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BIOKON - Das Bionik-Kompetenznetz

Winglets

Best Practices // 22. Februar 2014

Besser fliegen: Flugzeugflügel vom Steinadler abgeschaut

 

Bionik-Innovation

Tragflügel mit neuartigen Multiwinglets am Ende könnten die Luftfahrt in eine neue, treibstoffsparende Ära führen. Vorbild für die Entwicklung dieser an ihrem Ende mehrfach aufgebogenen Tragflächen waren unter anderem Steinadler, die beim Flug ihre Handschwingen aufspreizen. Dies bringt im Vergleich zum konventionellen Flügel eine um elf Prozent verbesserte Gleitzahl. Bei einem flächendeckenden Einsatz an Verkehrsflugzeugen könnten so weltweit Millionen Tonnen Treibstoff gespart werden – und damit neben dem Ressourcenschutz auch zur Umweltschonung und zum Erhalt der lebenswichtigen Ozonschicht beitragen.

 

Technische Anwendung

Ein Forscherteam vom Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik der TU Berlin um Professor Ingo Rechenberg beschäftigte sich mit dem Problem der Verminderung des sogenannten induzierten Strömungswiderstandes nach dem Vorbild der Natur. Dazu wurde in Windkanalexperimenten ein idealer Tragflügel mit Multiwinglets entwickelt. Er könnte in der Zukunft neue Maßstäbe in Bezug auf Sicherheit, Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und damit auch Nachhaltigkeit setzen. Die Anwendung ist bei allen Flugzeugen denkbar – an Segelflugzeugen wurden bereits erste Prototypen getestet. An Verkehrsflugzeugen werden schon heute einfache Winglets eingesetzt, durch mehrfach aufgebogenen Multiwinglets könnte der Spareffekt noch vergrößert werden.

 

Bionisches Funktionsprinzip

Landvögel wie der Steinadler spreizen im Gleitflug ihre Handschwingen auf. Durch diesen Trick entstehen kleinere Wirbel als sie bei einem durchgängigen Flügel entstehen würden. Damit reduziert sich der induzierte Strömungswiderstand, da dieser vom Quadrat des Wirbeldurchmessers abhängt. So nimmt der Luftwiderstand ab, der Vogel spart Energie. Technisch betrachtet sind die Handschwingen am Flügelende widerstandsgünstige Mehrdecker, die über Millionen von Jahren perfektioniert wurden. Die TU Berlin führte im Windkanal Experimente mit einem Tragflügel durch, bei dem sich die Winglets einzeln einstellen ließen. Über die der Natur nachempfundene „Evolutionsstrategie“, mit der über Computersimulationen Verbesserungen und Optimierungen rechnerisch nachvollzogen werden, wurde schließlich der perfekte Flügel mit Multiwinglets entwickelt.

 

Vorbild aus der Natur

Seevögel wie der Albatros können auch deshalb Tausende Kilometer fliegen, weil sie durch langgestreckte Flügel und schmale Flügelenden einen niedrigen induzierten Strömungswiderstand haben und damit Energie sparen. Der Steinadler, der an Felsen oder in Höhlungen nistet, kann keine langgestreckten Flügel haben. Er reduziert seinen Randwiderstand durch die aufgestellten Handschwingen. So kann er auf der Suche nach Beute lange in der Luft kreisen, ohne häufig mit den Flügeln zu schlagen und Energie verbrauchen zu müssen. Steinadler haben bei einer Flügelspannweite von etwa zwei Metern elf Handschwingen.

 

 

>> Historisches <<

 

Am 16. August 1894 hob Otto Lilienthal mit seinem „Flug-Zeug“ ab: Sein Schlagflügelapparat hatte bereits aufgespreizte Flügelenden. Bis zum Multiwinglet war es ein weiter Weg, doch ein erster Schritt in die bionische Richtung war unbeabsichtigt vom Flugpionier bereits gemacht.

