Zusammenfassung:
Forscher der University of Colorado Boulder haben eine neue Methode vorgeschlagen, die winzige Vibrationen im Inneren von Materialien nutzt, um den Luftstrom zu regulieren. In Zukunft soll es Turbulenzen und Luftwiderstand reduzieren, ohne die Form des Flugzeugs zu verändern, und so die Treibstoffeffizienz verbessern.
Passagierflugzeuge können eine Reisegeschwindigkeit von etwa 640 Meilen pro Stunde erreichen. Die Luft in der Nähe der Flügeloberfläche erzeugt eine turbulente Grenzschicht, die den Flugwiderstand erhöht, die Flugeffizienz verringert und zu einem höheren Treibstoffverbrauch führt. Ein Verkehrsflugzeug kann auf einem Überlandflug mehr als 10.000 Gallonen Treibstoff verbrauchen, sodass selbst eine kleine Effizienzsteigerung zu erheblichen Kosteneinsparungen für die Fluggesellschaften führen könnte.
Mahmood I. Hussain, Professor am Department of Aerospace Engineering Sciences der University of Colorado Boulder, und sein Team erkunden einen anderen Weg: Anstatt nur die Außenkonturen des Flugzeugs umzuformen, um den Luftwiderstand zu kontrollieren, können sie technische synthetische Materialien unter der Oberfläche platzieren und die von den Materialien erzeugten mikroskopischen Vibrationen nutzen, um den Luftstrom zu beeinflussen und so Turbulenzen zu reduzieren und den Treibstoffverbrauch zu verbessern.
Hussains Team hat kürzlich Artikel in „Physical Review“ veröffentlicht.
Hussein sagte, dass seit der Geburt der Luftfahrtindustrie die gängige Idee der Luftwiderstandskontrolle darin bestehe, die Form des Flugzeugs zu ändern. Nun haben Forscher ein neues Konzept vorgeschlagen: die Verwendung von Materialien, die dynamisch mit der Luftströmung interagieren, um den Oberflächenwiderstand zu beeinflussen und so die Flugzeugleistung auf beispiellose Weise zu verbessern. Zusätzlich zu seiner Anstellung in der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik hat Hussein gleichzeitig eine Anstellung in der Abteilung für Physik inne und ist dem Programm für Materialwissenschaften und -technik angeschlossen.
Der Kern dieser Forschung sind „Phononen“. Phononen sind keine makroskopischen Bewegungen der gesamten Struktur, sondern extrem kleine Schwingungen, die innerhalb des Materials auftreten. Auch wenn diese Bewegungen von geringem Ausmaß sind, könnten sie, wenn sie kontrolliert werden könnten, die Art und Weise verändern, wie die Materialoberfläche mit der strömenden Luft interagiert.
Die Forschung rund um diese inneren Schwingungen wird Phononik genannt. Hussain engagiert sich seit mehr als zwei Jahrzehnten für die Weiterentwicklung dieses Fachgebiets und war 2011 Mitbegründer der Konferenzreihe „Phononics 20xx“, die mittlerweile zu einer wichtigen internationalen Austauschplattform für Forscher auf diesem Gebiet geworden ist.
Im Jahr 2015 schlug Hussein das Konzept des „Phonon Subsurface“ vor, bei dem speziell entworfene Strukturen unter der Oberfläche von Materialien angeordnet werden, damit sie Vibrationen an der Grenzfläche zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit passiv steuern können. In der Vergangenheit funktionierten die von seinem Team und anderen Forschern entwickelten Designs oft nur bei einer einzigen Frequenz.
Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass die Gestaltung der Phononenunteroberfläche in einer spiralförmigen Struktur ihre Wirkung auf einen Bereich von Frequenzen ausweiten kann. Dieses als „Superresonanz“ bekannte Phänomen überwindet eine wesentliche Einschränkung früherer Designs: Es ermöglicht der Struktur, mit einem größeren Bereich von Frequenzkomponenten zu interagieren, die in realen Turbulenzen vorkommen.
Hussain sagte, dass das Team zunächst nur eine Frequenz bewältigen konnte, später aber einen größeren Frequenzbereich abdecken wollte, da auf diese breitbandige Weise Turbulenzen in der realen Welt erzeugt würden. Heute ist dieses Ziel erreicht. Die spiralförmige Phononenstruktur durchbricht langjährige Beschränkungen laminarer Strömungskontrollstrategien.
„Streuungsfreie Interferenz“ geht auf ein weiteres Problem ein. Anstatt nur ein Phonon unter der Oberfläche an einem einzigen Ort zu platzieren, können Forscher mehrere Strukturen in einem Gitter oder Gitter anordnen und so ihren Einfluss stromabwärts des Luftstroms auf einen größeren Bereich ausdehnen, beispielsweise auf einen Flugzeugflügel oder die Oberfläche eines Hyperschallfahrzeugrumpfs.
Hussein sagte, dieser Ansatz ermögliche eine wirksame nachgelagerte Kontrolle. Die Downstream-Steuerung und die Breitbandsteuerung waren seit ihrer Einführung vor mehr als einem Jahrzehnt zwei der größten Einschränkungen der Technologie, und das Team hat nun beide Probleme gelöst.
Die beiden Fortschritte ergänzen einander, bemerkte Adam Harris, Doktorand der Materialwissenschaften und -technik in Husseins Labor und Mitautor beider Arbeiten. Streuungsfreie Interferenz bietet eine Möglichkeit, das räumliche Verhalten instabiler Strömungsfelder stromabwärts des Phononenuntergrunds abzuschwächen; Superresonanz erweitert den Frequenzbereich, über den die Steuerung wirksam sein kann. Die Kombination der beiden bringt das ursprüngliche Phonon-Untergrundkonzept näher an die Flexibilität heran, die in realen Strömungsumgebungen erforderlich ist.
Derzeit stammen diese Ergebnisse hauptsächlich aus rechnerischen Studien, Phononenunterflächen befinden sich jedoch nicht mehr vollständig im theoretischen Stadium. Forschungsteams auf der ganzen Welt haben funktionierende physische Prototypen erstellt und streben nun Tests im Windkanal an.
Hussein sagte, dass das Team hofft, die traditionelle Denkweise zu durchbrechen, dass „die Strömungskontrolle nur auf der Änderung der Form der freiliegenden Oberfläche oder in den letzten Jahren auf aktiven Aktuatoren beruhen kann“. Mithilfe von Phonon-Untergründen behält ein Flügel oder Rumpf seine ursprüngliche Form, Ebenheit und passiven Eigenschaften, während das Material darunter so konzipiert ist, dass es gezielt mit der Luftströmung interagiert.
Obwohl die aktuelle Forschung hauptsächlich auf den Luft- und Raumfahrtbereich ausgerichtet ist, sind die möglichen Einsatzmöglichkeiten von Superresonanz und streufreier Interferenz nicht auf Flugzeuge beschränkt. Hussein glaubt, dass Schiffe, Pipelines, Turbinen und alle von Turbulenzen betroffenen Systeme davon profitieren könnten; Tatsächlich können beide Ideen sogar Anwendungen haben, die über die Flusskontrolle hinausgehen.
Einschlägige Forschung befasst sich auch mit Fragen der Hyperschallströmung und wird durch ein fünfjähriges multidisziplinäres universitäres Forschungsprogramm des Office of Naval Research des US-Verteidigungsministeriums im Wert von 7,5 Millionen US-Dollar unterstützt.
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