Biomimetics-Innovation-Centre

BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM
(B-I-C)

AIRTUbe

Luftanhaltende Oberflächen als Innenoberfläche von Rohren und Schläuchen zur Reibungsreduktion

Energieeffizienter Transport von Flüssigkeiten in Rohren

Der Schwimmfarn Salvinia molesta hält auf der Blattoberseite nach dem Eintauchen in Wasser eine Luftschicht. Dieser Effekt wird durch spezielle Mikrostrukturen erreicht, die eine superhydrophobe Oberfläche erzeugen, in deren Vertiefungen sich unter Wasser Lufttaschen halten. Eine solche Oberfläche hat eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten in der Technik wie Reibungsreduktion oder ein Schutz vor Schmutzablagerung und Biofouling. Das Projekt Airtube befasst sich mit ersterem, genauer der Anwendung von lufthaltenden Schichten in Rohren zur Reduktion der Flüssigkeitsreibung an der Rohrinnenwand. Damit ist eine Verminderung des Energiebedarfs bei der Förderung von Flüssigkeiten in Rohren verbunden.

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).

Die Luftschicht zwischen Wand und Flüssigkeit führt zu einem teilweise Gleiten der Flüssigkeit an der Wand. Die deutlich geringere Viskosität der Luft im Vergleich zum Wasser (ca. Faktor 50 bei Umgebungsbedingungen) führt zu einer geringeren Reibung an der Wand. Die mit diesem System erreichbare Reibungsreduktion ist abhängig von der Geometrie und der Größe der Struktur. Einerseits nimmt die Reibungsreduktion mit wachsender Strukturgröße zu, andererseits sinkt damit die Fähigkeit der Struktur, Luft zu halten. Hier ist ein Kompromiss erforderlich.

Der Fokus an der Hochschule Bremen liegt unter anderem auf der Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Reibungsreduktion, Größe und Geometrie der Struktur. Dazu findet die direkte numerische Simulation Anwendung. Die Ergebnisse gehen in ein Softwaretool ein, um die erwartete Reibungsreduktionen für bestimmte Konfigurationen vorherzusagen. Weiterhin werden Experimente an einem offenen Gerinnekanal durchgeführt, der einen vereinfachten Zugang zu der strukturierten Folie und der Strömung ermöglicht.

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)

Aufbau des entwickelten offenen Gerinnekanals, in dem die Testoberflächen angebracht und getestet werden. (Fotos: B-I-C)

Das Forschungsprojekt AM_Reinforce 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.

Leitung und Mitarbeitende am B-I-C

Prof. Dr. ANTONIA B. KESEL

Prof. Dr. albert Baars

niklas Kampf (M. Sc.)