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Videoblog:


Superschnell dank
Haifischhaut?
03

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Haie minimieren ihren Strömungswiderstand durch die rillenförmige Struktur ihrer Hautschuppen – den Riblets – und gleiten auf der Jagd nach Beute mühelos durchs Wasser. Solche Riblets möchten Wissenschaftler auf metallischen Werkstoffen für funktionale Oberflächen einsetzen, um Reibungswiderstände bei Flugzeugen zu verringern. Für sciencemovies haben sie ihre Arbeit mit der Kamera begleitet.

Alle Episoden zu diesem Projekt


28.02.2011

Intro

Moderne Schwimmanzüge sind damit bereits ausgestattet, aber kann die Oberflächenstruktur von Haifischhaut auch bei Flugzeugen und Zügen eingesetzt werden – und so Energie sparen?
03.0
07.03.2011

Rillen gegen Reibung

Bislang wird sie vor allem im Spitzensport eingesetzt: künstliche Haifischhaut. Sie reduziert den Widerstand und spart so Energie. Lässt sich dieses Prinzip auch anders nutzen, etwa an Flugzeugen?
03.1
23.03.2011

Wirbelsturm im Millimetermaß

Wie funktionieren Riblets? Am Flugzeugmodell zeigen die Rillen ihre reibungsverringernde Wirkung. Doch in der Praxis hat die künstliche Haifischhaut ihre Tücken.
03.2
11.04.2011

Feine Kerben für stabile Schaufeln

Können die Haifisch-Rillen direkt ins Metall geprägt werden? Die Aachener Forscher wollen so die Energiebilanz von Flugzeugturbinen deutlich verbessern.
03.3
10.05.2011

Die perfekte Rolle

Ein kniffliges Problem: Die Forscher benötigen eine besonders harte Walze – die aber gleichzeitig besonders schonend mit dem Material umgeht.
03.4
10.06.2011

Geschosse in der Luft

Am Flugzeug müssten die Riblets extremen Belastungen standhalten: Bei 800 Stundenkilometern Reisegeschwindigkeit könnten selbst Regentropfen schwerwiegende Schäden anrichten. Die Riblets müssen deshalb zum Praxistest.
03.5
07.07.2011

Think big!

Premiere in Aachen: Erstmals walzen die Ingenieure ihre Haifisch-Rillen in eine echte Triebwerkschaufel. Doch schwächt das Verfahren das Material?
03.6
28.07.2011

Gut verdrahtet

Fast wie eine Nähmaschine: Eine neuartige Walze nutzt feine Stahldrähte, um Riblets zu fertigen. Sie prägt weiche Materialien wie Aluminium. So könnten beispielsweise Züge mit Haifischhaut versehen werden.
03.7
06.09.2011

Test am Computer

Ein erster Rückschlag: Die neue Walze für Aluminiumbleche arbeitet noch nicht sauber genug. Können Computersimulationen die Ergebnisse verbessern?
03.8
08.11.2011

Forschung für die Zukunft

Die Simulationen am Computer haben entscheidende Hinweise gegeben: Nun können die Aachener auch auf Aluminium perfekte Riblets walzen. Ein entscheidender Schritt für den Einsatz im Verkehr.
03.9
Fragen an die Frager
Haben Sie Fragen oder Anregungen zu diesem Projekt? Dann freuen wir uns über Ihren Beitrag:

Die aktuellsten Fragen

Dieter Hartl, Wien
Sind auch andere Formen der Oberflächenmanipulation in Bezug auf Widerstandsveringerung untersucht worden? ich denke dabei an sogenannte "Dimples" die ihre Berechtigung bei Golfbällen unter Beweis gestellt haben.

Antwort: Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojekts RibletSkin wurden lediglich den Reibungswiderstand reduzierende Oberflächenstrukturen in Form von Riblets erforscht. Eine Untersuchung von anderen Strukturen zur Reduktion des Strömungswiderstands wie z.B. Dimples, welche eine Optimierung des Druckwiderstandes hervorrufen, war nicht Teil dieses Projekts.

Dieter Hartl, Wien
Wie unterscheidet sich die Struktur der Riblets in Bezug auf das Medium?
oder anders gefragt gibt es einen Unterschied in der Konstruktion der Riblets zwischen dem Medium Wasser und Luft?

