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Oberflächentechnik Drucksensitive Farbe für den Tieftemperaturbereich

| Redakteur: Linda Kuhn

Forscher der Universität Hohenheim haben eine neue Farbbeschichtung entwickelt. Die fluoreszierenden Farbe soll Flugzeugkonstrukteuren während Tests exaktere Druckmessungen bei Temperaturen von -160 °C ermöglichen.

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Flugzeugmodell im European Transonic Windtunnel (ETW) in Köln.
Flugzeugmodell im European Transonic Windtunnel (ETW) in Köln.
(Bild: ETW)

Millionen von Flugzeugen starten und landen jährlich weltweit. Ein Flugzeug vom Typ Airbus A380 verbraucht für eine Strecke von Frankfurt nach New York etwa 50 t Kerosin. Dieser Verbrauch könnte sich künftig verringern, denn daran arbeiten Wissenschaftler der Universität Hohenheim: Sie entwickeln eine spezielle fluoreszierende Farbbeschichtung, die den Flugzeugkonstrukteuren während ihrer Tests exaktere Druckmessungen bei extremen Tieftemperaturen bis zu -160 °C ermöglichen soll. Die Versuche dienen laut Uwe Beifuß, Leiter des Fachgebiets Bioorganische Chemie an der Universität Hohenheim, der Entwicklung von effizienteren und umweltverträglicheren Flugzeugen, die weniger Energie benötigen.

In einem dunklen, 2 m hohen und 2,4 m breiten Windkanal leuchten Teile der Testflugzeuge in fluoreszierender Farbe. An diesem Leuchten arbeiten die Wissenschaftler im Projekt „Entwicklung drucksensitiver Farbe für den Tieftemperaturbereich“ um Beifuß. Diese Experimente in Windkanälen sind ein wesentlicher Teil der Flugzeugforschung. „Damit die Versuche möglichst nah an der Realität und den komplexen Flugbedingungen von Flugzeugen sind, ist die Einhaltung der sogenannten aerodynamischen Ähnlichkeitsgesetze von entscheidender Bedeutung“, erläutert Beifuß. Die Windkanalmodelle müssen um einen Faktor von bis zu 40 gegenüber dem realen Flugzeug verkleinert werden. Um Reibungseffekte an einem solchen Modell realitätsnah simulieren zu können, wird als Strömungsmedium reiner Stickstoff bei Temperaturen bis zu -160 °C und einem Druck von bis zu 4,5 bar verwendet. Diese Forschungsbedingungen existieren außerhalb der USA lediglich im ETW (European Transonic Windtunnel) in Köln. Dort werden auch die Versuche mit der Farbbeschichtung aus Hohenheim gemacht.

Farbe macht Druckunterschiede im Tieftemperaturbereich sichtbar

Die drucksensitive Farbe, welche die Wissenschaftler gerade entwickeln, ist ein Gemisch aus Polymeren, Farbstoffen und anderen Zusatzstoffen. Sie soll so beschaffen sein, dass sie einerseits bei sehr tiefen Temperaturen problemlos eingesetzt werden und andererseits die Druckunterschiede sichtbar und messbar machen kann. Die Farbe wird auf die Oberfläche des Testobjekts aufgesprüht und anschließend mit UV-Licht bestrahlt. Dies regt zur Fluoreszenz an. „Entsprechend dem lokalen Druck des Sauerstoffs an der jeweils besprühten Stelle wird die Fluoreszenz gesenkt oder gesteigert – und die Farbe ändert ihre Leuchtkraft“, sagt Beifuß. So könne die Druckverteilung in der Fläche sichtbar gemacht werden.

Diese Art der Druckbestimmung ist neu, denn bisher mussten Sensoren an den Flügeln angebracht werden. Damit ist laut Beifuß bisher allerdings nur eine punktuelle Messung möglich gewesen, die sehr aufwendig und teuer ist. Mit der neuen Methode könne der Oberflächendruck flächig und in bisher für Drucksensoren unzugänglichen Flügelbereichen bestimmt werden. Diese Daten wiederum nutzen die Flugzeugbauer: Sie ermöglichen es ihnen, die Effizienz von Flugzeugen zu erhöhen und damit letztlich den Kerosinverbrauch zu reduzieren. Eine wichtige Herausforderung für die Wissenschaftler der Universität Hohenheim ist die Haftung der drucksensitiven Farbe an der metallischen Oberfläche der Flugzeugmodelle im Windkanal. Die Farbe muss auch bei sehr tiefen Temperaturen noch haften, damit die Ergebnisse eine Relevanz für den Flugzeugbau besitzen.

Das Projekt „Entwicklung drucksensitiver Farbe für den Tieftemperaturbereich“ läuft seit 2014 und ist auf zwei Jahre bis Herbst 2016 angelegt. Weitere Projektpartner sind das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der ETW (European Transonic Windtunnel). Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Projekt mit insgesamt 1,2 Mio. Euro. Rund 250.000 Euro davon entfallen auf die Universität Hohenheim. Damit zählt das Projekt zu einem der Schwergewichte der Forschung an der Universität.

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