Eisfreie Tragflächen durch Nanostrukturierung

Die Auswirkungen tiefer Temperaturen im letzten Winter hat fast jeder Flugreisende zu spüren bekommen. Fällt das Thermometer unter 0 °C, müssen zugefrorene Tragflächen von Flugzeugen mit Enteisungsmittel enteist werden. Eis auf den Flügeln stört die Aerodynamik – die für den Auftrieb notwendige Strömung könnte abreissen. Auch während des Flugs wird Vorsorge getroffen. Ein Teil der heissen Triebwerksabluft wird umgelenkt und in die Tragflächen geleitet. Diese werden damit quasi beheizt, um ein erneutes Zufrieren zu verhindern. Kostspieliger und klimaschädlicher Effekt: Der Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs kann um bis zu 30% steigen.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickeln daher zusammen mit Partnern in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreuten Verbundprojekt «Nanodyn» eine Anti-Eis-Ausrüstung für Kunststoffoberflächen. Dafür erzeugen sie wasserabweisende mikro- und nanostrukturierte Schichten, auf denen Wasser auch bei Temperaturen unter 0 °C flüssig bleibt und sich somit erst gar kein Eis bildet. Der Grund: Die Schichten bieten dem Wasser, das gefrieren will, keine Kristallisationskeime auf der Oberfläche und es verbleibt in einem «stark unterkühlten» Zustand. «Und selbst wenn das Wasser gefriert, vermindert unsere Anti-Eis-Ausrüstung die Haftung von Eis um mehr als 90%», bestätigt Dr. Michael Haupt, Projektleiter am Fraunhofer IGB, die Versuchsergebnisse in der Eiskammer bei -30 °C.

 

Thermographisches Bild eines stark unterkühlten, immer noch flüssigen Wassertropfens auf einer plasmafunktionalisierten nanostrukturierten Folie.

 

Die strukturierten Schichten scheiden die Forscher mittels Plasmatechnologien auf Kunststofffolien aus schlag- und stossfestem Polyurethan (PU) ab. Die Folie wird dazu in eine Vakuumkammer geführt, in der ein so genanntes Plasma die Oberfläche modifiziert. In einem Plasma werden Gasmoleküle durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung angeregt und fragmentiert. «Die hochreaktiven Gasmolekülbruchstücke können nun auf der Oberfläche der Folien angekoppelt werden: es bildet sich eine Schicht», erläutert Michael Haupt. «Durch Optimierung verschiedener Prozessparameter wie der Art und Menge des eingesetzten Plasmagases, der Temperatur, dem Druck und der Behandlungszeit können wir sehr dünne nanostrukturierte Schichten erzeugen.» Diese geordneten Strukturen sind nur wenige Nanometer gross. Sie haben aber einen grossen Einfluss auf die Benetzungseigenschaften: Wird Wasser auf die Folienoberfläche gebracht, zieht es sich zu einem kugelförmigen Tropfen zusammen, der dann aufgrund der nur minimalen Wechselwirkung mit der Oberfläche von ihr abgestossen wird.

Und wie kommt die Folie auf die Flugzeugtragflächen? «Wir können das entwickelte Verfahren in den industriellen Massstab übertragen. Einer unserer Projektpartner kann ganze Folienbahnen in grossen Plasmakammern Rolle-zu-Rolle beschichten», sagt Michael Haupt. Und die nanostrukturierte Folie könnte dann einfach auf die Tragflächen geklebt werden. Die teure Enteisung von Flugzeugen, grosse Mengen an Enteisungsmitteln, vor allem aber Flugbenzin liessen sich einsparen und damit erhebliche Mengen an CO₂-Emissionen vermeiden. Auch auf Windrädern, die aufgrund von Vereisung im Winter stehen bleiben oder unwuchtig laufen, auf Solarpaneelen, Freileitungen und Gebäudeteilen könnten nanostrukturierte Oberflächen gute Dienste leisten.