Antwort: Die optimale Geometrie einer Ribletstruktur definiert durch z.B.
die Riblet Art (Bladeriblet, Trapezriblet,...), das Verhältnis von Ribletabstand s zur -höhe h oder das Verhältnis von Ribletspitzenbreite t zum Ribletabstand s ist nicht von dem umströmenden Medium abhängig. Wohl aber der konkrete Wert für den optimalen Ribletabstand s. Dieser ist abhängig von der Schubspannungsgeschwindigkeit und der kinematischen Viskosität des umströmenden Mediums. Daher wird bei der Auslegung von Ribletstrukturen meist der dimensionslose Ribletabstand s+ angegeben, welcher anhand der beiden zuvor genannten Größen normiert ist. Vereinfacht kann man daher sagen, dass die optimalen Ribletstrukturen für den Einsatz im Wasser somit einfach nur in ihrer Dimension größer sind als die für den Einsatz in Luft.

Philipp Herzberger aus München

In welcher Gößenordnung würde der Effekt der Widerstandsreduktion
bei Oberflächen von Automobilen führen, sprich in welcher Größenordnung
liegt die Änderung des cw Werts in etwa? (0,1 % | 0,5 % | 1,0 %)?

Sehr geehrter Herr Herzberber,
inwieweit sich der cw-Wert eines Automobils bei Verwendung von Riblets auf der Außenhaut ändert, ist schwer abzuschätzen und wurde bis dato noch nicht untersucht. Jedoch wird die Widerstandsreduktion gegenüber z. B. Flugzeugen oder Schnellzügen vermutlich sehr gering ausfallen. Dies liegt daran, dass sich vereinfacht gesagt der Widerstand aus zwei Komponenten zusammensetzt, dem Reibungswiderstand und dem Druckwiderstand. Riblets sind lediglich in der Lage Reibungswiderstände zu reduzieren. Bei Automobilen ist es nun so, dass der Druckwiderstand klar dominiert und der Reibungswiderstand sekundäre Bedeutung hat. Daher ist ein Einsatz von Riblets auf Automobilen vermutlich nicht erfolgsversprechend.
Mit freundlichen Grüßen,
Björn Feldhaus

Wolfgang Hasenpusch aus Hanau

Frage: Ich habe festgestellt, dass Rillen in 90 Grad zur Fließrichtung den Wasserwiderstand halbieren. Sie benutzen Parallel-Rillen. Auch in der Haihaut und an Diadema-Stacheln lassen sich Querrillen beobachten. Was ist der Unterschied?

Sehr geehrter Herr Hasenpusch,
für die Funktion der Riblets ist es erforderlich, dass die Rillen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Winkelabweichungen von bis zu 20 Grad sind dabei durchaus tollerierbar. Größere Winkelabweichungen führen wiederum zu einer erhöhten Reibung.
Das Prinzip der Riblets basiert darauf, dass turbulente Wirbel nicht zwischen die Riblets gelangen können, also nur mit der Ribletspitze in Kontakt geraten. Dadurch wird zum einen der Oberflächenkontakt reduziert, zum anderen werden aber auch die Querbewegungen der Wirbel behindert.
Beide Effekte führen zu einer Reduktion der Wandreibung und damit der Strömungswiderstände. Entscheidend für den Erfolg von Riblets ist, dass sie für den jeweiligen Anwendungsfall entsprechend dimensioniert sind und dass eine turbulente Strömung vorliegt.
Ob nun auch Rillen quer zur Strömungsrichtung Reibungswiderstände reduzieren können, ist mir nicht bekannt. Jedoch halte ich eine Reduktion von 50% für sehr ambitioniert. Hier wäre es interessant zu erfahren, um welchen Anwendungsbereich es sich handelt (turbulente oder laminare Strömung) und wie groß die Querrillen sind.
Mit freundlichen Grüßen,
Björn Feldhaus

Bildergalerie

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*) Das Projekt

Haie sind blitzschnelle Jäger – dank spezieller Rippenstrukturen auf ihren Hautschuppen gleiten sie mühelos durchs Wasser. Diese sogenannten Riblets möchte Ingenieur Björn Feldhaus aus Aachen für technische Oberflächen von Flugzeugen nutzen. Mit ihrer Hilfe könnte es gelingen, Reibungswiderstände zu reduzieren und so den Treibstoffverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß zu verringern.

Björn Feldhaus

Der Maschinenbauingenieur Björn Feldhaus arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor der Technischen Hochschule Aachen. Dort will er als Mitglied eines Forscherteams um Professor Fritz Klocke die Rippenstruktur der Haifischhaut für Außenwände und Turbinen von Flugzeugen nutzbar machen.
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Björn Feldhaus aus Aachen will die Riblet-Struktur der Haifischhaut für technische Oberflächen nutzen.

Die anderen Projekte:


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