Wie ein Haifisch im Wasser

Innovatives Lacksystem zur Reduktion des Luftwiderstands

Besonders in den letzten Jahren konnte die Luftfahrtindustrie viele Innovationen entwickeln, um den Kerosinverbrauch von Flugzeugen zu reduzieren und die Umwelt so zu entlasten. Neben neuen, leichten Verbundwerkstoffen kommt dabei vor allem widerstandsarmen Oberflächen eine besondere Bedeutung zu. Denn je geringer der Strömungswiderstand eines Flugzeuges ist, desto geringer ist auch die benötigte Antriebsleistung und damit die benötigte Energie. Um die Aerodynamik moderner Passagierflugzeuge noch weiter zu verbessern,  kann die Mikrostruktur der Oberfläche verändert werden. Als Beitrag zu einer optimalen Oberflächenstruktur gilt der sogenannte Riblet-Effekt bei Haien. Riblets, das sind Längsrillen in den Schuppen im Mikrometer-Bereich, die das Strömungsverhalten bestimmter Haiarten optimieren. Die Wirkung dieser mikroskopisch kleinen Rillen besteht darin, etwaige, quer zur Strömungsrichtung verlaufende Turbulenzen zu behindern und so den Widerstand zu verringern.

Das strömungsgünstige Phänomen der Haifischhautstruktur ist schon seit rund 30 Jahren bekannt. Die Herausforderung des im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „Clean Sky" durchgeführten Langzeitversuchs besteht in der Überführung bekannter biologischer Strukturen in entsprechende technische Prozesse. In dem zweijährigen, seit Sommer 2011 laufenden Forschungsprojekt „Multifunctional Coating" untersucht Lufthansa Technik in Kooperation mit Airbus und dem Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) die Beständigkeit dieser Oberflächen unter realen Bedingungen im Flugbetrieb. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen zeigen, wie beständig diese Strukturen unter den im Flugbetrieb auftretenden Umgebungseinflüssen sind und ob eine wirtschaftlich vertretbare Haltbarkeit nachgewiesen werden kann.

Um verlässliche Messergebnisse zu gewinnen, wurden an zwei Airbus A340 der Lufthansa je acht Bereiche (sogenannte Patches) mit einer Fläche von jeweils 10 x 10 Zentimetern am Rumpf und an den Tragflächen angebracht. Dafür wurde ein spezielles Lacksystem entwickelt, das durch UV-Licht härtet, einen sehr geringen Anteil an flüchtigen Lösungsmittel enthält und den hohen Beanspruchungen in der Luftfahrt gerecht wird. Das neue Lacksystem ist überdies schmutzabweisend, UV-stabil und - dank Nanotechnologie -  hochbeständig gegen Abrieb und Erosion. Für das Auftragen der mikrostrukturierten Lackschicht auf die Patches wurde mit der „Simultan-Stempel- Härtungs-Methode" ein neues Verfahren entwickelt, das die Mikrostruktur exakt in den Lack überträgt. Wie beim Negativdruck wird der Lack mittels einer Silikonfolie, die ein Negativ der Riblet-Struktur trägt, aufgetragen und mittels UV-Licht ausgehärtet, bevor die Silikonfolie entfernt wird.

Wenn die derzeitigen Tests die positiven Ergebnisse bestätigen, können in Zukunft im Rahmen des Forschungsprojekts zunächst größere Patches getestet werden, später soll dann ein hochautomatisiertes Applikationsverfahren entwickelt werden. Am Ende der Entwicklungskette soll dann ein hochgenaues, schnelles und wirtschaftliches Verfahren stehen, das die Komplettlackierung vergleichbar mit einem Decklack ermöglicht. Die bisherigen Ergebnisse des Forschungsprojekts lassen eine Kraftstoffeinsparung von über einem Prozent möglich erscheinen. Somit trägt das Projekt wesentlich zum positiven Imagegewinn der Lufthansa Technik hinsichtlich Technologievorsprung, Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit bei.