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17.04.2018 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Intelligentes Material kann Aerodynamik verbessern

Autor:
Dieter Beste

Um Energie zu sparen, erhalten Flugzeugtragwerke Winglets. Sie sollen helfen, Randwirbel zu vermeiden. Derart starre Einrichtungen sind jedoch nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich wirksam. Jetzt ist eine flexiblere Methode in Sicht.

Randwirbel entstehen an den Spitzen auftriebserzeugender Flugzeugtragflächen. Hier sind sie dafür verantwortlich, dass Flugzeuge nicht in einer sehr dichten Reihenfolge starten und landen dürfen, weil nachfolgende Maschinen dann in ein stark verwirbeltes Gebiet geraten würden. "Aber auch für das Flugzeug selbst haben die Randwirbel Nachteile", erläutert Springer-Autor Heinz Herwig in "Strömungsmechanik": "In der Fluidbewegung der Wirbel ist kinetische Energie gebunden, die letztlich durch die Triebwerke aufgebracht werden muss. Damit entsteht aber als zusätzlicher Widerstand der sog. induzierte Widerstand, den man gerne vermeiden möchte" (Seite 238). Dies gelinge teilweise durch entsprechende Gegenmaßnahmen an den Flügelenden, je nach geometrischer Form als Winglets, Sharklets oder Wingtips bezeichnet. Herwig: "Nach Angabe der Flugzeughersteller kann durch solche Maßnahmen der Treibstoffverbrauch um 3 bis 5 Prozent gesenkt werden."

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Winglets verbessern die Aerodynamik. "Ein weiteres Beispiel sind Turbulatoren", sagt Moritz Hübler vom Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) an der Technischen Universität Kaiserslautern. "Dabei handelt es sich um eine Vielzahl kleiner Störflächen, die auf der Flügeloberfläche die Strömung stabilisieren. Sie ermöglichen es dem Piloten, langsamer zu fliegen." Allerdings handele es sich in beiden Fällen um starre Bauelemente, die sich nicht automatisch während des Fluges unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten anpassen könnten. 

Optimale Aerodynamik bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten 

Da ist der "Konstrukteur Evolution" meilenweit voraus: Auf der Suche nach Beute kreisen Adler langsam in der Luft. Dabei sorgen ihre fächerförmig gespreizten Federn an ihren Flügelenden dafür, dass sie bei relativ niedriger Geschwindigkeit möglichst effizient unterwegs sind. Bei einem schnellen Sturzflug können sich die Tiere dank ihrer flexiblen Flügelgestalt schnell anpassen.

Ähnlich flexibel wie der Flügel des Adlers soll die Technik sein, an der Hüblers Team arbeitet und auf der diesjährigen Hannover-Messe vorstellen will. Bei ihrem Vorhaben, das als EXIST-Forschungstransfer-Projekt vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) gefördert wird, setzen die Forscher auf Drähte aus einer Formgedächtnislegierung, die aus einer Nickel-Titan-Verbindung besteht: Erwärmen sich die Drähte – zum Beispiel bei Stromdurchfluss – ziehen sie sich zusammen. Aufgebracht hat das Wissenschaftlerteam sie auf eine biegsame Platte aus Verbundwerkstoff. Und ähnlich wie bei unserer Muskulatur führt ein Zusammenziehen der Drähte dazu, dass sich das Material krümmt. 

Aufbau des aktiven Materials patentiert

"Unser aktives Material benötigt weniger Volumen und hat ein geringeres Gewicht gegenüber herkömmlichen Techniken, die zum Beispiel mit Druckluft oder elektrischen Motoren arbeiten. Es könnte als Modul auch auf vorhandene Bauteile aufgebracht werden", sagt Patricia Schweitzer, die ebenfalls an dem EXIST-Vorhaben beteiligt ist. "Je nach Anforderung können wir sie in verschiedenen Größen anfertigen." Den Materialaufbau haben sich die Wissenschaftler bereits patentieren lassen und wollen ihn in ihrem Start-up CompActive zur Marktreife entwickeln. Mit diesem "intelligenten Material" sind viele neue Funktionen denkbar, beispielsweise spalt- und knickfreie Flugzeugklappen, die sich automatisch an die Aerodynamik bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten anpassen und damit Energie sparen. In Flugversuchen konnten Forscher des IVW gemeinsam mit Partnern bereits zeigen, dass ihr Material auch bei Turbulatoren zum Einsatz kommen kann: Sie ließen sich einfach per Knopfdruck ausfahren. "Damit sind langsamere, steilere und sicherere Landeanflüge möglich, ohne dass die Effizienz leidet", sagt Hübler. 

Als weiteres Einsatzfeld nennen die EXIST-Gründer Lüftungs- und Heizungsanlagen: Erwärme sich die Luft, sorge sie automatisch dafür, dass sich das Material verbiegt und sich etwa eine Lüftungsklappe öffnet, damit Abwärme entweichen kann. Zudem eigne sich die Methode, um herkömmliche Heizungen vor Schmutz zu schützen. "Die Schlitze der Heizkörper benötigt man eigentlich nur wenige Monate im Jahr, damit sich die warme Luft verbreiten kann. Durch die Wärme ließe sich dies steuern und die Heizung wäre über den Großteil des Jahres geschlossen", sagt Schweitzer. Und auch beim Design für neuartige Lampen könne die Technik Verwendung finden oder bei einem Kühlsystem für Schutzhelme im Sportbereich. 

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