Zusammenfassung:
Die deutsche Lufthansa Technik hat kürzlich von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit die Genehmigung erhalten, das von ihr entwickelte bionische Oberflächenmaterial „AeroSHARK“ in einem Passagierflugzeug des Typs Airbus A330-300 zu installieren und Flugtests durchzuführen. Das Entwicklungsteam hofft, die strukturellen Eigenschaften der Haifischhaut zu nutzen, um großen Passagierflugzeugen dabei zu helfen, sich effizienter durch die Luft zu bewegen wie ein schwimmender Hai.
Für die moderne Luftfahrtindustrie war der Luftwiderstand schon immer eine der größten Herausforderungen.
Obwohl sich der Rumpf eines modernen Verkehrsflugzeugs im mikroskopischen Maßstab sehr glatt anfühlt, weist seine Metalloberfläche tatsächlich eine große Anzahl kleiner unebener Strukturen auf. Wenn ein Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von etwa 890 Kilometern pro Stunde fliegt, bleibt eine dünne Luftschicht an der Rumpfoberfläche haften.
Zwischen dem Körper und dieser Luftschicht befindet sich ein Bereich mit einer Dicke von etwa 1 mm. Dieser Bereich, der als viskose Unterschicht bezeichnet wird, ist mit einer chaotischen und ungeordneten Masse winziger Wirbel und Luftstörungen gefüllt.
Es sind diese scheinbar unauffälligen kleinräumigen Turbulenzen, die den sogenannten „Oberflächenreibungswiderstand“ ausmachen. Untersuchungen zeigen, dass diese Art von Widerstand etwa die Hälfte des gesamten Luftwiderstands des Flugzeugs ausmacht und daher zu einem wichtigen Faktor für den Treibstoffverbrauch und die Flugeffizienz wird.
Luftfahrtingenieure haben lange nach Möglichkeiten gesucht, diesen Widerstand abzuschwächen, und die Antwort kommt letztendlich von den Spitzenprädatoren der Ozeane.
Obwohl die Menschen Haie oft für sehr glatt halten, ist ihre Haut tatsächlich mit extrem kleinen Schuppen bedeckt. Diese Schuppen, Dentikel genannt, ähneln Miniaturzähnen mit regelmäßig beabstandeten, länglichen erhabenen Strukturen.
Diese winzigen Texturen säumen die Richtung des Körpers des Hais. Wenn Wasser durchströmt, bilden sich außerdem zahlreiche Mikrowirbel. Allerdings können die Vorsprünge auf der Oberfläche der Hautzähne diese Wirbel weiter von der Haut entfernt begrenzen und so die direkte Störung des Wasserflusses auf der Körperoberfläche verringern.
Es ist dieser Mechanismus, der Haien hilft, mit hoher Geschwindigkeit und effizienter im Meerwasser zu schwimmen.
Das Designkonzept von AeroSHARK ist von diesem Naturphänomen abgeleitet.
Das System besteht im Wesentlichen aus einer Schicht einer speziellen Polymerfolie, auf deren Oberfläche eine große Anzahl von Mikrorillen mit einer Breite von nur etwa 50 Mikrometern eingeprägt ist. Durch die genaue Nachahmung der Höhe, des Abstands und der Geometrie der Zähne der Haifischhaut hoffen die Forscher, einen ähnlichen Effekt zur Reduzierung des Luftwiderstands wie bei Haien zu erzielen.
Nach der Installation bedeckt diese Folie wie eine große Folie die Außenseite des Flugzeugrumpfs. Wenn Luft durch diese feinen Strukturen strömt, werden die ursprünglich auf der Oberfläche des Flugzeugs gebildeten Störungen neu organisiert, wodurch der Luftwiderstand verringert und die Flugeffizienz verbessert wird.
Nach Berechnungen von Lufthansa Technik kann die aktuelle Version von AeroSHARK den Treibstoffverbrauch und die CO2-Emissionen für einen einzelnen Flug um etwa 1 % senken. Wenn es in Zukunft weiter auf Teile wie Flügel und Leitwerke ausgeweitet wird, wird erwartet, dass der Emissionsminderungseffekt auf etwa 2 % ansteigt.
Diese Freigabe zur Erprobung bedeutet nicht, dass AeroSHARK zum ersten Mal in die Praxis umgesetzt wurde.
Tatsächlich wurde diese Technologie für den kommerziellen Betrieb auf einigen Boeing 777-Frachtern und Passagierflugzeugen zertifiziert und hat viel Erfahrung im realen Streckenbetrieb gesammelt.
Bisher wurde das AeroSHARK-System in vielen Langstreckenflugzeugen der Lufthansa Group installiert. Den vom Unternehmen veröffentlichten Daten zufolge haben damit verbundene Technologien Hunderttausende Flugstundenrekorde aufgestellt und den Fluggesellschaften dabei geholfen, viel Treibstoffverbrauch und Kohlendioxidemissionen einzusparen.
Für Airbus-Modelle hat diese A330-Zertifizierung jedoch eine besondere Bedeutung.
Als zweithäufigstes Langstrecken-Großraum-Passagierflugzeug der Welt wird die A330 auch in Zukunft noch lange in der Flotte der globalen Fluggesellschaften im Einsatz sein. Wenn AeroSHARK endlich eine formelle Zertifizierung erhält und weit verbreitet ist, wird seine potenzielle Marktgröße seinen derzeitigen Umfang bei weitem übersteigen.
Um die Zertifizierungsarbeiten abzuschließen, hat Lufthansa Technik entsprechende Testpläne in Dresden, Deutschland, gestartet. Ein A330-300-Passagierflugzeug von Discover Airlines wird modifiziert und mehreren Flugüberprüfungsrunden unterzogen, um die Auswirkungen dieser Technologie auf Flugleistung, Sicherheit und Betriebszuverlässigkeit zu bewerten.
Gleichzeitig treibt das F&E-Team auch die Entwicklung des AeroSHARK-Materials der nächsten Generation voran und hofft, dass es in Zukunft nicht nur den Rumpf und die Triebwerksverkleidung bedecken, sondern auch in Bereichen eingesetzt werden kann, die größeren aerodynamischen Belastungen ausgesetzt sind, wie etwa Tragflächen, Höhen- und Seitenleitwerke.
Brancheninsider glauben, dass bionische Technologien wie AeroSHARK, die direkt auf natürlichem Design basieren, zu einer wichtigen Richtung zur Verbesserung der Luftfahrteffizienz werden, da die Luftfahrtindustrie immer strengeren Anforderungen an die Emissionsreduzierung gegenübersteht. Selbst wenn der Treibstoffverbrauch nur um 1 % sinkt, bedeutet dies für die Fluggesellschaften auch erhebliche Einsparungen bei den Betriebskosten und eine Reduzierung der CO2-Emissionen im riesigen globalen Streckennetz.
Die Aufnahme des Airbus A330 in das Testprogramm bedeutet auch, dass die aus Haifischhaut gewonnene bionische Technologie auf ein breiteres Spektrum ziviler Luftfahrtflotten ausgeweitet wird.
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