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Oberflächenbeschichtung Reibungswiderstand bei Schiffen nach dem Vorbild der Delfinhaut vermindern

| Redakteur: Dorothee Quitter

Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

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Nachgiebige Beschichtung am Bug eines Schiffsmodells (Skizze).
Nachgiebige Beschichtung am Bug eines Schiffsmodells (Skizze).
(Bild: HSVA)

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten Widerstandsminderung durch Erhaltung einer laminaren Strömung entlang der Oberfläche. Die Wirkung beruht darauf, dass die weiche Oberfläche unvermeidliche wellenartige Schwankungen in der Strömung – sogenannte Tollmien-Schlichting-Wellen, Vorboten der Turbulenz – abschwächt und damit den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung hinauszögert. Eine solche Verzögerung ist wünschenswert, da der Reibungswiderstand laminarer Strömung erheblich geringer ist als der des turbulenten Zustands. Für die Schifffahrt sind widerstandsvermindernde Rumpfbeschichtungen interessant, da eine Reduzierung des Schiffswiderstands den Brennstoffverbrauch deutlich senkt. Mithilfe von Simulationen entwickeln nun die Wissenschaftler in dem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „FLIPPER - Flow improvement through compliant hull coating for better ship performance“ eine künstliche Delfinhaut für Schiffe, welche die Strömung positiv beeinflusst, sich unkompliziert verarbeiten lässt und langzeitstabil ist.

Zur Entwicklung eines geeigneten Materials haben Wissenschaftler der HSVA Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH Strömungsberechnungen für ein knapp sechs Meter langes Schiffsmodell durchgeführt. Diese wurden durch zusätzliche Berechnungen an der Technischen Universität Hamburg unterstützt. Ziel dieser Berechnungen war die Ermittlung geeigneter viskoelastischer Parameter und Schichtdicken für künstliche Delfinhäute. In der HSVA kam dafür ein mechanisches Ersatzmodell zum Einsatz, das die flexible Fettschicht und die steife Epidermis des Delfins durch Federn, Dämpfer und eine dünne Membran nachbildet. Dieses Modell wurde an ein Prognoseverfahren für das Auftreten von Tollmien-Schlichting-Wellen gekoppelt. Die viskoelastischen Modellparameter wurden nun so lange variiert, bis eine deutliche Abschwächung der Tollmien-Schlichting-Wellen festgestellt werden konnte. Nach diesen Vorgaben wurde am Fraunhofer IFAM ein gelartiges elastisches Polymer entwickelt, welches in Schichtdicken von einigen Millimetern im Bugbereich des Schiffsmodells aufgetragen wurde. Eine dünne, mechanisch stabile Folie bildete zum Abschluss die feste Epidermis.

Versuche zeigten eine Widerstandsminderung von bis zu sechs Prozent gegenüber einem lackierten Referenzbug auf. Dabei wurde die theoretische Vorhersage bestätigt, dass sich mit zunehmender Schichtdicke die Reibung entlang der künstlichen Delfinhaut verringerte; weiterhin zeigte sich eine Vergrößerung des positiven Effekts mit wachsender Geschwindigkeit, d.h. mit zunehmend turbulenter Strömung. Das nächste Ziel ist nun, diese Technologie für die industrielle Anwendung nutzbar zu machen. (qui)

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