B-I-C ForschungsProjekt
AIRTUBE
Luftanhaltende Oberflächen als Innenoberfläche von Rohren und Schläuchen zur Reibungsreduktion
Das Projekt AIRTUBE erforscht die Übertragung biologischer Prinzipien auf die Technik: Lufthaltende Oberflächen inspiriert vom Schwimmfarn Salvinia molesta sollen den Energiebedarf beim Transport von Flüssigkeiten in Rohren deutlich reduzieren.
Die Salvinia-Oberfläche
Die Natur liefert oft faszinierende Lösungen für technische Herausforderungen. Ein Beispiel ist der Schwimmfarn Salvinia molesta, der auf seiner Blattoberfläche nach dem Eintauchen in Wasser eine beständige Luftschicht hält. Verantwortlich dafür sind fein strukturierte Mikrostrukturen, die eine superhydrophobe Oberfläche erzeugen und kleine Lufttaschen im Wasser stabilisieren. Dieser Mechanismus bietet eine Vielzahl technischer Anwendungsmöglichkeiten: von Reibungsreduktion bis zu Schutz gegen Schmutzablagerung und Biofouling.
Das Projekt AIRTUBE nutzt genau diesen Effekt, um den Flüssigkeitstransport in Rohren und Schläuchen effizienter zu gestalten. Durch die Einführung lufthaltender Innenoberflächen wird die Reibung zwischen Rohrwand und Flüssigkeit signifikant verringert, was direkt zu einer Reduktion des Energieverbrauchs bei der Förderung von Flüssigkeiten führt.
Digitalmikroskop-Aufnahme eines Wassertropfens auf einem Salvinia-Blatt. Auf dem Blatt sind Schneebesen-artige Ausstülpungen, durch die eine Luftschicht an der Oberfläche festgehalten wird (Foto: B-I-C).
Energieeffizienter Transport von Flüssigkeiten in Rohren
Die Wirkung lufthaltender Oberflächen beruht auf einem Teilgleiten der Flüssigkeit an der Luftschicht. Da Luft eine deutlich geringere Viskosität als Wasser besitzt – etwa ein Fünfzigstel unter Umgebungsbedingungen – sinkt die Reibung an der Rohrwand erheblich.
Die erzielbare Reibungsreduktion hängt dabei stark von der Geometrie und Größe der Mikrostrukturen ab: Größere Strukturen erhöhen die Reibungsreduktion, können aber gleichzeitig weniger Luft halten, was die Effektivität begrenzt. Das Projekt untersucht daher den optimalen Kompromiss zwischen Strukturgröße und Stabilität der Luftschicht, um maximale Effizienz zu erzielen.
Simulation und Experiment
An der Hochschule Bremen werden sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die direkte numerische Simulation ermöglicht es, den Zusammenhang zwischen Strukturgeometrie, Reibungsreduktion und Luftstabilität präzise zu analysieren. Die gewonnenen Daten fließen in ein Softwaretool ein, das Vorhersagen über die Effizienz verschiedener Konfigurationen erlaubt.
Ergänzend werden Experimente in einem offenen Gerinnekanal durchgeführt, der einen einfachen Zugang zur strukturierten Oberfläche bietet und Strömungsvorgänge direkt beobachtbar macht. Auf Basis dieser Forschung können lufthaltende Innenoberflächen für Rohre und Schläuche entwickelt werden, die den Energiebedarf bei der Flüssigkeitsförderung nachhaltig senken – ein Innovationspotenzial, das insbesondere für industrielle Anwendungen von hoher Bedeutung ist.
Instantanes Geschwindigkeitsfeld eines Rohrabschnittes (Reτ = 180) mit lufthaltenden Strukturen (a) und komplett reibungsbehafteter Wand (b).
Deutlich zu erkennen ist bei (a) das Gleiten des Fluids auf den reibungsfreien Wandabschnitten, welche die Luftschicht repräsentieren.
(Quelle: B-I-C)
Das Forschungsprojekt AIRTUBE wurde wurde im Rahmen des „Ideenwettbewerbs Biologisierung der Technik“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Neben der Hochschule Bremen war das Karlsruhe Institute for Technology (KIT) und das Fraunhofer Center für Maritime Logistik (CML) an diesem Projekt beteiligt. Das KIT befasste sich mit der Herstellung von superhydrophoben strukturierten Folien und am CML waren Experimente zur Messung der Reibungsreduktion vorgesehen.
Staff
Prof. Dr. Antonia Kesel
Prof. Dr. Albert Baars
Niklas Kampf (M. Sc.)
Alexander Köhnsen (M. Sc.)