ILA 2012: Schutz vor vereisten Flügeln

So kuschelig die weißen Wolken am blauen Himmel auch aussehen, sind die Bedingungen dort oben doch unwirtlich: Fliegen Flugzeuge durch die Wolken hindurch, lassen die tiefen Temperaturen gemeinsam mit der Windgeschwindigkeit schnell Eiskrusten auf den Tragflächen entstehen.

Dieses Vereisen kann schwerwiegende Folgen haben: Zum einen kann der Luftwiderstand des Flugzeugs durch die Eiskruste um bis zu 40 Prozent steigen, zum anderen wird das Flugzeug schwerer und der Auftrieb sinkt um bis zu 30 Prozent. Beides erhöht den Treibstoffverbrauch deutlich und beeinträchtigt die Sicherheit – schlimmstenfalls bringt das Eis das Flugzeug gar zum Absturz.

Die Flugzeughersteller müssen die Vereisung daher mit verschiedenen Technologien verhindern: Etwa indem sie die Abwärme der Triebwerke in Hohlräume in den Flügelvorderkanten leiten und die Flügel so während des Flugs enteisen können. Andere Hersteller integrieren »rubberboots«: Gummimatten, die bei Bedarf aufgepumpt werden und das Eis so von der Oberfläche »sprengen«. Ein großer Nachteil dieser Technologien ist allerdings der hohe Energiebedarf. Zudem lassen sie sich nicht oder nur schwer mit Faserverbundwerkstoffen kombinieren, die im Flugzeugbau zunehmend eingesetzt werden.

Flügelheizung aus Nanomaterialien
Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt haben nun eine Heizmöglichkeit für die Flügel entwickelt, die diese Nachteile umgeht. »Wir integrieren Nanomaterialien in den Werkstoff der Tragflächen, die eine elektrisch leitende Schicht erzeugen und den Flügel beheizen«, sagt Martin Lehmann, stellvertretender Abteilungsleiter am LBF. Mehr möchte der Wissenschaftler momentan noch nicht verraten. Die Vorteile des Systems: Da die elektrisch leitende Schicht ins Material eingebaut ist, wird sie durch das darüber liegende Gewebe geschützt. Zudem ist kein Metall integriert: Das verbessert den Blitzschutz und umgeht die Schwachstelle, die das Metall bilden würde. »Da wir Gleiches mit Gleichem kombinieren, ermüdet das Material nicht so schnell«, sagt Lehmann. Der Effekt der Heizung ist groß: Sie erwärmt die Flügel am Boden auf bis zu 120 Grad Celsius.

Den ersten Test hat die Flügelheizung bereits bestanden: Im Windkanal bei Temperaturen von -18 Grad Celsius und relevanten Windgeschwindigkeiten besprühten die Forscher eine Tragfläche mit Wasser. Zunächst ließen sie eine Eiskruste entstehen, bevor sie die integrierte Heizung anstellten – so wollten die Wissenschaftler das Enteisen, auch »De-Icing« genannt, überprüfen. In einem zweiten Durchlauf schalteten sie die Heizung bereits beim Einsprühen ein, so dass der Flügel gar nicht erst vereisen kann. Man spricht hier auch von »Anti-Icing«. Beide Testläufe verliefen erfolgreich und bestätigten die Simulationen, die die Forscher vorab durchgeführt haben. Zudem untersuchten die Experten zwei verschiedene Modelle, in denen die Heizzonen jeweils etwas unterschiedlich aufgebaut waren, sowie einen ungeheizten Referenzflügel. »So können wir die Heizleistung optimieren – denn die Heizung soll die Flügel zuverlässig eisfrei halten, andererseits aber so wenig Energie wie möglich verbrauchen«, erläutert Lehmann.

Im Labormaßstab funktioniert die Tragflächenheizung bereits, nun wollen die Forscher ihre Entwicklung zum industriellen Einsatz weiterentwickeln. Auf der Messe ILA Berlin Air Show vom 11. bis 16. September 2012 zeigen die Wissenschaftler eines der Segmente, das sie im Windkanal getestet haben (Halle 3, Stand 3221). Das Segment wird beheizt, was die Besucher zum einen über ihre Handflächen spüren, zum anderen in einer Wärmebildkamera sehen können.

