2. März 2020

Flugzeugoberflächen schnell und umweltschonend enteisen

Eis auf Flugzeugoberflächen birgt potenzielle Gefahren: Der Kraftstoffverbrauch steigt. Die Aerodynamik wird gestört. Der erzeugte Auftrieb sinkt. Alles in allem wird die Funktionsfähigkeit des Flugzeugs beeinträchtigt. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelten daher gemeinsam mit AIRBUS und der TU Dresden ein Laserverfahren, das zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt: Zum einen fällt das Eis von alleine ab. Zum anderen bedarf es beim Enteisen einer geringeren Heizleistung. Mit der Direkten Laserinterferenzstrukturierung lassen sich Oberflächenstrukturen gestalten, die Anti-Icing effektiv ermöglichen.

Eis im Flugverkehr – ein Sicherheitsrisiko
Setzt sich eine dünne Frostschicht auf den Tragflächen oder an anderen neuralgischen Punkten wie dem Heck ab, so wirkt sich dies nachteilig auf die Aerodynamik des Flugzeugs aus. Der Auftrieb wird reduziert, der Luftwiderstand erhöht. Eisaggregation an Sonden und Sensoren führt zu Fehlern beim Messen der Luftgeschwindigkeit. Das ist im Flugbetrieb sicherheitskritisch. Aus diesen Gründen müssen die Maschinen bereits vor dem Start von Schnee und Eis befreit werden. Am Boden entfernen Spezialfahrzeuge mit chemischen Mitteln die weiße Schicht. Die gefrierhemmenden Chemikalien sollen zudem weitere Eisbildung verhindern. Allerdings sind diese Flüssigkeiten umweltschädlich und teuer. 400 bis 600 Liter fallen für die Enteisung an. Auch in der Luft müssen die Flugzeuge vor der frostigen Gefahr geschützt werden. Hierfür sorgen zusätzliche technische Präventionsmechanismen in Form sogenannter »Ice Protection Systems«. Diese Heizelemente erhöhen jedoch den Treibstoffverbrauch.

Ökologisch nachhaltig
Mit der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (englisch: Direct Laser Interference Patterning, kurz DLIP) entwickelte ein Forscherteam des Fraunhofer IWS in enger Zusammenarbeit mit AIRBUS und der TU Dresden ein Verfahren, mit dem sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich generieren lassen. Sie verhindern oder reduzieren stark das Anhaften des Eises. Die Besonderheit dabei: Die Forscherinnen und Forscher kombinieren die DLIP-Technologie mit Ultrakurzpulslasern, sodass mehrstufige Mikrostrukturen auf 3D-Tragflächen in einem Ein-Schritt-Verfahren erzeugt werden.

Im ergebnis lösen sich dadurch einerseits Teile des anhaftenden Eises unter bestimmten Vereisungsbedingungen von alleine. Andererseits erfordert diese Methode ein um 20 Prozent geringere Heizleistung beim technischen Enteisen. Das bringt zahlreiche Vorteile mit sich: Es sind weniger umweltschädliche Enteisungsmittel nötig. Die Wartezeit für die Fluggäste während der Enteisung wird reduziert. Der Energie- sowie der Treibstoffverbrauch im Flugbetrieb sinken ebenso wie das Fluggewicht infolge der potenziell kleineren Heizaggregate. Herkömmlichen Technologien ermöglichen eine Kombination der beiden Effekte bislang nicht.

Schlüsseltechnologie: DLIP
Mit dem Direkten Laserinterferenzstrukturieren durch Kurz- und Ultrakurzpulslaser etablierte das Forscherteam eine Schlüsseltechnologie. DLIP ist vielseitig einsetzbar, etwa wenn technische Oberflächen wie Windkraftanlagen oder andere Komponenten in kalten Klimaregionen vereist sind. Die Technologie eignet sich aber auch für andere Anwendungen wie den Produktschutz, biokompatible Implantate oder verbesserte elektrische Steckkontakte. »Wir können die funktionalen Mikrostrukturen großflächig sowie mit hohen Prozessgeschwindigkeiten aufbringen und so für eine Vielzahl von Anwendungen Vorteile erzielen, die so bislang nicht denkbar waren.«, sagt Tim Kunze, Experte für Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer IWS.

Unter dem Titel »Design Rules for Laser‐Treated Icephobic Metallic Surfaces for Aeronautic Applications« erschien am 24. Februar 2020 eine wissenschaftliche Veröffentlichung zu dieser DLIP-Entwicklung. Außerdem erhalten Sie weiter Informationen beispielsweise zu den Tests im Windkanal von Airbus beim Fraunhofer IWS. Sehen Sie sich gerne auch dieses Video und die Annimation zum Enteisen und den bisherigen Projektergebnissen an.


Foto ©Fraunhofer IWS Dresden: Mit Direct Laser Interference Patterning (DLIP) lassen sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich generieren, die das Anhaften von Eis verhindern oder stark reduzieren.

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