Lasertechnik 16.03.2020, 07:00 Uhr

Neue Oberflächenstruktur verringert Vereisungen an Flugzeugen

Fraunhofer-Forscher haben ein Laserverfahren entwickelt, mit denen sie Flugzeugoberflächen anders gestalten wollen. Ein Praxistest mit Airbus hat bereits gute Ergebnisse erbracht: Eis fiel ohne zusätzliches Heizen von alleine wieder ab.

Illustration Funktionsweise Oberfläche

Mit Direct Laser Interference Patterning (DLIP) lassen sich komplexe Oberflächenstrukturen schaffen, die das Anhaften von Eis erheblich reduzieren.

Foto: Fraunhofer IWS Dresden

Eisschichten, die sich auf Flugzeugen bilden, sind in mehrfacher Hinsicht ein Problem. Sie dürfen auf keinen Fall auf den Flächen bleiben, denn vor allem an neuralgischen Punkten wie den Tragflächen oder dem Heck können sie die Aerodynamik des Flugzeugs beeinflussen. Im schlimmsten Fall wird der Auftrieb reduziert, während sich der Luftwiderstand erhöht. Eisschichten an Sonden und Sensoren sind ebenfalls ein technisches Risiko. Gegebenenfalls führen sie dazu, dass die Geräte beispielsweise die Luftgeschwindigkeit nicht mehr korrekt messen – was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen würde.

Klar ist also: Die Maschinen müssen vor dem Start von Schnee und Eis befreit werden. In der Luft sorgen Heizelemente, sogenannte Ice Protection Systems, dafür, dass das Wasser entlang der Oberflächen nicht erneut gefriert. Doch beides ist teuer und schlecht für die Umwelt. Denn am Boden werden schädliche Spezial-Chemikalien eingesetzt, um das gefrorene Wasser zu entfernen. Zwischen 400 und 600 Liter werden pro Flugzeug für die Enteisung benötigt. In der Luft erhöhen die Heizelemente den Treibstoffverbrauch und damit auch den Kohlendioxid-Ausstoß.

Mit Laserstrahlen werden Inteferenzmuster erzeugt

Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Dresden ein Laserverfahren entwickelt, mit dem sich neue Oberflächenstrukturen so gestalten lassen, dass es zu einem Anti-Icing-Effekt kommt. Der bringt es zum einen mit sich, dass das Eis bei Flugzeugen am Boden von alleine abfällt. Zum anderen führe die Beschaffenheit der Oberfläche dazu, dass auch in der Luft weniger Heizleistung erforderlich sei, um das Flugzeug eisfrei zu halten. Tests mit Airbus hätten diese Ergebnisse bestätigt.

Das neue Verfahren haben die Wissenschaftler Direkte Laserinterferenzstrukturierung (englisch: Direct Laser Interference Patterning, kurz DLIP) genannt. Sie nutzen dafür das Phänomen des Interferenzeffekts: Ein Lichtstrahl, der einen Doppelspalt passiert, bildet bei Überlagerung ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Linien – das Interferenzmuster. Das Muster entsteht beim DLIP zwar auf einem anderen Weg, das Prinzip bleibt aber das Gleiche, nämlich die Überlagerung des Lichts. Konkret wird beim Direkten Laserinterferenzstrukturieren ein kohärenter Laserstrahl in zwei oder mehr Strahlen geteilt und auf der Oberfläche des Bauteils kontrolliert überlagert. Bei dieser Überlagerung kommt es zum beschriebenen Interferenzeffekt, durch den definierte Strukturen auf die Oberfläche aufgebracht werden können.

Mit diesem neuen Verfahren können die Ingenieure komplexe Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich herstellen, die im Ergebnis das Anhaften von Eis verhindern oder zumindest stark reduzieren. Die DLIP-Technologie kombinierten sie übrigens mit Ultrakurzpulslasern, sodass mehrstufige Mikrostrukturen auf 3D-Tragflächen in einem Ein-Schritt-Verfahren erzeugt werden können.

Tests im Windkanal bei Airbus verliefen positiv

Für eine Testreihe im Windkanal fertigten die Forschenden eine realitätsnahe Miniatur-Tragfläche, ein sogenanntes NACA-Profil, mit der neuen Oberflächenstruktur. Als Vergleich diente ein unstrukturiertes NACA-Profil – NACA-Profile sind zweidimensionale Querschnitte von Profilen für Flugzeugtragflächen. Sie werden als Referenz für den Entwurf von Tragflächen verwendet.

Beide Profile setzten sie realen Bedingungen aus, bei Windgeschwindigkeiten zwischen 65 und 120 Metern pro Sekunde (m/s), Lufttemperaturen unter minus zehn Grad Celsius und verschiedenen Feuchtewerten. Dabei zeigte sich, dass das Eis auf der strukturierten Oberfläche nur selbstlimitierend wuchs und nach einer bestimmten Zeit wieder abfiel, ohne dass die Oberfläche zusätzlich beheizt werden musste. Das sah bei dem unstrukturierten Profil anders aus. Es wurde eine Heizleistung von 60 Watt benötigt, damit das Eis verschwand. Das passierte allerdings erst nach 70 Sekunden, während das Erwärmen des strukturierten Profils schon nach fünf Sekunden zu dem erwünschten Ergebnis führte. Solch ein kurzes Zeitfenster erreichten die Forscher mit dem unstrukturierten Profil zwar auch, dafür mussten sie aber die Heizleistung um 25 Prozent erhöhen.

Nahaufnahme Oberfläche

So sieht die neue Oberflächenstruktur in der Nahaufnahme aus.

Foto: Airbus S.A.S.

Windkanal

Bei Tests im Windkanal zeigte sich, dass das Eis von alleine abfiel.

Foto: Airbus S.A.S.

Strukturiertes Profil

Hier ist deutlich zu erkennen, dass die neue Oberflächenstruktur wasserabweisend ist.

Foto: Airbus S.A.S.

Unstrukturiertes Profil

Zum Vergleich: An einem unstrukturierten Profil haftet Wasser deutlich besser, was die Bildung von Eis erleichtert.

Foto: Airbus S.A.S.

Andere Anwendungsgebiete für das DLIP-Verfahren wären denkbar

„Die Anwendung von Mikro- und Nanostrukturen auf Metall bewirkt, dass sich Wassertropfen nicht mehr anheften können. Dieser Effekt ist der Natur entlehnt und im Allgemeinen als Lotus-Effekt bekannt. Mit unserem neuen DLIP-Verfahren können wir eine fragmentierte Oberfläche erzielen und so die Zahl der Anhaftpunkte für Eis deutlich reduzieren. Wir werden die Ergebnisse bald wissenschaftlich publizieren“, sagt Sabri Alamri vom Fraunhofer IWS. Die Forscher sind davon überzeugt, dass sich das Direkte Laserinterferenzstrukturieren durch Kurz- und Ultrakurzpulslaser zu einer Schlüsseltechnologie entwickeln könnte. Sie sei vielseitig einsetzbar, zum Beispiel für weitere technische Oberflächen in kalten Regionen, etwa für Windkraftanlagen. Denkbar seien aber auch komplett andere Anwendungen, beispielsweise für biokompatible Implantate oder verbesserte elektrische Steckkontakte.

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