Foto: Dominik Hochwarth
Eis an den Tragflächen ist für Flugzeuge ein ernstes Problem. Schon wenige Millimeter können den Auftrieb verringern, den Luftwiderstand erhöhen und die Steuerflächen beeinträchtigen. Im schlimmsten Fall reißt die Strömung ab – das Flugzeug verliert plötzlich an Höhe. Besonders kritisch ist die Situation beim Start und bei der Landung, wenn die Maschinen feuchte, kalte Luft durchqueren.
Um Eisbildung zu verhindern, zapfen heutige Flugzeuge heiße Luft aus den Triebwerken ab. Diese wird durch Kanäle in die Flügel geleitet und hält die Oberfläche eisfrei. Das Verfahren funktioniert, braucht aber viel Energie. Ein Teil des Schubs geht verloren, weil die Triebwerke weniger effizient arbeiten. In Zeiten, in denen die Luftfahrt ihren Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß drastisch senken muss, ist das keine ideale Lösung.
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Schwingungen statt Heißluft
Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF hat gemeinsam mit Partnern nun eine alternative Methode entwickelt. Sie kommt ohne heiße Luft aus – und nutzt stattdessen Schwingungen. Wenn sich auf den Flügeln Eis bildet, sollen Sensoren dies erkennen und gezielt Vibrationen auslösen, um die Eisschicht abzulösen.
„Die Schwingungen bewegen sich im Bereich von wenigen Kilohertz und sind für das bloße Auge nicht sichtbar, aber sehr wirksam. Das anhaftende Eis wird gelöst und fällt ab“, erklärt Denis Becker, Forschender am Fraunhofer LBF.
Das Prinzip klingt einfach, ist aber technisch komplex. Damit das Eis tatsächlich abbröckelt, müssen die Schwingungen exakt auf die sogenannte Eigenresonanzfrequenz des Flügels abgestimmt sein. Sie beschreibt den Bereich, in dem das Material besonders stark in Vibration gerät – ähnlich wie eine Stimmgabel, die bei einem bestimmten Ton zu schwingen beginnt.
Wenn Sensoren den Flügel „spüren“
Bevor die Aktoren – kleine Bauelemente, die die Schwingung auslösen – aktiv werden, analysieren Sensoren die Situation an der Tragfläche. Sie melden, wenn sich Eis bildet, und liefern die nötigen Daten, um die passende Resonanzfrequenz zu berechnen. Dabei spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle: Material, Fluggeschwindigkeit, Höhe, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und die Dicke der Eisschicht.
»Daraus berechnen Algorithmen die Frequenz der Eigenresonanz«, sagt Becker. Da sich die äußeren Bedingungen während des Flugs ständig ändern, passt die Elektronik die Schwingungen permanent an. Wächst oder schmilzt das Eis, reagiert das System sofort – fast so, als würde der Flügel selbst merken, dass er zu vereisen droht.
Test im Windkanal
Im Windkanal testeten die Fraunhofer-Forschenden das System zunächst an einer Tragfläche. Dabei optimierten sie die Position und Leistung der piezoelektrischen Aktoren. Diese winzigen Elemente wandeln elektrische Spannung in mechanische Bewegung um – und versetzen so das Material in Schwingung. Die ersten Tests verliefen vielversprechend: Das Eis löste sich zuverlässig.
„Unsere Versuche im Windkanal haben gezeigt, dass die elektromechanische Enteisung funktioniert. Im nächsten Schritt stehen weitere Erprobungen im Windkanal an, um das System für die Flugversuche zu ertüchtigen“, so Becker.
Fit für die Flugzeuge von morgen
Das Projekt ist Teil des europäischen Forschungs- und Innovationsprogramms Clean Aviation, an dem unter anderem Airbus und Parker-Meggitt beteiligt sind. Ziel ist es, neue Technologien zu entwickeln, die die Luftfahrt umweltfreundlicher machen.
Gerade künftige Antriebe wie Elektro- oder Hybridtriebwerke stellen die Enteisung vor neue Herausforderungen. Sie erzeugen keine heißen Abgase mehr, die man für die klassische thermische Enteisung nutzen könnte. Hier kommt das Schwingungsverfahren ins Spiel.
„Die Antriebe der Zukunft produzieren keine Abwärme mehr. Unser Verfahren ermöglicht perspektivisch Energieeinsparungen von bis zu 80 % und ist daher ein wichtiger Beitrag für eine nachhaltige Luftfahrt“, sagt Becker.
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