 

Fractherm
Ausschnitt eines Solarabsorbers, dessen Strömungskanäle nach biologischem Vorbild mit dem FracTherm-Algorithmus gestaltet wurden.
Bild: Fraunhofer ISE

Best Practices // 19. Januar 2014

Solarabsorber FracTherm® – Energie effizient übertragen

 

Bionik-Innovation

Bei der Nutzung fossiler und erneuerbarer Energieträger zählen Wärmetauscher zu den wichtigsten Komponenten. Zu ihnen gehört auch das Herzstück eines Sonnenkollektors, der Solarabsorber. In ihm wird die Sonnenstrahlung aufgenommen und an das Wärmeträgermedium weitergegeben. Herkömmliche Solarabsorbers haben oft mit Problemen wie ungleichmäßige Durchströmung oder Druckabfall zu kämpfen – dadurch sinkt ihre Energieeffizienz. Deshalb wurde vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE die sogenannte FracTherm-Technologie entwickelt. Sie ermöglicht nach dem Vorbild vergleichbarer biologischer Strukturen, wie Blutgefäße oder Blattadern, eine effiziente Durchströmung von Solarabsorbern und verbessert dadurch die Energieeffizienz. Das bringt nicht nur finanzielle Vorteile. Es wird dadurch auch weniger Energie aus fossilen Brennstoffen oder Atomstrom benötigt. Das schont die Umwelt.

 

Technische Anwendung

Mit FracTherm® lassen sich individuelle Lösungen für Wärmetauscherstrukturen nach Kundenwunsch realisieren. Einige Firmen, wie die italienische CGA Technologies S.p.A., haben bereits Verträge über eine Nutzung des Patents angemeldet. „Die FracTherm®-Technologie ermöglicht eine flexible Gestaltung der Kanalnetzwerke von Solarabsorbern. Die Herstellung derartig komplexer Strukturen stellt hohe Anforderungen an die Fertigungstechniken und -möglichkeiten“, erklärt Michael Hermann, Teamleiter „Wärmeübertrager und Kollektorentwicklung“ am Fraunhofer ISE. Die neue, bionische Technologie ist bereits im großen Markt moderner Heizsysteme angekommen.

 

Bionisches Funktionsprinzip

In der Natur existieren Netzwerke von Strömungskanälen, die eine energieeffiziente Wärme- und/oder Stoffübertragung garantieren. Beispiele dafür sind Blutbahnen oder Blattadern. Die natürlichen Konstruktionen sind in der Regel jedoch weder seriell noch parallel aufgebaut –wie zum Beispiel auch herkömmliche Solarabsorber in der Technik. In der Natur werden meist mehrfach verzweigte Strukturen verwendet, die mathematisch als „Fraktale“ beschrieben werden. Am Fraunhofer ISE wurde nach dem natürlichen Vorbild ein Algorithmus entwickelt und zum Patent angemeldet, der derartige natürliche Strukturen auf die Technik überträgt. Mit Hilfe dieses FracTherm®-Algorithmus kann eine vorgegebene Fläche nach Festlegung des Ein- und Austrittspunktes mit einer geeigneten fraktalen Hydraulikstruktur versehen werden.

 

Vorbild aus der Natur

In den Blutgefäßen wird das Blut durch den menschlichen Körper transportiert – und das höchst energieeffizient. Damit wird sichergestellt, dass jede einzelne Zelle des Körpers mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt und Stoffwechselendprodukte aus den Zellen zu den Ausscheidungsorganen transportiert werden. Auch Botenstoffe und Bestandteile des Immun- und Blutgerinnungssystems werden über die Blutgefäße an jene Stellen gebracht, an denen sie benötigt werden. Zusammengenommen erreichen die weit verzweigten Blutgefäße im menschlichen Körper eine Länge von bis zu 90.000 Kilometer – das entspricht mehr als dem Doppelten des Erdumfangs. Das Herz ist die zentrale Pumpstation – sie schlägt im Leben durchschnittlich drei Milliarden Mal und befördert über 18 Millionen Liter Blut durch den Körper.

 

 

>> Zahlen <<

 

90.000 km: Länge der Blutgefäße im menschlichen Körper.

 

3 Milliarden Schläge umfasst die durchschnittliche Lebensleistung des menschlichen Herzens. Das werden 18 Millionen Liter Blut durch das Adersystem gepumpt.

