Laser trifft auf Haihaut

Schon lange inspiriert die strömungsgünstige Haut der Haie Wissenschaftler dazu, technische Oberflächen zu optimieren. Aus Mittweida und Wilhelmshaven kommen nun neue Ideen, künstliche Haifischhaut mit Hilfe modernster Lasertechnik herzustellen.

Ein Hai durchbricht die Wasseroberfläche

Schuppen auf der Haihaut inspirieren Wissenschaftler dazu, technische Oberflächen zu optimieren.

Getty Images / Brant Bady / EyeEm

Bereits in den 1970er-Jahren entdeckten Wissenschaftler Längsrillen auf den Hautschuppen von Haien, die an die Form von Rippen erinnern und die schnelle Bewegung des Hais unterstützen. Daraus entstand bei Wissenschaftlern die Idee, die Haihaut auf andere Bereiche zu übertragen. Beispielsweise auf Oberflächen, bei denen der Luftwiderstand mit Hilfe der Hautstruktur von Haien, sogenannter Riblets, verbessert werden könnte. Erste Anwendungsfelder fanden sie auf Flugzeugen und Schwimmanzügen.

Bisher werden Riblets mit Hilfe von Lacken, Fräsen, Walzen oder Folien hergestellt. Die Praxis zeigte jedoch, dass die Beständigkeit der Riblets ein entscheidendes Kriterium ist. Wird beispielsweise eine Folie auf einem Flugzeug angebracht, muss sie den extremen klimatischen Bedingungen in der Luft standhalten. Löst sie sich in der Luft vom Flugzeug, so wird es gefährlich.

Ein Laserstrahl wird über eine Oberfläche geführt

Ein Laserstrahl wird über eine Oberfläche geführt.

Laserinstitut Hochschule Mittweida

OstrALas bündelt Kompetenzen

Die Hochschule Mittweida und die Jade Hochschule Wilhelmshaven haben nun ihre neuesten Forschungsergebnisse zum Thema Riblets präsentiert. Beim Offenen Technologietag in Frankfurt am Main stellten sie ihr gemeinsames Projekt „Optimierung der strömungsmechanischen Auslegung von Energiemaschinen durch Einsatz von Hochrate-Laserstrukturierungstechnologien“ (OstrALas) vor, das vom Bundesforschungsministerium als „Innovation & Strukturwandel“-Pilotprojekt gefördert wird.

An der Hochschule Mittweida untersucht man die Fertigung der Riblets mit Hilfe von Lasern. Dabei führt ein Scansystem einen Laserstrahl über eine Oberfläche und erzeugt darauf mikroskopisch kleine Strukturelemente – fein wie ein menschliches Haar. Diese Struktur entspricht am Ende einem Riblet. „Je höher die Leistung des Lasers eingestellt ist, desto größer ist die Fläche, die der Laser in einer bestimmten Zeit strukturieren kann“, erklärt Stefan Mauersberger von der Hochschule Mittweida und ergänzt: „Nur mit Hilfe der Lasertechnologie werden energieeffiziente Ribletstrukturen Zugang in technischen Anwendungen finden.“ Grundsätzlich gebe es keine Materialeinschränkungen bei der Herstellung von Riblets durch Laser, besonders geeignet seien aber Oberflächen aus einem einzigen Material, so Mauersberger weiter.

In Wilhelmshaven forschen die Wissenschaftler um Karsten Oehlert unterdessen an der optimalen Struktur der Riblets. Bisher werden nur Riblets hergestellt, die konstant sind. Das heißt, die einzelnen rippenartigen Erhebungen sind gleich hoch und haben den gleichen Abstand. Neue – sogenannte kontinuierlich adaptierte – Riblets hingegen sollen den realen Strömungsverhältnissen der Oberflächen angepasst sein, auf der sie aufgebracht sind, berichtet Konrad Hartung. Bei Experimenten am Institut für Energie und Verfahrenstechnik der Jade Hochschule werden nun lasergefertigte Riblets getestet und interaktiv weiter verbessert.

Interessierte Industrie

Aufnahme eines Riblets mit dem Rasterelektronenmikroskop

Aufnahme eines Riblets mit dem Rasterelektronenmikroskop

Laserinstitut Hochschule Mittweida

„Das Projekt geht im Herbst 2019 zu Ende“, sagt Udo Löschner von der Hochschule Mittweida. „Wir haben den Technologietag bewusst ans Ende gesetzt, um den Firmen, die wir heute eingeladen haben, auch die erfolgreiche Umsetzung von optimierten Ribletstrukturen im Hochrate-Laserprozess zu präsentieren.“ Firmen wie Airbus verwenden bereits heute „painted riblets“. Dabei wird ein Lack auf eine Art Druckwalze aufgebracht, die die Mikrostruktur auf die Oberfläche des Flugzeugs überträgt. Jörg Schille, Koordinator des Projekts, ist positiv gestimmt, interessierte Firmen zu finden, mit denen die Hochschulen die Forschungsergebnisse in konkrete technische Anwendungen umsetzen können. Dabei seien zwei Dinge den Unternehmen besonders wichtig, weiß Schille: „Die Produktionskosten dürfen nicht zu hoch sein. Und: Es muss ausgebildete Fachkräfte für laserhergestellte Riblets geben.“