Delfinhaut mindert Reibung – aber anders als Haihaut

Bionik nach Delfinart

Weniger Reibung, nicht nur mit Haihaut

Wenn sich Delfine im Wasser bewegen, hilft ihnen eine elastische Schicht unter der Haut, den Reibungswiderstand klein zu halten. Ein Vorbild auch für Schiffe (Bild: fotolia.com/willyam)
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Forscher entwickeln eine Oberflächenbeschichtung für Schiffsrümpfe, die nicht dem Prinzip der Haihaut nachempfunden ist. Denn auch Delfinhaut verringert den Strömungswiderstand im Wasser messbar, aber auf andere Weise.

Delfine geben für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser ein exzellentes Vorbild: Sie erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Denn diese ist nicht etwa wie bei der Haihaut mit rauen Zähnchen besetzt, sondern glatt mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten Minderung des Strömungswiderstands. Die Wirkung beruht darauf, dass die weiche Oberfläche unvermeidliche wellenartige Schwankungen in der Strömung – so genannte Tollmien-Schlichting-Wellen, Vorboten der Turbulenz – abschwächt und damit den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung hinauszögert. Eine solche Verzögerung ist wünschenswert, da der Reibungswiderstand laminarer Strömung erheblich geringer ist als der des turbulenten Zustands.

Künstliche Delfinhaut für Schiffe

Für die Schifffahrt sind widerstandsvermindernde Rumpfbeschichtungen interessant, da eine Reduzierung des Schiffswiderstands den Brennstoffverbrauch deutlich senkt. Vor diesem Hintergrund haben es sich die Wissenschaftler des Fraunhofer IFAM, der HSVA Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH, der TU Hamburg sowie der französischen Arkema GmbH zur Aufgabe gemacht, mithilfe von Simulationen eine „künstliche Delfinhaut“ für Schiffe zu entwickeln. Sie arbeiten in dem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „Flipper – Flow improvement through compliant hull coating for better ship performance“ zusammen und wollen mit ihrer Lösung die Strömung positiv beeinflussen. Die künstliche Delfinhaut soll sich unkompliziert verarbeiten lassen und langzeitstabil sein.

Nachgiebige polymere Beschichtung

Zur Entwicklung eines geeigneten Materials haben Wissenschaftler der HSVA Strömungsberechnungen für ein knapp 6 m langes Schiffsmodell durchgeführt. Diese wurden durch zusätzliche Berechnungen an der Technischen Universität Hamburg unterstützt. Das Ziel war die Ermittlung geeigneter viskoelastischer Parameter und Schichtdicken für „künstliche Delfinhäute“. Am Fraunhofer IFAM wurde auf Grundlage der Berechnungen ein gelartiges elastisches Polymer entwickelt, welches in Schichtdicken von einigen Millimetern im Bugbereich eines Schiffsmodells aufgetragen wurde. Eine dünne, mechanisch stabile Folie bildete zum Abschluss die feste „Haut“.

Erfolgreiche Demonstration im Wasserkanal

Am „Hykat“, einem der weltweit größten Wasserkanäle in der HSVA, wurde der Unterwasserrumpf des Flipper-Schiffsmodells mit auswechselbarem Bugsegment aus Holz gefertigt. Die Beschichtung der portablen Segmente erfolgte am Fraunhofer IFAM. Die Versuche zeigten eine Widerstandsminderung dank der Beschichtung von bis zu 6 % gegenüber einem lackierten Referenzbug auf. Der positive Effekt vergrößerte sich mit wachsender Geschwindigkeit, das heißt mit zunehmend turbulenter Strömung. Dies ist ein klares Indiz dafür, dass die Wirkungsweise der nachgiebigen Beschichtung tatsächlich auf einer Verzögerung des Strömungsumschlags zur Turbulenz beruht. Das nächste Ziel der Forscher ist nun, diese Technologie für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen.

Hinten Haihaut, vorne Delfin

Das nächste Ziel ist nun, diese Technologie für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen. Hier sind noch einige Hürden zu überwinden, die u. a. die Übertragbarkeit auf
verschiedene Schiffstypen, die Auftragstechnik im Werftbetrieb und die Vereinbarkeit mit herkömmlichen Anti-Fouling-Lösungen betreffen. Das Einsparpotenzial kann durch eine Kombination der neuen  Technologie mit einer gerillten Beschichtung nach dem Vorbild der Haihaut im hinteren Bereich des Schiffs maximiert werden. In einer derartigen Kombi-Beschichtung würde die künstliche Delfinhaut zur laminaren Strömungskontrolle im Bugbereich des Schiffes in eine künstliche Haifischhaut zur turbulenten Strömungsbeeinflussung im Mittel- und Hinterschiff übergehen. Der Reiz solcher funktionalen Beschichtungen besteht darin, dass sie ihre Wirkung ohne zusätzliche Aufwendung von Energie entfalten und somit potenziell kostengünstiger sind als aktive Systeme zur Strömungskontrolle.
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