 

 

Selbstheilung
Diese Elastomere reparieren sich nach Zerschneiden und kurzem Zusammendrücken selbst.
Bild: Fraunhofer UMSICHT

Best Practices // 21. Januar 2014

Wenn sich Werkstoffe selbst heilen

 

Bionik-Innovation

Autos oder Flugzeuge, die sich quasi selbst reparieren, ein angeknackstes Handy-Display, das sich selbst heilen kann – diese Träume der Verbraucher könnten sich in absehbarer Zeit schon erfüllen. Ein gemeinsames Bionik-Forschungsvorhaben der Plant Biomechanics Group Freiburg mit dem Fraunhofer-Institut UMSICHT und dem Freiburger Materialforschungszentrum ebnete den Weg für die ersten Schritt dorthin. Darin wurden nach dem Vorbild von Selbstheilungsprozessen bei Pflanzen selbstreparierende Elastomere entwickelt, aus denen die Firma Gummi- und Kunststofftechnik Fürstenwalde GmbH langlebige Auspuffaufhängungen als Prototypen herstellt. Dies können Mikrorisse „ausheilen“, die sonst zum Materialbruch führen würden.

 

Technische Anwendung

Neben den Auspuffaufhängungen sind zahlreiche andere technische Anwendungen in der Entwicklungsphase – im ersten Schritt vor allem bei Komponenten, die aus Elastomeren bestehen und dauernden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Beispiele dafür sind Faltenbälger und Schwingungsdämpfer. Besonders interessant sind auch selbstheilende Dichtungsringe – so könnten nicht nur Instandhaltungskosten verringert sondern auch schädliche Emissionen oder Leckageverluste verhindert werden. Das würde die Sicherheit von Anlagen und Rohrsystemen entscheidend erhöhen. Ein mindestens genauso großes Potenzial haben selbstheilende Lacke bei Autos oder Flugzeugen oder sich „selbst reparierende“ Handy-Displays.

 

Bionisches Funktionsprinzip

Vorbild für diese selbstreparierenden Gummiwerkstoffe sind Selbstheilungsprozesse bei milchsaftführenden Pflanzen wie zum Beispiel der Birkenfeige. Die Plant Biomechanics Group Freiburg analysierte die Prozesse der biologischen Selbstheilung eingehend, anschließend werden sie bei den materialwissenschaftlichen Partnern wie beim Materialforschungszentrum von Fraunhofer in technische Lösungen überführt. „Die innovativen Materialien sind in der Lage, Mikrorisse auszuheilen und erreichen nach einem makroskopischen Schnitt und anschließender Reparatur nahezu ihre ursprünglichen mechanischen Kennwerte“, fasst Max von Tapavicza vom Fraunhofer-Institut Erkenntnisse der Forschungen zusammen. Bislang konnten die technischen Elastomere EPDM (Ethylene-Propylene-Dien-Kautschuk Typ M) und NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) sowie ein thermoplastisches Elastomer (TPE) mit einer Selbstheilungsfunktion ausgestattet werden. Darin spielen nach dem Vorbild der Natur auch Ionen eine Rolle.

 

Vorbild aus der Natur

Die Birkenfeige ist auch als „Ficus Benjamini“ bekannt und gehört zu den Maulbeergewächsen. Sie ist in Asien und Australien und beheimatet und hat von dort aus ihren Siegeszug als Zimmerpflanze angetreten. Sie verfügen über eine erstaunliche Eigenschaft: Wird die Pflanze verletzt, sorgen ein Protein und ebenfalls im Milchsaft enthaltene Latexpartikel für einen perfekten Wundverschluss.

