Enteisung: Mit dem Lotuseffekt sicherer fliegen und CO2 einsparen

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) berichtet Anfang März in einer Pressemitteilung über vielversprechende Versuche (in Zusammenarbeit mit TU Dresden und Airbus), mittels Laserimpulsen auf einer im Flugzeugbau gängigen Aluminiumlegierung spezielle Texturen aufzubringen. Dadurch wird die Oberfläche extrem wasser- und eisabweisend. WingMag hat sich die Sache genauer angeschaut:

Enteisung – Sicherheit, Ökologie, Ökonomie

Das sind die drei Aspekte, um die sich beim Thema Enteisung von Flugzeugen alles dreht.

Über das Warum (= Sicherheit) berichtete WingMag ausführlich in einem früheren Artikel über das Fliegen im Winter. Auch über einen neuen Vorstoß haben wir berichtet: Den Einsatz von speziellen Mehrkomponenten-Oberflächen, die das Sonnenlicht speichern und dadurch zu einer umweltfreundlicheren Enteisung beitragen könnten.

Jetzt gibt es diesen brandneuen Ansatz, der kein Sonnenlicht erfordert und der derzeit auch schon bei einem A350 im Flugversuch mit einer eigens präparierten Testfläche auf einem Flügel getestet wird. Wenn sich das Verfahren durchsetzen kann, dann kann auf umweltschädliche Sprühverfahren vor dem Abflug verzichtet werden. Dabei verringert sich der Energieaufwand, der zur Beheizung der Tragflächen während des Flugs aufgewendet wird, bis zu 90 Prozent.

Wie funktioniert ein Lotuseffekt?

In der Natur perlt das Wasser von vielen Pflanzen einfach wieder ab. Mittlerweile macht sich die Menschheit diesen patentierten Effekt zunutze. Vielleicht hast du schon ein Waschbecken mit Lotuseffekt? Anders als der Laie annimmt, darf die Oberfläche gar nicht möglichst glatt sein, damit die Tropfen auch abperlen…

Ob eine Oberfläche wasserabweisend ist, lässt sich am Kontaktwinkel (=Benetzungswinkel) des auf der Oberfläche auftreffenden Wassertropfens erkennen. Kleine Winkel bei hydrophilen Oberflächen, die sich leicht benetzen lassen, große Winkel bei hydrophoben Oberflächen.

Ist nun eine Oberfläche feinstrukturiert, dann gibt es zwei mögliche Zustände, die nach Forschern benannt sind:

• Den Wenzel-Zustand, bei dem die Flüssigkeit auch in die Zwischenräume der Struktur dringt .
• Den Cassie-Baxter-Zustand, der gern auch Fakirzustand genannt wird, bei dem sich unterhalb des Wassers luftgefüllte Hohlräume bilden.

Sicher fällte es dir nicht schwer, dir vorzustellen, dass sich die vollständige Benetzung im Wenzel-Zustand nachteilig auf das Abrutschen des Eises von der Oberfläche auswirkt, und zwar durch die vermehrte Kontaktoberfläche – hier anschaulich durch die blaue Verzahnung dargestellt.
Daher ist ein Fakirzustand (Cassie-Baxter) anstrebenswert, bei dem der Wassertropfen auf vielen Erhebungen quasi balanciert.

Eine laserscharfe Lösung

In Zusammenarbeit mit der Uni Dresden wurden vom Fraunhofer IWS auf einer hochfesten Titanlegierung (Ti-6Al-4V) verschiedene Oberflächen-Texturen hergestellt, die den erfolgsversprechendsten Kompromiss darstellten zwischen ausreichend großen Lufttaschen und dennoch ausreichend vielen Erhebungen, die einen Fakirzustand und damit ein Abperlen überhaupt erst ermöglichen.

Diese wurden dann auf ein Tragflächenprofil (NACA) aufgebracht, das anschließend noch in eine chemische Lösung zur Verstärkung der wasserabweisenden Eigenschaften getaucht wurde. Die dadurch entstehende Oberfläche gilt mit einem Kontaktwinkel über 160° als superhydrophob.

Zahllose Tests im Windkanal simulierten Konditionen, die ein echter Flugzeugflügel im Betrieb aushalten muss, u. a. mit Parametern wie Luftfeuchtigkeit, Windtemperatur (z. B. 120 m/s), Neigungswinkel, Temperatur (z. B. minus 20 °C) …

Das Laserverfahren, das sich bei der Aufbringung der Strukturen als Sieger herausstellte, heißt Direkte Laserinterferenzstrukturierung, kurz DLIP (Direct Laser Interference Patterning), bei dem sich der Haupt-Laserstrahl in zwei Strahlen aufspaltet, die sich überlappen und in einem genau definierten Winkel auf der Oberfläche auftreffen. Dabei wird mit einer Geschwindigkeit bis zu 100 cm2/s Material abgetragen. Die Muster bestimmen sich durch Pulsenergie und Wellenlänge. Es entstehen dreidimensionale Texturen im Mikro- und Submikrometerbereich.

Auf der Seite des Fraunhofer IWS erläutern Forscher des Fraunhofer IWF und Airbus ihr Vorgehen. Am Ende der Seite findet ihr eine Animation, die die Innovation illustriert.

Jetzt muss sich dieser Ansatz im A350 Fluglabor bei Airbus bewähren. Wir sind gespannt!

von Martina Roters