Technische Umsetzung

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Category: Funktionsprinzip

Published: Wednesday, 11 September 2013 09:33

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Die Vorräte fossiler Brennstoffe nehmen in Anbetracht eines stetig steigenden Energieverbrauches rapide ab. Der Grossteil der heute produzierten Güter wird mit Hilfe von Schiffen rund um den Globus transportiert. In der Schifffahrt geht ein erheblicher Teil der Antriebsenergie (bis zu 70%) durch die Reibung des Wassers am Schiffsrumpf verloren. Dieser Energieverlust lässt sich deutlich reduzieren, indem Rumpf und Wasser durch eine Luftschicht voneinander getrennt werden. Bisherige Ansätze zur Nutzung dieses Effektes, wie z.B. die "microbubbles"-Technik, bei der feine Luftbläschen mittels Kompressoren unter den Schiffsrumpf geblasen werden, haben sich als nicht praxistauglich erwiesen, da dabei zuviel Energie verbraucht wird. Ziel unseres Biona-Projektes "Luft haltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion" ist es, nach dem Vorbild der Natur eine strukturierte Schiffsbeschichtung zu entwickeln, welche in der Lage ist eine Luftschicht dauerhaft unter Wasser zu halten.

Abbildung 1: Prinzip der Reibungsreduktion durch eine Luftschicht
© Barthlott 2011

In diesem Fall wird die Luft von einer strukturierten Oberfläche gehalten und es bilden sich Wirbelzellen (Luftrollen). Durch diesen internen Wirbel wird die Wasser-Luft Grenzfläche in Bewegung gehalten, wodurch sich die Schubspannung und damit die Kraft auf die Oberfläche verringern. Dieser Effekt wurde bei in Wasser aufsteigenden Luftblasen bereits quantifiziert: Das theoretische Modell von Hadamard und Rybczynski (siehe Koebe (2004)) bestimmt die Reibungsverringerung durch die interne Zirkulation in der Blase mit ca. 33%. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Blase eine kritische Größe, ab der sie Ihre günstige runde Form verliert, nicht überschreitet. Experimente von Maxworthy (1996) haben dieses durch Messungen bestätigt.

1. ExperimenteBerechnungen für Luftschichten ergaben Reibungsreduktionen von bis zu 50 Prozent. Konservativere Schätzungen für eine Luftschicht nach dem Vorbild der Natur gehen von einer um 10 % reduzierten Reibung aus. Würden alle großen Containerschiffe mit einer Luft haltenden Beschichtung ausgestattet, könnten so fast 1% des gesamten globalen Treibstoffverbraucht eingespart werden!

In ersten Versuchen gelang es dieses Prinzip auf technische Materialien zu übertragen. In Kooperation mit Industriepartnern aus Schifffahrt und Flocktechnik soll eine bionische, Luft haltende Oberfläche entwickelt werden.

In ersten Versuchen gelang es dieses Prinzip auf technische Materialien zu übertragen. In Kooperation mit Industriepartnern aus Schifffahrt und Flocktechnik soll eine bionische, Luft haltende Oberfläche entwickelt werden.

Abbildung 2: Der Prototyp einer Luft haltenden Schiffsbeschichtung an einem Modellboot. 
© Barthlott 2007