 

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Der weltweit erste Hightech-Kompaktlüfter mit bionischem Schlaufenrotor BionicLoopFan® ist der leiseste Lüfter der Welt.
Bild: Blacknoise Deutschland GmbH

Best Practices // 06. Januar 2014

Bionik-Propeller: ein leiser Lüfter nach Adler-Art

Bionik-Innovation

Das Brummen von Lüftern kann ganz schön nerven – ob nun am Computer oder am Zimmerventilator. Der leiseste Lüfter der Welt kann da Abhilfe schaffen. Entwickelt wurde der bionische Schlaufenpropeller nach dem Vorbild der Schwingen des Adlers, der majestätisch scheinbar ohne Flügelschlag durch die Luft gleitet. Das Geheimnis dahinter ist der geringe Luftwiderstand. Der nach diesem Vorbild durch die Verbindung der Flügelenden entwickelte Bionik-Propeller vermindert nicht nur die Lärmemissionen, er könnte in Zukunft auch Windparks revolutionieren. Darüber hinaus haben Multiwinglets nach dem Adler-Vorbild für die Tragflächengestaltung das Zeug, Millionen Tonnen Treibstoff zu sparen.

 

Technische Anwendung

Ein Forscherteam um den Bioniker Dr. Rudolf Bannasch entwickelte das Prinzip des Schlaufenrotos. Im Rahmen eines Forschungsprojekts entstand eine Lüfterserie, die in fast allen Bereichen die Spitze der aktuellen IT-Axial-Lüfter-Technik erreicht. Bionik-Propeller sind 30 Prozent leiser als herkömmliche Modelle – speziell in Rechenzentren bringt das eine signifikante Verminderung des Lärms. Es bieten sich auch Chancen in ganz anderen Einsatzgebieten: Bei einem Test des Schlaufenpropellers an einem Schubschiff, das Hunderte Tonnen Kies bewegt, konnte eine Erhöhung der Schubleistung um fast 20 Prozent erreicht werden. Auch in großen Windparks könnte der Schlaufenpropeller eine wesentliche Erhöhung der Effizienz und mehr Energieproduktion bewirken.

 

Bionisches Funktionsprinzip

Adler erreichen im Flug durch das Aufspreizen ihrer Handschwingen weniger Luftverwirbelungen. Dadurch reduziert sich der induzierte Strömungswiderstand, da dieser vom Quadrat des Wirbeldurchmessers abhängt. So nimmt der Luftwiderstand ab, der Vogel spart Energie. Die Bioniker entwickelten dieses Prinzip konsequent weiter und konnten durch die Schlaufenform erreichen, dass normalerweise am Ende des Propellerarms auftretende Turbulenzen verschwinden. Es bildet sich praktisch eine unendliche Tragfläche ohne Abrisskanten, die deutlich leiser und energiesparender funktioniert.

 

Vorbild aus der Natur

Seevögel wie der Albatros können auch deshalb Tausende Kilometer fliegen, weil sie durch langgestreckte Flügel und schmale Flügelenden einen niedrigen induzierten Strömungswiderstand haben und damit Energie sparen. Der Steinadler reduziert seinen Randwiderstand durch die aufgestellten Handschwingen. So kann er auf der Suche nach Beute lange in der Luft kreisen, ohne häufig mit den Flügeln schlagen und Energie verbrauchen zu müssen. Steinadler haben bei einer Flügelspannweite von etwa zwei Metern elf Handschwingen.

 

>> Zahlen <<

 

Leise Kraftprotze

Im Vergleich zu konventionellen Propellern können bionische Schlaufenrotoren von Windraftanlagen im Durschnitt 30 Prozent mehr Energie erzeugen – und das bei nur halb so viel Geräuschemissionen (Quelle: EvoLogics GmbH).    

Salvinia
Der Schwimmfarn Salvinia ist mit seinen an Schneebesen erinnernden Härchen auf den Schwimmblättern in der Lage, über lange Zeit eine Luftschicht unter Wasser an seiner Oberfläche zu halten.
Bild: Wilhelm Barthlott, Uni Bonn

Best Practices // 04. Januar 2014

Millionen Tonnen Treibstoff sparen mit dem Salvinia-Effekt®

 

