Löchriger Luftikus Die Luftfahrt der Zukunft funktioniert (fast) ohne Luftreibungsverluste

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Im Exzellenzcluster SE²A der Technischen Universität Braunschweig (Deutschland) ist es gelungen, Tragflächen per 3D-Druck aerodynamischer und damit effizienter zu gestalten. Das hat ganz praktische Vorteile.

Bereits 2024 konnten die Forscher des Exzellenzclusters SE2A in Kooperation mit dem Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Möglichkeiten von 3D-gedruckten Paneelen zur Grenzschichtabsaugung im Windkanal demonstrieren. Man konnte dabei nachweisen, dass es möglich ist, mit mikroperforierten – also mit winzigen Löchern versehenen – Absaugpaneelen aus dem 3D-Drucker eine sogenannte Laminarisierung der Grenzschicht zu erreichen. Dabei wird ein kleiner Teil der Grenzschicht durch die mikroperforierte Oberfläche abgesaugt und diese so stabilisiert, erklären die Experten.

Jetzt gelang es den beiden Forschern Lajos Fohlmeister und Jan Kube zum ersten Mal, eine laminare Grenzschicht auf einem 3D-Flügel durch integrierte 3D-gedruckte Absaugpaneele zu erzeugen.

Um 90 Prozent geringere Luftreibung beim Fliegen

Mit den neuen Absaugpaneelen ließe sich die Grenzschicht an aerodynamischen Körpern so verändern, dass der laminar-turbulente Umschlag weiter stromabwärts verschoben werde. Der Anteil der laminaren Grenzschicht werde so signifikant erhöht. Der Vorteil dabei ist, dass die laminare Grenzschicht bis zu 90 Prozent weniger Luftreibung verursacht als die turbulente Grenzschicht, so die Forscher. Das ist gut, denn die Luftreibung macht bei modernen Verkehrsflugzeugen etwa die Hälfte des Gesamtwiderstandes aus, gegen den das Flugzeug ständig ankämpfen muss. Die laminare Strömungskontrolle ist also eine vielversprechende Möglichkeit, den Treibstoffverbrauch – und damit auch die Emissionen – von Verkehrsflugzeugen signifikant zu reduzieren. Für die Drucker war die Herstellung der besonders feinen Mikroperforation mit einem Durchmesser von unter 250 Mikrometern übrigens eine echte Herausforderung.

Besondere Tragflächengeometrie hilft forschen

Ein besonderes Highlight der neuen Untersuchung sei auch der 3D-Sichelflügel, entwickelt am Institut für Strömungsmechanik im Exzellenzcluster. Denn die spezielle Geometrie, eben in Form einer Sichel, erlaube die Untersuchung verschiedener aerodynamischer Zustände und insbesondere der Übergänge zwischen diesen Zuständen. Der Sichelflügel wurde so entworfen, dass er ein neu entworfenes Tragflügelprofil unter realitätsnahen Bedingungen simulieren kann. Die so gewonnenen Erkenntnisse tragen laut Aussage der Beteiligten auch dazu bei, numerische Verfahren zur Vorhersage verschiedener Transitionsszenarien – also den laminar turbulenten Umschlag der Grenzschicht – zu verbessern. Die Arbeiten seien aber nicht nur für Verkehrsflugzeuge attraktiv, sondern auch für Konstrukteure von Segel- und Leichtflugzeugen.

Mehr Informationen zum Exzellenzcluster SE²A

Der Exzellenzcluster „Sustainable and Energy Efficient Aviation“ (SE²A) beschäftigt sich mit der Herausforderung, den zukünftigen Luftverkehr effizient zu gestalten und gleichzeitig den konkurrierenden Anforderungen an kontinuierliches Wachstum und ökologische Nachhaltigkeit gerecht zu werden. An ihm sind außer der TU Braunschweig, das DLR, die Leibniz-Universität Hannover, die Hochschule für Bildende Künste Braunschweig und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt beteiligt. Der Exzellenzcluster ist ein Teil des gemeinsamen Forschungsschwerpunktes „Mobilität“ der TU Braunschweig.

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