Bionic - Die Tierwelt als Vorbild für die Industrie

16.07.2019 Engineering

Aerodynamik und wie sie gemessen wird

Aerodynamik spielt nicht nur eine Rolle bei windschnittigen Rennwagen, widerstandsarmen Tragflächen von Flugzeugen oder besonders energieeffizienten Zügen. Der Begriff kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus den Begriffen für Luft und Kraft zusammen. Als Teildisziplin der Physik beschreibt die Aerodynamik Strömungsvorgänge in Gasen und ist damit für eine Vielzahl an alltäglichen Vorgängen von großer Bedeutung.

Um die Aerodynamik sich fortbewegender Körper quantitativ bewerten zu können, wurde der sogenannte Strömungswiderstandskoeffizient eingeführt. Der auch als cw-Wert bekannte Koeffizient ist ein dimensionsloses Maß für den Strömungswiderstand eines umströmten Körpers. Er ergibt sich als Quotient aus Widerstandskraft und dem Produkt aus Staudruck und Referenzfläche. Was sich kompliziert anhört, lässt sich ganz einfach erklären: Je geringer der cw-Wert eines Körpers, desto besser sind seine aerodynamischen Eigenschaften. Während eine lange Rechteckplatte beispielsweise einen sehr ungünstigen cw-Wert von 2,0 aufweist, gilt der stromlinienförmige Tropfen mit einem cw-Wert von 0,02 als perfekte Form. Zum Vergleich: Moderne Autos weisen in der Regel einen Widerstandswert zwischen 0,25 und 0,40 auf. Schon Edmund Rumpler hatte 1921 die Idee, die Karosserie eines Autos einem fallenden Tropfen nachzuempfinden. Der Rumpler-Tropfenwagen brachte es auf einen cw-Wert von 0,28, der auch nach heutigem Standard noch als gut zu bewerten ist.
In der Industrie wird der cw-Wert in der Regel in speziellen Strömungskammern ermittelt. Ob normale Autos für den Straßenverkehr, Rennwagen für die Formel 1 oder Tragflächen von Flugzeugen: Ingenieure haben stets ein Interesse daran, den Strömungswiderstand so gering wie möglich zu gestalten. Die kosten- und zeitintensiven Maßnahmen zur Optimierung des cw-Werts lohnen sich: Autos verbrauchen weniger Sprit und emittieren weniger CO2, Rennwagen können ihre Maximalgeschwindigkeit erhöhen und Flugzeuge gleiten geräuschärmer durch die Luft. Vor allem vor dem Hintergrund ambitionierter Energieeffizienz-Ziele wird schnell klar, dass Aerodynamik einen wichtigen Beitrag zu mehr Umweltschutz leisten kann.

Praktische Anwendungen der Aerodynamik

Aerodynamik wird in der Industrie besonders gerne mit dem Automobilbau assoziiert. Das ist kein Wunder, denn in kaum einer Branche sind die zukünftigen Anforderungen an die Energieeffizienz so streng hier. Das von der Politik avisierte Ziel, den spezifischen Emissionswert von Fahrzeugflotten bis 2020 auf 95 Gramm pro Kilometer zu senken, verlangt den Ingenieuren in puncto Aerodynamik, Leichtbau, Motorenentwicklung und Reifenbeschaffenheit alles ab. Trotz des Trends zu höherem Komfort, größeren Motoren und einer breiteren Spurweite ist es der Automobilindustrie in den letzten Jahren gelungen, den cw-Wert kontinuierlich zu reduzieren. Experten gehen jedoch davon aus, dass weitere Fortschritte im Bereich der Serienfahrzeuge in Zukunft nur in sehr kleinen Schritten erreicht werden.
Formel-1-Rennwagen weisen mit cw-Werten im Bereich von 1,2 überraschend schlechte Widerstandsbeiwerte auf. Das liegt daran, dass extreme Kurvengeschwindigkeiten nur bei sehr hohen Anpressdrücken möglich sind – die mit einem hohen Strömungswiderstand einhergehen.
 