Systemlösungen zur Enteisung
Einen weiteren Ansatz verfolgen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. In einem EU-Projekt, das im Herbst 2012 starten soll, entwickeln sie – neben der Enteisung durch Heizen – auch neue technische Lösungen, um das Eis mechanisch von den Flügeln zu entfernen. »Hierfür werden wir innovative Materialien einsetzen, etwa die ’Shape-Memory-Materialien’«, erläutert Dr. Stephan Sell, Wissenschaftler im Bereich Lacktechnik des Fraunhofer IFAM. Das Besondere daran: Ändert sich die Temperatur oder legt man eine elektrische Spannung an, ändert das Material sein Volumen. So können die Wissenschaftler das Eis von der Oberfläche absprengen. »Wir erwarten in dem Zusammenhang Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent gegenüber herkömmlichen Beheizungsmethoden«, sagt Sell.

Gleichzeitig wollen die Wissenschaftler diese aktive Enteisung der Flügel an neuartige Sensoren koppeln. Vereisen die Flügel, erkennen die Sensoren dies über ein optisches System und alarmieren die Crew. Bisherige Techniken basierten lediglich auf indirekten Messungen. Das integrierte Sensorsystem ermöglicht es, sowohl die Vereisung in Echtzeit zu erkennen als auch den Erfolg der Enteisung in Echtzeit zu überwachen. Dies erhöht die Energieeffizienz des Gesamtsystems und steigert die Sicherheit im Flugverkehr um ein Vielfaches.

Schutz durch Anti-Eis-Beschichtungen
Wo kein Wasser ist, kann kein Eis entstehen. Daher entwickeln Forscher des IFAM im »CleanSky«-Programm auch Beschichtungen mit Anti-Eis-Funktionen. Die hydrophobe, wasserabweisende Beschichtung soll unter anderem vor dem »Runback-Eis« schützen, das sich aus dem von den Flügelvorderkanten abgeschmolzenen Eis bildet. Denn wird das Eis an den Flügelvorderkanten über Heizungen abgetaut, fließt es als Schmelzwasser zum hinteren Teil der Tragfläche und friert dort wieder fest. »Unsere hydrophoben Beschichtungen sollen dafür sorgen, dass das Wasser am hinteren Teil der Tragfläche erst gar nicht haften kann, sondern sofort abfließt. Das erreichen wir, indem wir dem Lack bestimmte Additive beimischen, beispielsweise fluorierte Verbindungen«, erklärt Stephan Sell. »Die Herausforderung besteht vor allem darin, die wasserabweisenden Schichten so herzustellen, dass sie über Jahre hinweg stabil bleiben – trotz UV-Strahlung und hohen Erosionsbelastungen.«

Die Anwendungsbereiche dieser neuen Technologien beschränken sich nicht nur auf die Luftfahrt: Auch bei Schiffen, Schienenfahrzeugen, Autos, Rollläden, Kühlaggregaten und Windenergieanlagen ist die Vereisung ein Problem. Beispielsweise führen vereiste Rotorblätter bei Windanlagen dazu, dass die Anlage deutlich weniger Strom produziert – im schlimmsten Fall führt die Vereisung zu irreparablen Schäden. Fallen Teile des Eises herunter, können Menschen verletzt werden.

Um die Anti-Eis-Technologien zu überprüfen, steht den Forschern am IFAM eine eigens entwickelte Eiskammer zur Verfügung. Hier können sie verschiedene Vereisungsszenarien realistisch nachstellen: Beispielsweise

die Lufttemperatur auf bis zu -20 Grad Celsius absenken, den Wind mit Geschwindigkeiten von bis zu 70 Metern pro Sekunde durch die Testkammer pfeifen lassen und über eine Düse Regen simulieren. So lassen sich die Eisbildung auf Oberflächen, die Effektivität der Enteisungsprozesse und die Haftkraft des Eises ermitteln. Für die Tests verwenden die Forscher beispielsweise individuell gefertigte Modelle von Flügelprofilen mit neuen Anti-Eis-Beschichtungen. Eines davon stellen sie auf der Messe ILA aus (Halle 3, Stand 3221).