Bionik-Innovation

Die schneebesenartigen Haare einer Pflanze schaffen es, dauerhaft eine Luftschicht unter Wasser zu halten. Bionik-Forscher wollen diesen sogenannten Salvinia-Effekt® nutzen und Schiffe künftig mittels eines speziellen Schiffsanstrichs quasi in einer Luftblase schwimmen lassen. So könnte der durch Reibung des Schiffsrumpfs im Wasser entstehende Energieverlust um bis zu zehn Prozent gesenkt werden. Ein Prozent des in diesem Bereich anfallenden globalen Rohölverbrauchs – das sind Millionen Tonnen Treibstoff – könnten so jährlich gespart werden. Das dient der Ressourcenschonung wie dem Umweltschutz gleichermaßen. „Gelingt der Transport dieses Natur-Phänomens in die Technik, könnten Reedereien wegen der Treibstoffersparnis signifikant Kosten reduzieren. Zugleich profitiert wegen des sinkenden Treibstoffausstoßes die Umwelt“, sagt Professor Wilhelm Barthlott dazu.

 

Technische Anwendung

Das von Bionikpionier Wilhelm Barthlott an der Universität Bonn geleitete Forschungsrojekt wurde in Zusammenarbeit mit weiteren Universitäten und hochkarätigen Partnern aus der Wirtschaft durchgeführt. Neben der morphologischen und biomechanischen Charakterisierung spielt die strömungsmechanische Untersuchung mittels hochauflösender „Mikro Particle Image Velocimetry“ eine zentrale Rolle. Die Übertragung wasserabweisender Oberflächen aus der Natur – wie sie neben Schwimmfarnen auch Insekten sowie einige Spinnen, Vögel und Säugetiere nutzen – ist bereits geglückt. Die entwickelten Oberflächenstrukturen wurden patentiert. Künftig sollen Schiffe mit einem bionischen Bootslack durch die Meere gleiten, der den Kontakt von Wasser mit dem Schiffsrumpf verhindert.

 

Bionisches Funktionsprinzip

Salvinia-Schwimmfarne nutzen unter Wasser auf ihrer Oberfläche einen dünnen Luftfilm, der die Pflanze wochenlang trocken hält. Verantwortlich für diesen Salvinia-Effekt® sind feine Härchen auf der Blattoberfläche. Die deutschen Forscher haben deren Wirkungsweise entschlüsselt. Große Bereiche sind mit feinen Wachskristallen besetzt und dadurch wasserabweisend. Die äußersten Spitzen der Härchen sind dagegen wasseranziehend. Das führt dazu, dass ein Film von Luftbläschen zwischen der Pflanzenoberfläche und der von den Haarspitzen angezogenen Wasserschicht entsteht. So baut sich eine schützende Hülle auf, die künftig auch Schiffe umgeben soll.

 

Vorbild aus der Natur

Schwimmfarne kommen vor allem in stehenden oder langsam fließenden Gewässern in den tropischen Gebieten Mittel- und Südamerikas vor. Sie sind bis zu 20 Zentimeter große Pflanzen, die wegen ihrer perfekten Anpassung ganze Wasseroberflächen überwuchern können. Ihre Wachstumsgeschwindigkeit ist die höchste aller Gefäßpflanzen weltweit. Sie kann ihre Biomasse innerhalb von vier Tagen verdoppeln. Für ihren ökologischen Erfolg spielt der Salvinia-Effekt® eine entscheidende Rolle.

 

 

>> Zahlen <<

 

4 Millionen Tonnen beträgt die mögliche jährliche Treibstoffersparnis durch Schiffsanstrich mit Salvinia-Effekt®.

 

12 Millionen Tonnen Kohlendioxid-Emissionen lassen sich pro Jahr durch Schiffsanstrich mit Salvinia-Effekt® vermeiden.

 

 

>> BIOKON-PROFILE <<

 

Professor Dr. Wilhelm Barthlott, Botaniker, Biologe und BIOKON-Ehrenmitglied, ist ein Pionier der Verbindung von Biologie und Technik. Aus seinen systematischen elektronenmikroskopischen Forschungen pflanzlicher Oberflächen entwickelte er selbstreinigende (Lotus-Effekt) und permanent unter Wasser lufthaltende Oberflächen (Salvinia-Effekt). Wilhelm Barthlott erhielt für seine Arbeit zahlreiche Auszeichnungen wie den Deutschen Umweltpreis.