prj-info-head-feldhaus_2.jpg

Infos:


Superschnell dank
Haifischhaut?
03

Haie als Vorbild für Flugzeuge

Der Luftverkehr nimmt stetig zu und mit ihm der Energieverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß. Deshalb soll bis zum Jahr 2020 im europäischen Flugwesen der Treibstoffverbrauch und Kohlendioxid-Ausstoß um 50 Prozent sowie der Ausstoß von Stickoxiden um 80 Prozent gesenkt werden. Dieses Ziel gab das Advisory Council on Aeronautics Research in Europe (ACARE) seinen Mitgliedern, zu denen auch die Bundesrepublik gehört, vor, um im globalen Wettbewerb zu bestehen. Wie kann das gelingen?

An einer Lösung arbeitet Björn Feldhaus zusammen mit anderen Wissenschaftlern an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, Projektleiter ist Professor Fritz Klocke. Die VolkswagenStiftung fördert das Projekt in ihrer Initiative „Innovative Methoden zur Herstellung funktionaler Oberflächen“.

Die Wissenschaftler möchten Riblets, also spezielle Rillen, auf metallischen Werkstoffen für funktionale Oberflächen einsetzen, um Reibungswiderstände bei Flugzeugen zu verringern. Der Hai dient ihnen dabei als Vorbild. Durch die rillenförmige Struktur seiner Hautschuppen – den Riblets – minimiert er den Strömungswiderstand und gleitet auf der Jagd nach Beute mühelos durchs Wasser. Die Ingenieure arbeiten daran, die Riblet-Struktur zum einen für Verdichterschaufeln von Triebwerken, zum anderen für die Außenhaut von Flugzeugen nutzbar zu machen. Für sciencemovies haben sie ihre Arbeit mit der Kamera begleitet.

Oberflächen mit Rippenstruktur

Am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen untersuchen Björn Feldhaus und seine Kollegen die Herstellung von Riblets auf Triebwerkschaufeln. Die sogenannten Verdichterschaufeln bestehen aufgrund der hohen Belastungen im Triebwerk aus speziellen Titanlegierungen und zählen zu den sicherheitskritischen Bauteilen, deren Lebensdauer unter keinen Umständen gesenkt werden darf. Daher entwickeln die Ingenieure einen speziellen Walzprozess, mit dem die hochfeste Titanlegierung umgewandelt wird. Durch eine stufenweise Umformung der glatten Schaufeloberfläche in eine Oberfläche mit Riblets soll diese verfestigt werden.

Parallel zu den Forschungen am WZL entwickeln Wissenschaftler am Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen ein Walzverfahren, mit dem sich Aluminiumbleche mit Riblet-Struktur für die Außenhaut von Flugzeugen herstellen lassen. Eine besondere Herausforderung stellt die Fertigung der Riblet-Struktur auf der Walze dar. Zu diesem Zweck erarbeiten die Forscher ein innovatives Konzept zur Walzenstrukturierung. Dazu wird ein Stahldraht von geringem Durchmesser ähnlich wie bei einer Seilwinde um die glatte Walze gewickelt. Liegen die Drähte nach der Wicklung Schulter an Schulter, so weist die Oberflächenstruktur eine nahezu perfekte negative Ribletkontur auf.

Messung der Reibungswiderstände

Die Auslegung der Ribletgröße für Flugzeuge und Flugtriebwerke sowie die strömungstechnischen Untersuchungen zu den gewalzten Riblets finden am Aerodynamischen Institut Aachen (AIA) statt. Bei Simulationen analysieren die Forscher, wie effizient die gewalzten Riblet-Strukturen sind. Entscheidend ist, dass die Höhe der Riblets zu den Strömungsgeschwindigkeiten passt. Als Faustregel gilt: Je schneller die Luft über einen Körper strömt, desto kleiner dürfen die Riblets ausfallen. Die Wissenschaftler bewegen sich hier im Mikrometerbereich, wobei ein Mikrometer einem Tausendstel Millimeter entspricht. Bei Flugzeugen müssen Riblets gerade einmal so groß sein wie ein Drittel der Dicke eines Menschenhaars – eine Herausforderung für die Ingenieure.

Vergleiche im Windkanal

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln wird aufbauend auf diesen Erkenntnissen ein Verdichterschaufelprofil entwickelt, das speziell für Riblets ausgelegt ist und mit dem Walzprozess des Aachener Werkzeugmaschinenlabors strukturiert werden kann. Im Gitterwindkanal wollen die Forscher die strukturierten Verdichterschaufeln testen und sie mit unstrukturierten vergleichen. Mit geeigneten Messverfahren lässt sich somit die Reduktion der Reibungswiderstände direkt ermitteln.

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

Bildergalerie

Slideshow ansehen

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.
prj_info_person_feldhaus.jpg
Björn Feldhaus aus Aachen will die Riblet-Struktur der Haifischhaut für technische Oberflächen nutzen.

Die anderen Projekte:


.