Materialforschung 31.03.2020, 07:01 Uhr

Neues Verfahren soll Erosion an Schiffspropellern verringern

Physiker der Universität Magdeburg haben eine neue Oberflächenstruktur entwickelt. Sie soll es mechanischen Kräften der Wasserströmungen erschweren, Materialien wie Stahl oder Silber anzugreifen. Erosion ließe sich damit minimieren.

Mikroskopieaufnahme einer Schädigung

Auf dieser Elektronenmikroskopieaufnahme ist eine Oberfläche aus Silber zu sehen, die durch die Kaviations-Erosion geschädigt wurde.

Foto: Dr. Fabian Reuter / Uni Magdeburg

Wenn Schiffe ins Trockendock kommen, sehen sie von unten meistens verheerend aus. Vor allem Schiffsschrauben und Turbinen befinden sich oft optisch in einem desolaten Zustand. Die Oberflächen sind angegriffen, die Erosion hat sogar Stahl beschädigt. Auf lange Sicht greift sie das Material so stark an, dass es an Funktionsfähigkeit einbüßt. Reparaturen und Austausch sind jedoch mit hohen Kosten verbunden. Die würden die Materialforscher der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg gerne vermeiden, beziehungsweise zumindest deutlich verringern. Sie haben ein neues Verfahren entwickelt, das Materialschäden vorbeugen soll.

Bläschen implodieren und schädigen das Material

Dass Wasser enorme Kräfte entwickeln kann, ist bekannt. Die Erosion an Schiffsschrauben entsteht allerdings durch einen ganz besonderen Effekt, der als Kavitation bezeichnet wird und nur dort zutrifft, wo Wasser fließt. Wenn es mit einer gewissen Geschwindigkeit an einer Oberfläche entlang strömt, wird diese Strömung abgelöst, sobald sich die Fläche verändert. Dadurch entstehen lokale Unterdruckbereiche, durch die sich wiederum wasserdampfgefüllte Bläschen bilden. Sobald diese in einen Bereich gelangen, wo der statische Druck wieder über dem Dampfdruck liegt, kondensiert das Wasser in diesen Bläschen und sie implodieren mit enormer Kraft. Dabei können sehr feine Flüssigkeitsstrahlen entstehen, sogenannte Micro-jets, die mit einer extremen Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Materials prallen und es angreifen. Der Druck bei diesen Vorgängen kann über tausend Bar betragen. Das entspricht dem tausendfachen Umgebungsdruck.

Zu einer Kavitation kommt es natürlich nicht nur, wenn die Flüssigkeit selbst schnell fließt, sondern auch, wenn sich ein Objekt mit hoher Geschwindigkeit durch sie hindurchbewegt. Schiffspropeller und Turbinen sind daher naturgemäß von ihr betroffen. Dieses physikalische Phänomen führt aber auch zu Schäden an diversen Pumpen und Düsen, sogar die Lebensdauer künstlicher Herzklappen kann durch die Kavitation eingeschränkt werden.

Schiffsschraube

Schiffsschrauben bewegen sich schnell durchs Wasser, weswegen sie im Normalfall von der Kavitation betroffen sind. Das soll die neue Oberflächenstruktur ändern.

Foto: panthermedia.net/philipimage

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Stadtverwaltung Gera-Firmenlogo
Projektingenieure (m/w/d) Stadtverwaltung Gera
WOLFF & MÜLLER-Firmenlogo
Oberbauleiter Hochbau (w/m/d) WOLFF & MÜLLER
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur Konstruktion und Entwicklung (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Autoland AG-Firmenlogo
Oberbauleiter Tiefbau / Dipl. Ing. Tiefbau (m/w/d) Autoland AG
Sandersdorf-Brehna Zum Job 
Tröger & Cie. Aktiengesellschaft-Firmenlogo
Inhouse Application Consultant (m/w/d) Tröger & Cie. Aktiengesellschaft
Dortmund Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektleitung (m/w/d) Bau und Erhaltung Strecke Die Autobahn GmbH des Bundes
Technische Hochschule Augsburg-Firmenlogo
Professur (W2) für Nachhaltigkeit und Digitalisierung in Produktionsprozessen Technische Hochschule Augsburg
Augsburg Zum Job 
EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG-Firmenlogo
OT Specialist / Operational Technology Engineer (w/m/d) EGGER Holzwerkstoffe Brilon GmbH & Co. KG
TenneT-Firmenlogo
Servicetechniker Instandhaltung Umspannwerke (m/w/d) TenneT
Bayreuth Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
Senior R&D Electronic Engineer (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Humanetics Europe GmbH-Firmenlogo
R&D Software Engineer SQL & ERP Applications (m/w/d) Humanetics Europe GmbH
Rheinmünster Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung Konstruktiver Ingenieurbau (m/w/d) Hennigsdorf Die Autobahn GmbH des Bundes
Hennigsdorf Zum Job 
Dawonia-Firmenlogo
Techniker Propertymanagement (m/w/d) in der Immobilienwirtschaft Dawonia
München Zum Job 
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Sachgebietsleiter Bau (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH-Firmenlogo
Bauingenieur (m/w/d) AWB Abfallwirtschaftsbetriebe Köln GmbH
medac pharma production GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) medac pharma production GmbH
Dessau-Roßlau Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Qualifizierung Kfz- Prüfingenieur/-in (m/w/d) bzw. Kfz- Sachverständige/-r (m/w/d) TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Heppenheim, Bischofsheim Zum Job 
noris network AG-Firmenlogo
Techniker Zutrittskontrolle & Videoüberwachung / Datacenter Engineer (m/w/d) noris network AG
Nürnberg Zum Job 
fripa  Papierfabrik Albert Friedrich KG-Firmenlogo
Projektingenieur Papierverarbeitung (m/w/d) fripa Papierfabrik Albert Friedrich KG
Miltenberg Zum Job 
ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie-Firmenlogo
(Senior) Manager / Referent Elektroniksysteme (w/m/d) ZVEI e.V. - Verband der Elektro- und Digitalindustrie
Frankfurt am Main Zum Job 

