Bionik

Bionische Lufthülle lässt Schiffe leichter durchs Wasser gleiten

| Redakteur: Lilli Bähr

Die wasserabweisende Oberfläche der Schwimmfarne (Salvinia) dient als Vorbild für die Luftbeschichtung von Schiffen.
Die wasserabweisende Oberfläche der Schwimmfarne (Salvinia) dient als Vorbild für die Luftbeschichtung von Schiffen. (Bild: K. Juschkat /konstruktionspraxis)

Das KIT erforscht bionische Rumpfbeschichtungen, welche den Reibungswiderstand von Schiffen mit einer Lufthülle herabsetzen. Die Beschichtung basiert auf dem „Salvinia-Effekt“ – die Fähigkeit eines Schwimmfarns, dauerhaft eine Luftschicht unter Wasser zu halten.

Reibung, Korrosion und Biobewuchs sind die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt. Das Forschungsvorhaben „Air-Retaining Surfaces“ (Ares) – ein Kooperationsprojekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universitäten Bonn und Rostock – erforscht neuartige Schiffsbeschichtungen, die unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft halten und so helfen, die drei Probleme zu verringern. Ares wurde für seine Forschung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Validierungspreis ausgezeichnet.

Lufthülle zwischen Schiff und Wasser

Ares erforscht Schiffsbeschichtungen, die es erlauben, unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft zu halten und so den Reibungswiderstand von Oberflächen zu verringern. Zugleich vermeiden sie die Freisetzung toxischer Substanzen aus Schiffslacken sowie Biobewuchs (Fouling) und Korrosion, indem die Lufthülle den Kontakt zwischen dem Schiff und dem Wasser verhindert. Koordinator Thomas Schimmel, der u.a. am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT tätig ist, entwickelt mit seiner Arbeitsgruppe unter Wasser lufthaltende Oberflächen auf der Basis des Salvinia-Effekts.

Salvinia-Effekt stabilisiert Luftschicht

Der Salvinia-Effekt ermöglicht es bestimmten Pflanzen wie dem Schwimmfarn Salvinia molesta, auch unter Wasser zu atmen. Dies gelingt ihm durch seine besonderen Haare, die in ihrer Form an kleine Schneebesen erinnern und durch eine besondere chemische Heterogenität charakterisiert sind: Die Einzelhaare sind einerseits wasserabstoßend, jedoch besitzt jedes einzelne Härchen noch eine wasseranziehende Spitze, die wie ein Klebepunkt am Wasser haftet und damit die eingeschlossene Luftschicht dauerhaft stabilisiert.

Lufthülle könnte Schlüsselprobleme der Schifffahrt lösen

„Nachdem wir den Salvinia-Effekt verstanden hatten, erkannten wir das ökonomische und ökologische Potenzial einer technischen Umsetzung“, berichtet Schimmel. Denn etwa 90 Prozent des weltweiten internationalen Handels wird laut Institut von Schiffen bewerkstelligt. Umgibt man die Schiffe unter Wasser mit einer Lufthülle, könnten die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt gelöst werden: Reibung, Korrosion und Bewuchs mit Meeresorganismen. „Wir entwickelten künstliche Oberflächen, die eine solche Luftschicht unter Wasser halten. Frühe Prototypen, die wir vor mehr als fünf Jahren unter Wasser gesetzt haben, sind immer noch mit einer dauerhaften Luftschicht bedeckt.“

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Bionische Schiffsbeschichtungen reduzieren Reibung

Auf der Basis solcher unter Wasser permanent lufthaltender Oberflächen („Aircoating Technologie“) sollen bionische Schiffsbeschichtungen entstehen, bei denen das Schiff unter Wasser mit einer Schmierschicht aus Luft umhüllt wird. Die neue, umweltfreundliche Technologie bietet Potenzial für die Reibungsreduktion, liefert zugleich die Basis für ein umweltfreundliches Antifouling ohne Freisetzung von Gift ins Meer und bietet zusätzlich Korrosionsschutz. Bislang werden beim Antifouling die Schiffsrümpfe mit schwermetallhaltigen Farben behandelt, um den Bewuchs mit Algen und Muscheln zu verhindern.

Wie der Salvinia-Effekt umgesetzt wird, ist in folgendem Video des BMBF zu sehen:

Reibungsreduktion könnte Energieeffizienz erhöhen

„Wir konnten zeigen, dass durch die Aircoating-Technologie eine Reibungsreduktion von circa 20 Prozent erzielt werden konnte, da die Reibung zwischen Schiff und Wasser gegen die Reibung zwischen Schiff und Luft ersetzt wird“, erläutert Schimmel. „Die innovativen Oberflächen könnten damit zukünftig für eine Steigerung der Energieeffizienz sorgen und einen wichtigen Beitrag für unsere Umwelt leisten.“

Selbstklebendes Foliensystem hält Luftschichten auf Oberflächen

Die Aircoating-Technologie wird derzeit systematisch weiterentwickelt: Im EU-Projekt Aircoat, das Schimmel wissenschaftlich koordiniert, setzen die Partner die Haltung von Luftschichten auf Oberflächen unter Wasser durch ein selbstklebendes Foliensystem um.

Zum Validierungspreis

Durch die Fördermaßnahme „Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“ unterstützte das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Projekt Ares. Der Validierungspreis zeichnet Projekte aus, die überzeugend die Ergebnisse aus der Validierungsphase in die Verwertung und Anwendung gebracht haben.

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