Tests wollen die Ingenieure nicht nur herausfinden, welche Lacke weniger unter Insekten leiden, sondern auch, wie gross überhaupt der Einfluss des Schmutzes an den Flügeln ist. An der Front eines Autos sind die zerschmetterten Insekten unschön, an einem Flugzeugflügel stören auch kleine Partikel den Luftstrom. Die Luft streicht dann nicht mehr laminar, das heisst in Form eines Stapels von getrennten Schichten, am Flügel vorbei. Die Strömung wird gestört, und dabei entstehen bremsende Wirbel.

Um den grösseren Widerstand zu überwinden, müssen die Triebwerke härter arbeiten. Der Treibstoffverbrauch steigt und damit auch der Ausstoss von Kohlendioxid (CO2) und anderen klimaschädlichen Abgasen. Kostendruck und der – politisch derzeit noch nicht richtig durchsetzbare – Einbezug des Luftverkehrs in die Klimaschutzprotokolle motivieren die Airlines, Kerosin zu sparen.

Verschmutzungen tragen nur zu einem geringen Teil zum Luftwiderstand eines Flugzeugs bei. Nicht glatt schliessende Türen, Tore und Serviceklappen oder schadhafte Dichtungen erzeugen ebenfalls unerwünschte Wirbel. Auch ein Mehrverbrauch von Treibstoff im ­Bereich von Promillen und Prozenten summiert sich im Alltagsbetrieb. Boeing empfiehlt deshalb den Kunden, Flugzeuge und Triebwerke regelmässig zu waschen. Dabei werden auch allfällige Öl- oder Russspuren beseitigt und die Korrosion bekämpft – nicht zuletzt sind saubere Flugzeuge eine Frage des Firmen­images. Gefragt ist Hochglanz, der «Wet Look».

Ziel der Flugzeugindustrie ist der perfekte laminare Luftstrom. Da dafür sehr viele Faktoren zusammenspielen müssen, gibt es kein Patentrezept für die Konstrukteure. Wissenschaftler tun sich noch schwer damit, die komplexen Verhältnisse der Aerodynamik rechnerisch zu fassen. In Europa wird das Thema im Rahmen des umfangreichen Forschungsprogramms «Clean Sky» der EU untersucht, das sich über mehrere Jahre erstreckt. Dazu gehören auch innovative Lacke, an zwei Airbus-Maschinen der Lufthansa wurden bereits Muster­flächen angebracht.

Grosse Chancen bei der Suche nach der laminaren Strömung werden der Bionik eingeräumt, der technischen Nutzung von Mustern aus der Biologie. Im Falle des Flugzeugs ist dies eine Oberfläche mit Mikrorillen, nach dem Vorbild der Natur auch Haifischhaut genannt. Sogenannte Riblets, mikroskopisch kleine Längsrillen, wie sie an den Schuppen schnell schwimmender Fische vorhanden sind, verringern den Strömungswiderstand. Die Luftteilchen werden durch die winzigen Rillen in die gewünschte Richtung gelenkt. Sie weichen weniger seitwärts aus, es entstehen ­weniger Wirbel.

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen wurde ein Gerät entwickelt, mit dem so strukturierte Lacke auf Flugzeuge aufgetragen werden können. Die haarfeinen Rillen werden mit einer Matrize in den mit Nanopartikeln versehenen Lack eingeprägt, dann wird die Schicht mit UV-Licht gehärtet. Das Verfahren scheint erfolgversprechender als eine früher geprüfte Lösung mit Folien, die sich nicht bewährt hat. Auch wenn das Prinzip der Haifischhaut schon lange bekannt ist – und sich bei den Anzügen von Schwimmsportlern als wirksam erwiesen hat –, ist die grosstechnische Anwendung bei den Flugzeugen noch nicht gelöst.

Wie die Federn eines Vogels

Da Flugzeuge – und übrigens auch Schiffe – ohnehin regelmässig neu ­lackiert werden müssen, sei eine solche Haifischhaut ein kostengünstiger Beitrag zur Verhinderung des Widerstandes, schreiben die Entwickler aus dem Fraunhofer-Institut. Andere neue Lacke, an denen Chemiker und Anwendungsspezialisten arbeiten, sollen die Bildung von Eis an der Oberfläche vermindern oder sogar verhindern. Das wäre nicht nur für die Fliegerei willkommen, ­sondern auch für Schiffe, Züge oder Windkraftanlagen.

Lacke, von denen Verschmutzungen leicht abzuwaschen sind oder sich gar nicht erst ansammeln, stehen aber in einem gewissen Widerspruch zur fein gerillten Haifischhaut, deren Oberfläche nicht völlig glatt ist. Verlangt wird zudem, dass weniger Lackschichten aufgetragen werden. Für einen Grossraumjet werden mehrere Hundert Kilogramm Lacke benötigt, ein um einige Prozent leichteres Flugzeug braucht messbar weniger Treibstoff. Bei den neuen Rezepturen müssen die Lackchemiker aber auch Umweltrichtlinien berücksichtigen, etwa bei den Lösungsmitteln oder dem Element Chrom.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Airbus-Konzern versuchen neben der neuen Lackierungstechnik auch aktive Methoden. Die Flügelform soll mithelfen, die Strömung zu erhalten, wobei sich künftige Flügel flexibel an die jeweiligen Flugzustände anpassen sollen – ähnlich wie die Federn eines Vogels. Die Strömung könnte auch beeinflusst werden, wenn im Flügel Öffnungen angebracht werden, durch die unerwünschte Luft weggeleitet würde. Im Windkanal wird mit solchen Systemen experimentiert. In Computersimulationen gehen die Forscher des DLR noch einen Schritt weiter: Eine sogenannt negative Flügelpfeilung würde den Luftwiderstand deutlich verringern. Ein solches Flugzeug sähe quasi umgekehrt aus, die Flügel bildeten ein V mit der Spitze gegen das Heck.

Erstellt: 10.05.2015, 17:15 Uhr

Die Redaktion auf Twitter

Stets informiert und aktuell. Folgen Sie uns auf dem Kurznachrichtendienst.

Service

Ihre Spasskarte

Mit Ihrer Carte Blanche von diversen Vergünstigungen profitieren.

Kommentare

Abo

Abo Digital - 26 CHF im Monat

Den Tages-Anzeiger unbeschränkt digital lesen, inkl. ePaper. Flexibel und jederzeit kündbar.
Jetzt abonnieren!

Die Welt in Bildern

Herbstlich gefärbte Weinberge: Winzer arbeiten in Weinstadt, im deutschen Baden-Württemberg. (17. Oktober 2019)
(Bild: Christoph Schmidt/DPA) Mehr...