Der Großteil der heute produzierten Güter wird mit Hilfe von Schiffen rund um den Globus transportiert. In der Schifffahrt geht ein erheblicher Teil der Antriebsenergie durch die Reibung des Wassers am Schiffsrumpf verloren. Dieser Energieverlust lässt sich deutlich reduzieren, indem Rumpf und Wasser durch eine Luftschicht voneinander getrennt werden. In der Natur existieren diverse Tier- und Pflanzenarten, die Luftschichten unter Wasser über Wochen und Monate zu halten vermögen. Ziel dieses Projekts war die Entschlüsselung der für die Lufthaltung verantwortlichen Funktionsprinzipien und ihre Übertragung in die Technik. Im Rahmen des Projekts konnten die Strukturparameter der in der Natur für die langfristige Lufthaltung verantwortlichen Haarstrukturen identifiziert werden, die die Stabilität der Luftschicht unter verschiedenen Umgebungsbedingungen verbessern. Hydrophile Flächen an den Spitzen der ansonsten superhydrophoben Haare des Schwimmfarns Salvinia molesta fixieren die Luft-Wasser-Grenzfläche an diesen. Dieses von den Projektpartnern neu entdeckte und "Salvinia-Effekt" genannte Prinzip stabilisiert die Grenzfläche bei Unterdruck und verhindert ein Ablösen von Luftblasen aus der Luftschicht. In Strömungsversuchen konnte gezeigt werden, dass sowohl die pflanzlichen Oberflächen als auch die Oberflächen des Rückenschwimmers Notonecta glauca in der Lage sind, bei den am Schiffsrumpf auftretenden Geschwindigkeiten eine Luftschicht stabil zu halten. Notonecta mit seinen Haaren auf zwei Strukturebenen hält diese sogar bis zu eine Strömungsgeschwindigkeit von 4,5 m/s. Es wurden erste prototypische, technische Oberflächen hergestellt, die bereits seit 2,5 Jahren eine Luftschicht unter Wasser halten. Diese Erkenntnisse können in einer weiteren Entwicklungsphase zu einer dauerhaft Luft haltenden Schiffsbeschichtung führen. Bei einer konservativ geschätzten Reibungsreduktion von 10 % (neuere Messungen am KIT legen deutlich höhere Werte nah) könnte eine solche biomimetische Schiffsbeschichtung den Rohölverbrauch in der globalen Schifffahrt um über 18 Mrd. Liter pro Jahr senken, was ca. 1 % des gesamten weltweiten Verbrauchs entspricht.
The majority of goods is transported by means of ships around the world. They use a considerable part of their fuel consumption to overcome drag between the ship hull and the surrounding water. This drag could be reduced drastically by a layer of air between the ship and the water. Several plants and animals are able to retain an air layer on their surfaces when submerged under water. The aim of the project was to understand the underlying principles and transfer these into technical applications. In this project the structural parameters of the superhydrophobic hairs which are responsible for the long term air retention of the biological surfaces and the mechanisms which stabilize the air layer in different environmental conditions have been analyzed. Hydrophilic patches on the tips of the entirely hydrophobic hairs of the floating fern Salvinia molesta adhere the air-water-interface. This new principle, which was found by the project partners and named "Salvinia-Effect", helps to stabilize the air layer. It prevents air bubbles from being extracted from the air layer. In flow experiments it was shown that the plant surfaces as well as the surface of the back swimmer Notonecta glauca are capable of maintaining a stable air layer at the velocities experienced on a real ship hull. Notonecta with its double structured surface retains air at a velocity of up to 4,5 m/s. First prototypes of technical surfaces have been developed, which still display an air layer after being submerged for more than 2,5 years. The results of the project can now be further used to develop permanent air retaining ship coatings. First careful calculations with a friction reduction of 10% (new measurement at the KIT suggest much higher values) showed, that such a biomimetic ship coating would reduce the oil consumption by more than 18 billion liters per year, which equals about 1 % of the world wide fuel consumption.
Luft haltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion. BIONA - Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien 2008. Abschlussbericht. Berichtszeitraum: 01.11.2008 bis 30.06.2012
2012
70 Seiten, Bilder, Tabellen, 47 Quellen
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