Forscher tüfteln an Sensor-Aktuator-Systemen für Flugzeugtragflächen – Vorbild ist die elastische Haut von Delfinen

Wer einmal das große Glück hatte, einem Delfin in dessen Element zu begegnen, der wird es bestätigen: Delfine schwimmen, als würden sie mühelos durch Luft „fliegen“.

Dass die Tiere diese Fähigkeit unter anderem ihrer elastischen Haut verdanken, hat der deutsche Wissenschaftler Max Otto Kramer bereits in den 1950er Jahren mit Schleppversuchen nachgewiesen: Von einem Motorboot aus zog er mit verschiedenen Materialien bespannte Körper durchs Wasser. Wirklich ernst genommen hat man seine Theorien damals nicht.

Das ist heute anders: Seit den 1990er Jahren forschen weltweit verschiedene Arbeitsgruppen daran, wie unerwünschte Verwirblungen in einer Strömung möglichst stark gedämpft und im Idealfall ganz vermieden werden können. Denn jeder Widerstand kostet Energie und Zeit und damit Geld.

Grundlagen der Strömungsforschung sind deshalb für die Automobilindustrie, die Schiffs- und Meerestechnik sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie – um nur einige zu nennen – in Zeiten knapper Energie-Ressourcen höchst relevant. An der Technischen Universität Berlin befassen sich zwei wissenschaftliche Mitarbeiter im Rahmen ihrer Promotion mit spannenden Strömungsversuchen. Allerdings in einem anderen Medium, als man es zunächst erwarten würde. Dipl.-Math.-techn. Nikolas Losse und Dipl.-Ing. Andreas Pätzold haben Termine in der Windkanalhalle am Institut für Luft- und Raumfahrt reserviert.

Eine Woche lang können sie nun für ihre jeweilige Promotion Handteller große Platten, die mit Schlitzen versehen sind, verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten aussetzen. „Im Unterschied zu den Versuchen von Max Kramer können wir die unterschiedliche Elastizität der Oberflächen rechnerisch simulieren“, erläutert Nikolas Losse. Mit Oberflächensensoren sei es möglich, bei verschiedenen Strömungsgeschwin digkeiten und jeweils unterschiedlichen Elastizitäten die Verwirbelungen und ihren weiteren Verlauf zu messen und darzustellen. Mit so genannten Grenzschichtaktuatoren, die auf piezoelektrischen Keramiken basieren, wird die Strömung beeinflusst, indem günstige Wandelastizitäten simuliert werden. „Wir machen hier Grundlagenforschung“, sagt Nikolas Losse.

Ursache für die unerwünschten Wirbel sind die so genannten Tollmien-Schlichting-Wellen. Wenn eine Tragfläche durch die Luft gleitet, bildet sich eine Grenzschicht, die zunächst laminar am Flügel anliegt. Winzige Störungen mit Wellencharakter (Tollmien-Schlichting-Wellen) verstärken sich jedoch mit zunehmender Strecke, die die Strömung an der Tragfläche zurücklegt. Die Grenzschicht ist nicht mehr laminar sondern turbulent – der Widerstand wird größer. „Es würde schon genügen, einen kleinen Bereich der gesamten Flügeltiefe mit geeigneten Sensoren und Aktuatoren auszurüsten, um den Reibungswiderstand zu verringern“, sagt Andreas Pätzold. Am Computerbildschirm können die beiden Forscher mitverfolgen, wie sich die Tollmien-Schlichting-Wellen bei Strömungsgeschwindigkeiten im Kanal von bis zu 70 km/h bilden und anwachsen. Je nachdem, wie elastisch die getestete Oberfläche ist, werden die Wellenberge in der grafischen Darstellung flacher oder höher. „Langfristig ist es unser Ziel, die Wellen so zu dämpfen, dass kaum noch Reibungswiderstand auftritt“, sagt Mathematiker Losse. Und erläutert, warum die Wirbel unerwünscht sind: Um eine bestimmte Geschwindigkeit zu halten, muss Energie aufgewendet werden. Je mehr Reibungswiderstand zusätzlich überwunden werden muss, desto mehr Energie wird verbraucht.

Das Thema der beiden TU-Doktoranden wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik“ finanziert. Auch Forscher aus Stuttgart und Freiburg sind in das Projekt involviert. Die beiden Berliner haben klar getrennte Aufgaben: Andreas Pätzold vom Institut für Luft- und Raumfahrt ist für den Bereich Aerodynamik zuständig, Nikolas Losse kümmert sich um die Mess- und Regeltechnik. Das Programm läuft über sechs Jahre, wobei alle zwei Jahre von den einzelnen Projekten eine Verlängerung beantragt werden kann. Dieses Projekt befindet sich in der zweiten Förderphase.

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern: Dipl.-Math.techn. Nikolas Losse, Technische Universität Berlin, Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik, Hardenbergstr. 36a, 10623 Berlin, Tel.: 030/314-79283, Fax:: 030/314-21129,

E-Mail: Nikolas.Losse@tu-berlin.de

Dipl.-Ing. Andreas Pätzold, Technische Universität Berlin, Institut für Luft- und Raumfahrt, Marchstraße 12, 10587 Berlin, Tel.: 030/314-21311, Fax: 030/314-22955, E-Mail: andreas.paetzold@ilr.tu-berlin.de,

Homepage: www.aero.tu-berlin.de

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