Im Flugzeugbau geht es nicht primär um das Erreichen maximaler Geschwindigkeiten, sondern um die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Lärmemission sowie die Optimierung von Flugeigenschaften. Wissenschaftler und Ingenieure forschen deshalb mit modernen Computersimulationen und riesigen Windkanälen an der perfekten Aerodynamik. Dass aerodynamische Anwendungen keinesfalls auf die Automobilindustrie und Luft- und Raumfahrt beschränkt ist, zeigen Beispiele aus dem Maschinen- und Anlagenbau wie etwa Druckluftkompressoren oder aerodynamische Lager.

Was können wir aus der Tierwelt lernen?

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass die Tierwelt einen großen Fundus an Techniken bietet, der Menschen inspiriert und zu Innovationen anregt. Im Bereich der Aerodynamik lernen wir vor allem von Tieren, die in der Luft oder im Wasser zu Hause sind. Ein besonders verblüffendes Beispiel zeigt sich beim Blick in die Unterwasserwelt: Mit einem cw-Wert von 0,06 ist der Kofferfisch – obwohl er augenscheinlich einem wenig windschnittigen Kasten gleicht –widerstandsärmer als ein Porsche. Mercedes-Benz hat das Potenzial des Kofferfischs erkannt und nach seinem Vorbild das Bionic-Car mit einem fortschrittlichen Strömungsbeiwert von 0,19 gebaut. Das 2005 in Washington vorgestellte Auto verbraucht nach Angaben des Herstellers im EU-Fahrzyklus 4,3 Liter auf 100 km und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 190 km/h.
Dabei stand bei der Studie zunächst ein ganz anderes Tier im Fokus: der Pinguin. Da sich dessen Körperbau allerdings nicht als Vorbild für den Automobilbau eignet, dient er nun der Luftfahrt als Modell für effizientes Strömungsverhalten. Das „Pinguin-Flugzeug“ wurde aufgrund des hohen Aufwands bisher noch nicht technisch umgesetzt, zeigt aber eindrucksvoll die Möglichkeiten einer optimierten Aerodynamik auf. Andere Tiere waren hier erfolgreicher.

Die faszinierenden Eigenschaften der Eulenflügel

Die Eule und ihr außergewöhnlich leises, effizientes Flugverhalten weckt die Neugier der Wissenschaft. Denn der immer größer werdende Flugverkehr, hat das vorrangige Ziel, Flugzeuglärm drastisch zu reduzieren. Um auch zukünftig alle Flüge planmäßig abfertigen zu können, wird man nicht um Nachtflüge und hier besonders um Starts und Landungen herumkommen. Dies wird jedoch nur möglich sein, wenn die Flugzeuge entsprechend leise betrieben werden können. Während moderne Triebwerke bereits mit minimalem Lärmpegel ihre Arbeit verrichten, stellen Luftverwirbelungen an den Tragflächen immer noch eine nicht zu unterschätzende Lärmquelle dar. Ein Anliegen, welches mit den Eigenschaften der Eulen behoben werden könnte. Deren Flügelschlag ist nahezu unhörbar. Eulenflügel besitzen mindestens drei Eigenschaften, die zu einem lautlosen Flug beitragen. So verfügen die Flügel über einen Kamm aus überaus steifen Federn an der Vorderseite, flexible Fransen an der gegenüberliegenden Flügelseite und eine sehr weiche, fast schon daunenartige Oberfläche auf der Flügeloberseite.
Auch wenn sich diverse Forschungsgruppen intensiv mit den Eigenschaften der lautlosen Nachtjäger beschäftigen – bahnbrechende Erfolge für eine zeitnahe Umsetzung können derzeit noch nicht vorgewiesen werden. Aus theoretischen Forschungen geht aber hervor, dass die feine, überaus flexible Struktur an den Enden der Eulenflügel einen großen Einfluss auf die Lärmreduktion während des Fluges hat. Wie genau die Federspitzen den Lärmpegel beeinflussen ist aber noch unklar. Es wird vermutet, dass diese Spitzen dafür sorgen, dass die Luftströmungen der Flügelober- und Unterseiten sanfter aufeinander treffen und so den Lärmpegel reduzieren. Die samtartig ausgeprägte Flügeloberseite der Eulenflügel ist der aktuell noch am wenigsten erforschte Teil des Eulenflügels. Hier vermuten Forscher, dass die Struktur Lärm auf eine bisher noch völlig unbekannte Art und Weise eliminiert, ganz anders, als es bekannte schallreduzierende Materialien machen. Der steife Federkamm an der Flügelvorderseite steht bildet wahrscheinlich in Verbindung mit der samtig weichen Flügeloberfläche Mikroturbulenzen, die an der Flügeloberseite die Haftung des Luftstroms verbessern.

