Werkstoffe Schutz vor vereisten Tragflächen

Vereisen die Tragflächen von Flugzeugen, treibt das die Kosten in die Höhe und beeinträchtigt die Sicherheit – schlimmstenfalls kann das Flugzeug sogar abstürzen. Die Forscher des Fraunhofer LBF haben nun neue Methoden vorgestellt, Flügel eisfrei zu halten.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

So kuschelig die weißen Wolken am blauen Himmel von unten betrachtet aussehen – die Bedingungen in ihnen sind unwirtlich: Fliegen Flugzeuge durch sie hindurch, lassen die tiefen Temperaturen gemeinsam mit der Windgeschwindigkeit schnell Eiskrusten auf den Tragflächen entstehen.

Dieses Vereisen kann schwerwiegende Folgen haben: Zum einen kann der Luftwiderstand des Flugzeugs um bis zu 40 Prozent steigen, zum anderen wird das Flugzeug schwerer und der Auftrieb sinkt um bis zu 30 Prozent. Beides erhöht den Treibstoffverbrauch deutlich und beeinträchtigt die Sicherheit – schlimmstenfalls bringt das Eis das Flugzeug gar zum Absturz.

Die Flugzeughersteller müssen die Vereisung daher verhindern. Dabei helfen verschiedene Technologien: Etwa indem sie die Abwärme der Triebwerke in Hohlräume in den Flügelvorderkanten leiten und die Flügel so während des Flugs enteisen können. Andere Hersteller integrieren sogenannte rubberboots: Gummimatten, die bei Bedarf aufgepumpt werden und das Eis so von der Oberfläche "sprengen". Ein großer Nachteil dieser Technologien ist allerdings der hohe Energiebedarf. Zudem lassen sie sich nicht oder nur schwer mit Faserverbundwerkstoffen kombinieren, die im Flugzeugbau zunehmend eingesetzt werden.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt haben nun eine Heizmöglichkeit für die Flügel entwickelt, die diese Nachteile umgeht. "Wir integrieren Nanomaterialien in den Werkstoff der Tragflächen, die eine elektrisch leitende Schicht erzeugen und den Flügel beheizen", sagt Martin Lehmann, stellvertretender Abteilungsleiter am LBF. Mehr möchte der Wissenschaftler momentan noch nicht verraten.

Die Vorteile des Systems: Da die elektrisch leitende Schicht ins Material eingebaut ist, wird sie durch das darüber liegende Gewebe geschützt. Zudem ist kein Metall integriert: Das verbessert den Blitzschutz und umgeht die Schwachstelle, die das Metall bilden würde. "Da wir Gleiches mit Gleichem kombinieren, ermüdet das Material nicht so schnell", sagt Lehmann. Der Effekt der Heizung ist groß: Sie erwärmt die Flügel am Boden auf bis zu 120 °C.

Die ersten Tests erfolgreich bewältigt

Den ersten Test hat die Flügelheizung bereits bestanden: Im Windkanal bei Temperaturen von -18 °C und relevanten Windgeschwindigkeiten besprühten die Forscher eine Tragfläche mit Wasser. Zunächst ließen sie eine Eiskruste entstehen, bevor sie die integrierte Heizung anstellten, um das Enteisen – auch De-Icing genannt – zu überprüfen.

In einem zweiten Durchlauf schalteten sie die Heizung bereits beim Einsprühen ein, so dass der Flügel gar nicht erst vereisen kann. Man spricht hier auch von Anti-Icing. Beide Testläufe verliefen erfolgreich und bestätigten die Simulationen, die die Forscher vorab durchgeführt haben.

Zudem untersuchten die Experten zwei verschiedene Modelle, in denen die Heizzonen jeweils etwas unterschiedlich aufgebaut waren, sowie einen ungeheizten Referenzflügel. "So können wir die Heizleistung optimieren – denn die Heizung soll die Flügel zuverlässig eisfrei halten, andererseits aber so wenig Energie wie möglich verbrauchen", erläutert Lehmann.

Im Labormaßstab funktioniert die Tragflächenheizung bereits, nun wollen die Forscher ihre Entwicklung zum industriellen Einsatz weiterentwickeln.

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