Durch die neue Oberflächenstruktur bildet sich ein Schutzschild

„Materialschädigung durch Kavitationsblasen ist ein sehr altes und vor allem noch ungelöstes Problem in Maschinen und Anlagen“, sagt Claus-Dieter Ohl, Physiker an der Fakultät für Naturwissenschaften in Magdeburg. „Mit dem Beginn der motorgetriebenen Transatlantik-Schifffahrt im 19. Jahrhundert hat man bemerkt, dass die Schiffspropeller nur eine einzige Überfahrt überstehen.“ Da dieses Problem lange bekannt ist, haben bereits viele Wissenschaftler versucht, beispielsweise Legierungen zu entwickeln, die resistent gegen diese Kräfte seien – mit mäßigem Erfolg. Die Forschenden in Magdeburg haben daher einen alternativen Ansatz ausprobiert. „Wir haben nicht das Material selbst, sondern dessen Oberflächenstruktur so verändert, dass die Kavitationsblasen erst gar keinen Kontakt mit der Oberfläche finden und somit sie auch nicht zerstören können“, erklärt Ohl.

Die Wissenschaftler haben also nach einer Oberflächenstruktur gesucht, an die Kavitationsblasen nicht anhaften können. Dafür bohrten sie, vereinfacht gesagt, mikroskopisch kleine Löcher in das Material. Diese sind auf eine ganz spezielle Weise angeordnet, sodass sie dazu führen, dass sich winzige Gasblasen an der Oberfäche bilden. Diese Bläschen wirken stark wasserabweisend. Die Kaviationsblasen entstehen zwar trotzdem, können an diesem „Blasen-Schutzschild“ aber nicht anhaften. Stattdessen werden sie regelrecht abgestoßen und damit daran gehindert, durch eine spätere Implosion schädliche Kräfte auf das Material auszuüben. Die Forscher haben diesen Abstoßungseffekt nicht nur mit mathematischen Modellen nachgewiesen, sondern auch experimentell.

Verfahren wird jetzt zur Marktreife weiterentwickelt

So einfach wie die Entwicklung klingt, war sie in der Praxis jedoch nicht. Für die Wissenschaftler war es eine große Herausforderung, die Gasblasen an der jeweiligen Oberfläche zu stabilisieren, damit sie dort ihre wasserabweisende Wirkung entfalten konnten. Auf der Suche nach einer Lösung sind die Forscher in der Natur fündig geworden: „Die Öffnungen im Material haben eine ähnliche Struktur wie der Brustbereich von Meerwasserläufern (Halobates germanus). Der Wasserläufer braucht für seinen Auftrieb stabile Gasblasen am Körper. Genauso wie die Natur benötigen wir auch keine chemische Behandlung, um die Oberflächenstrukturen wasserabweisend zu machen“, sagt Ohl.

Das Verfahren haben die Magdeburger Wissenschaftler in Kooperation mit Kollegen der King Abdullah University of Science and Technology, KAUST, in Saudi- Arabien entwickelt. Die Methodik haben sie bereits beim Europäischen Patentamt eingereicht. Im nächsten Schritt wollen sie das Verfahren bis zur Marktreife weiterentwickeln, damit kavitationsgefährdete Oberflächen preisgünstig bearbeitet werden können.

Mehr zum Thema Schifffahrt:

 

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.