Herausforderungen und Bedeutung

Bis die Erkenntnisse der Wissenschaft in der Flugzeugindustrie umgesetzt werden können, werden nach gängiger Lehrmeinung noch mehr als 20 Jahre vergehen. Der Grund ist die sogenannte Reynolds-Zahl. Diese misst das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften bestimmter Objekte in der Strömungslehre. Nur wenn diese bei Eulen und Fluggeräten gleich wäre, könnten sich die Erkenntnisse aus der Bionik einfach übertragen lassen. Die Reynolds-Zahl des Eulenflügels ist jedoch ungleich kleiner als die des Flugzeugflügels. Ein Herstellerunternehmen für Ventilatoren nutzt den Eulenflügel jedoch bereits heute als Vorbild für besonders leise Produkte. Hier hat man sich den Kamm an den Vorderflügeln abgeschaut, auf die Rotorblätter der Geräte übertragen und konnte so den Lärmpegel im Betrieb senken.
Auch in größerem Maßstab ist eine Übertragung des Eulenflügelprinzips in naher Zukunft denkbar. Windkraftanlagen beziehungsweise deren Rotorblätter könnten in einigen Jahren schon nach dem Vorbild der Natur umgestaltet und dadurch noch leiser betrieben werden. Wird erst einmal das Prinzip der schallreduzierenden Flügeloberfläche der Eulen vollständig verstanden, ist auch eine Übertragung auf die Oberfläche von Autos oder LKW denkbar. Eines ist sicher – die Forschungsabteilungen aller großen Hersteller von Flugzeugen, Autos, LKW oder auch Schiffen zeigen größtes Interesse an dem breiten Feld der Bionik, deren Erkenntnissen und die Übertragung auf die Technik.

Der Storch - Modell zur Optimierung der Verwirbelung an Tragfläche

Die Entstehung der Wirbel hat eine einfache physikalische Ursache. Die Luft strömt unterschiedlich schnell über die Ober- und Unterseite der Tragflächen, dadurch entsteht ein Auftrieb. Die Form der Tragflächen, im Speziellen die Wölbung, bewirkt, dass die Teilchen auf der Oberseite einen weiteren Weg zurücklegen müssen als an der Unterseite. Es entsteht an der Oberseite Unterdruck, an der Unterseite entsteht Überdruck. Die entstehende Kraft reicht bei ausreichender Beschleunigung aus, um mehrere hundert Tonnen in die Luft zu bekommen. An den Spitzen der Tragflächen treffen Hoch- und Tiefdruckgebiete aufeinander, da sich unterschiedliche Druckverhältnisse immer ausgleichen wollen, entstehen ausgleichende Strömungen an den Tragflächenenden. Diese zwei gegenläufigen Wirbel erzeugen keinen Auftrieb, benötigen jedoch Energie, dies wird als induzierter Luftwiderstand bezeichnet.
Besonders für die Energieeffizienz sind Wirbel an den Tragflächen eine Schwachstelle. Auch Wirbelschleppen, die nach dem Auftrieb entstehen, müssen reduziert werden, so dass nachfolgende Flugzeuge nicht gefährdet werden. Wartezeiten, die dadurch entstehen, sind besonders auf hochfrequentierten Flughäfen wie London Heathrow (EGGL) oder Frankfurt/Main (EDDF) undenkbar. Einen Lösungsansatz stellt die Streckung der Tragflächen dar, da so Endwirbel und somit der induzierte Luftwiderstand verringert werden können. Doch die Streckung hat einen Nachteil, unter den stark gestreckten Flügeln leiden sowohl die Stabilität der Tragflächen als auch die Manövrierbarkeit des Flugzeuges. Auch der benötigte Platz würde viele Flugzeuge und Flughäfen vor weiteren Herausforderungen stellen. Auch hier zeigt die Natur, wie es gehen könnte. Die Flügelspitzen des Storchs sind gespreizt. Das bewirkt, dass die an den Spitzen entstehenden Luftwirbel deutlich minimiert werden. Aus dieser Erkenntnis heraus haben Luftfahrtingenieure Winglets (bei Airbus auch als Sharklets bezeichnet) entwickelt.

