Ein Wellenteppich aus hauchdünnem Kunststoff kann auf Flugzeugflügeln zur Energieeinsparung beitragen. Aachener und Jülicher Ingenieure eröffnen damit eine neue Dimension der Oberflächenbehandlung.
In der Natur passt sich die Oberflächenstruktur den externen Rahmenbedingungen und Anforderungen an, um unter anderem den Strömungswiderstand zu reduzieren. Dieser Ansatz steht im Mittelpunkt eines neuen DFG-Forschungsvorhabens, das am Aerodynamischen Institut der RWTH initiiert worden ist. Die Forscher versuchen, mit Hilfe von flexiblen Oberflächen die Strömung über die Außenhaut eines Flugzeugflügels aktiv zu beeinflussen.
Erste Versuche im Windkanal haben gezeigt, dass die Oberflächenbewegung den Reibungswiderstand reduziert – „bis zu neun Prozent“, gibt Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schröder zu bedenken, der das Projekt leitet. Eine Verringerung von nur 1 % würde aber schon eine Einsparung von rund 400 000 l Kerosin im Jahr pro Flugzeug bedeuten.
Die Reduktion von bis zu 9 % kann durch eine Wellenbewegung auf der Oberfläche senkrecht zur Strömung erreicht werden. Während also die Luft über den Flugzeugflügel strömt, erzeugen die Ingenieure im rechten Winkel dazu so genannte Transversalwellen. Es reicht dazu eine Wellenlänge von wenigen Millimetern. Die Amplitude der Welle – also die Entfernung von Tal- zu Scheitelpunkt – beträgt nur wenige Hundertstel Millimeter. „So etwas können wir mit einer hauchdünnen Beschichtung zum Beispiel aus Faserverbundkunststoff erreichen“, ist Professor Schröder überzeugt. Allerdings muss die Wellenbewegung künstlich angestoßen werden. Dazu sehen die Aachener und Jülicher Ingenieure so genannte Aktoren vor, die durch elektrische Impulse in Bewegung gesetzt werden und die feine Oberfläche in die gewünschte Schwingung versetzen.
Erste Versuche mit Alufolie zeigen eindeutig, dass geringere Reibungskräfte auftreten: Die über den Flügel strömende Luft verteilt sich nicht mehr gleichförmig über die gesamte Oberfläche, sondern wird förmlich in regelmäßige Strömungsgebirge kanalisiert. Auf den schematischen Grafiken der Aerodynamiker sieht dies aus wie ein Wellblechmuster, das sich quer zur Strömung auf der Oberfläche bewegt. „Die Strömung tanzt“, beschreibt Prof. Schröder diesen Effekt, der den Widerstand zu reduzieren hilft.
Bis es allerdings so weit ist, dass ein solcher Flugzeugflügel in der Luftfahrt eingesetzt werden kann, bedarf es noch intensiver Forschung. „Das ist eine Vision für die Jahre 2025 bis 2035“, meint Professor Schröder.
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