Winglets und Sharklets

Mit Hilfe von Winglets wird der Flügel verlängert und nach oben „gebogen“. Die Winglets einer Boeing 737–800 sind circa 2,40 m hoch, das führt zu einer Treibstoffersparnis von rund 5 %. Außerdem erhöhen sie die Stabilität um die Hochachse (Gierachse) sowie die Wendigkeit um die Längsachse (Rollachse).
Die ersten Winglets waren noch ungewöhnlich, heute gibt es eine Vielzahl von Varianten. Bei Boeing sind die Winglets überwiegend eckig und gerade oder schräg nach oben gerichtet. Neuere Ausführungen sind Blended Winglets, die mittlerweile an fast allen hierzulande fliegenden Maschinen zu sehen sind. Diese bilden einen fließenden Übergang vom Flügel zum Winglet. TUIfly war die erste Airline Deutschlands, die auf Split Scimitar Winglets gesetzt hat. Natürlich sind auch die Maschinen von Airbus mit Winglets unterwegs. Die seit 2009 für die A320-Familie neu entwickelten Winglets werden jedoch als Sharklets bezeichnet. Der Grund: Die Tragflächenspreizungen erinnern in ihrer Form an Haiflossen. Kleine Winglets werden auch als Wingtip Fences bezeichnet und können nach oben oder unten ausgerichtet sein. Diese Form der Winglets ist häufig bei Maschinen von Airbus zu sehen.
 
Eine bislang ungewohnte und im regulären Flugbetrieb noch nicht eingesetzte Form der Winglets sind Spiroids. Diese schlaufenförmigen Tragflächenenden wurden bisher nur auf Versuchsträgern realisiert. Spiroids gelten als Weiterentwicklung von Winglets und auch hier wird die Natur als Vorbild benutzt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass die Mehrfachspreizung der Vogelflügelspitzen zu einer besseren Flugleistung führen. Bei der Aufspreizung des Flügels wird der induzierte Luftwiderstand verringert. Luftfahrtingenieure haben diese Technik der Vögel aufgenommen und Spiroids entwickelt.


Der Hai als Vorbild für die Luftfahrt

Bis zu 70 km/h legt der Hai in der Spitze zurück, das Wasser strömt an ihm vorbei und trotzdem spart er beim Schwimmen Energie. Lange war es ein Rätsel, wie diese Geschwindigkeiten mit niedrigem Energieaufwand zu Stande kommen. Mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops gelang es einen Einblick in die biologische Struktur zu bekommen. Die Haut des Haies besitzt eine gezahnte Oberfläche und gehört zu den Paradebeispielen der Bionik. Die Anwendungsmöglichkeiten für die Luftfahrt sind vielfältig.

Haihaut-Effekt

Die Haut eines „Lamniformes“ fühlt sich rau, fast wie Sandpapier an. Der Grund hierfür liegt in den mikroskopisch zahnförmigen Plättchen, die den ganzen Körper des Tieres bedecken. Die Zähnchen sind alle zur Schwanzflosse hin ausgerichtet, dadurch bilden sich Rillen und Rippen, Wasserteilchen können nun geordnet am Körper des Haies entlang fließen. Die natürliche Struktur der Haihaut verringert den Reibungswiderstand und dezimiert die entstehenden Verwirbelungen. Der verwendete Energieaufwand ist für den Hai gering.

Anwendung in der Luftfahrt

In den 90er Jahren sind Wissenschaftler der TU-Berlin den Fragen nagegangen, ob die Struktur auf einen Flugzeugrumpf übertragbar ist und ob diese Temperaturschwankungen von -55 bis +70 Grad Celsius, hohe UV-Strahlung und hohe Geschwindigkeiten ausgleichen kann. Das Ergebnis dieser Forschungen ist eine Folie, die den Kerosinverbrauch von Passagiermaschinen wesentlich senken kann. Die aufgebrachte Folie reduzierte den Reibungswiderstand um bis zu 8 Prozent und ersparte damit 2,4 t Treibstoff auf einem Langstreckenflug. Die Folie kommt mittlerweile in allen möglichen Bereichen zum Einsatz. Erstmalig wurde sie auf einem Airbus A340 im Linienflug der Cathay Pacific Airways getestet. Hierbei wurden 30 % des Flugzeuges, insbesondere der Rumpf und die Anströmkanten der Flügel, beklebt.
Getestet wurde eine entsprechende Folie auch von Lufthansa Technik. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Multifunctional Coating" wurden 10 cm x10 cm große Patches am Rumpf und den Tragflächen getestet. Neben vielen Vorteilen ergibt sich allerdings auch einen zusätzlicher Materialaufwand und das Aufbringen auf dreidimensionale Flächen gestaltete sich nicht immer einfach. An diesem Punkt setzt der vom Fraunhofer IFAM entwickelte Lack an. 2010 wurden dieser sowie die damit verbundene wissenschaftliche Leistung mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet. Der Lack simuliert mit Hilfe von Nanopartikeln und einer Matrize die Struktur einer Haihaut und ist dabei UV-beständig, hält extreme Temperaturschwankungen und mechanische Belastung aus. Eine spezielle Lackiermaschine bringt mit Hilfe einer Negativform die Riblet-Struktur auf die Oberfläche auf und härtet den Lack mit UV-Strahlung aus. Damit ist der Lack auch in einem regulären Wartungszyklus auftragbar. Wird der Lack auf jedem Flugzeug angewendet, ließe sich ein Gesamtvolumen von 4,48 Mio. t Treibstoff einsparen. Die Erprobung des Lackes ist bereits abgeschlossen, allerdings erschwert das sieben bis zehnjährige Zulassungsverfahren die aktuelle Nutzung.
Neben der aktiven Unterstützung im Flugzeugbau, ist der Lack auch für die Schifffahrt und die Windkraftanlagenindustrie interessant. Im Schiffsbau hat der neuartige „Haihaut Lack“ eine weitere Funktion. Der Lack verhindert das Besiedeln von „Balanidae“ (Seepocken), die den Schiffsrumpf angreifen und somit die Reibungswiderstände erhöhen.

Bionik in der Industrie – ein Blick in die Zukunft

Dass aerodynamische Optimierungsmaßnahmen nicht immer mit einem ästhetischen Design einhergehen, zeigt das Beispiel der Entenschnabel-Form von Hochgeschwindigkeitszügen, deren bionisch optimiertes Design bei hohen Geschwindigkeiten zu einem äußerst geringen Luftwiderstand führt.
 
Doch nicht immer stellt die Natur das Optimum in Bezug auf Effizienz und Technik dar. Vielmehr geht es darum, sich von den Ideen der Natur inspirieren zu lassen und diese auf die Probleme der Menschheit zu übertragen. ARTS ist fasziniert von den technischen Errungenschaften, die die Tierwelt für den Menschen bereithält. Unsere Experten lassen sich Tag für Tag von der Bionik inspirieren und arbeiten daran, die High-Tech Industrie effizienter, nachhaltiger und besser zu machen. Als technologie-orientiertes Unternehmen gestalten wir die Zukunft der Industrie aktiv mit und verschaffen unseren Kunden mit Expertise und Erfahrung einen Vorsprung. Dabei sind wir immer auf der Suche nach motivierten Experten, die die gleichen Ziele teilen und genauso begeistert von der Bionik sind wie wir.

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