Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen

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1 126 Bionik: Patente aus der Natur Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen Matthias Mail 1 ; Birte Böhnlein 1 ; Matthias Mayser 1,2 ; Wilhelm Barthlott 1 1 Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen, Universität Bonn 2 Department of Civil and Environmental Engineering, MIT, Cambridge, USA Einführung Wird eine superhydrophobe Oberfläche unter Wasser getaucht, so fällt sofort der auftretende silbrige Glanz auf. Er ist auf eine von der Oberfläche gehaltene Luftschicht zurückzuführen und entsteht durch die Totalreflexion an der Luft-Wasser-Grenzfläche. In vielen Fällen ist diese Luftschicht nicht besonders stabil, doch es gibt, wie wir in unseren Arbeiten zeigen konnten, einige biologische, kompliziert hierarchisch strukturierte Oberflächen, die in der Lage sind, eine solche Luftschicht über sehr lange Zeiträume zu halten [1,2,3,4]. Dieser Effekt der langzeitstabilen Lufthaltung an Oberflächen unter Wasser wurde von uns als Salvinia-Effekt [5,6] bezeichnet und eröffnet ein weites Feld an technischen Möglichkeiten. So kann beispielsweise die Reibung von fluidüberströmten Festkörperoberflächen durch das Einbringen einer Luftschicht zwischen Fluid und Festkörper deutlich reduziert werden [7]. Ein potentielles Anwendungsgebiet wäre hier u.a. die Schifffahrt. Derzeit werden mehr als 80 % aller Güter weltweit von Schiffen transportiert. Gelänge es deren Reibungswiderstand um 10 % zu senken, so könnte rund 1 % des weltweiten Ölverbrauchs eingespart werden [6]. Ziel unserer Arbeiten ist daher die Entwicklung einer biomimetischen, permanent lufthaltenden Beschichtung zur Reibungsreduktion. Biologische Vorbilder Viele Tiere und Pflanzen weisen aus unterschiedlichsten Gründen superhydrophobe Oberflächen auf. Paradebeispiele sind die Lotus-Blume (Nelumbo nucifera), deren Blätter selbstreinigend sind (Lotus-Effekt ) [8] oder der Springschwanz (Collembola), der über seine Körperoberfläche atmet und daher ein Nasswerden vermeiden möchte [9].

2 Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen 127 Die Luftschichten superhydrophober Oberflächen sind jedoch nicht notwendigerweise über längere Zeiträume stabil. Für die Entwicklung von biomimetischen, permanent lufthaltenden Oberflächen mussten daher zunächst geeignete biologische Vorbilder gefunden werden, um deren Oberflächenmorphologie zu untersuchen und die für die dauerhafte Lufthaltung verantwortlichen Parameter zu identifizieren. Als geeignete Vorbilder erwiesen sich die Schwimmfarne der Gattung Salvinia [2,10]. Die Untersuchungen zeigten, dass fünf Kriterien für eine permanente Lufthaltung erfüllt werden müssen: 3. eine hydrophobe Chemie der Oberfläche, die in Kombination mit 4. einer Nanostrukturierung, eine Superhydrophobie generiert, 5. haarartige Strukturen im Mikro- bis Millimeter-Bereich, 6. die Strukturen weisen Hinterschneidungen auf und 7. sind elastisch. Die Kombination dieser fünf Kriterien wurden verkürzt als Salvinia-Effekt bezeichnet [5]. Ein weiteres Merkmal, das erheblich zur Stabilisierung der Luftschichten beiträgt, konnten wir bei Salvinia molesta entschlüsseln: An der Spitze jedes hydrophoben, schneebesenförmigen Trichoms befinden sich vier abgestorbene Zellen. Diese sind wachsfrei und somit hydrophil (Abb. 1). Abb. 1: a) Der Schwimmfarn Salvinia molesta. b) Die Blattoberfläche ist mit schneebesenförmigen Härchen besetzt. c) An der Spitze jedes hydrophoben Härchens befinden sich vier abgestorbene, wachsfreie und somit hydrophile Zellen. Das Wasser haftet an den Strukturspitzen und somit ist die Bildung einer Blase, die abschnüren und aufsteigen kann, mit einem erheblich größeren Energieaufwand verbunden als bei einer rein hydrophoben Oberfläche.

3 128 Bionik: Patente aus der Natur Diese stabilisierende Kombination einer hydrophoben Oberfläche mit hydrophilen Pins wurde als Salvinia-Paradox bezeichnet [1]. Der Salvinia-Effekt konnte auch bei zahlreichen anderen Spezies mit herausragenden Lufthalteeigenschaften nachgewiesen werden, wie beispielsweise der Wasserspinne (Ancylometes bogotensis) und vor allem dem Rückenschwimmer (Notonecta) [3]. An der Oberfläche der Deckflügel (Elytren) von Notonecta, die über eine hierarchische Doppelstruktur aus langen Setae (durchschnittliche Länge 90 µm und Dichte 251 mm -2 ) und kurzen, dichtstehenden Microtrichia (durchschnittliche Länge 2 µm und Dichte 6*10 6 mm -2 ) [3] (Abb. 2) verfügen, konnten wir eine stabile Lufthaltung von knapp zwei Jahren bis Versuchsabbruch nachweisen. Hier kann also durchaus von einer permanenten Lufthaltung ausgegangen werden. Abb. 2: a) Der Rückenschwimmer Notonecta. Im Bild ist der silbrige Glanz, zurückzuführen auf die Reflexion an der Luft-Wasser-Grenzfläche, der auf den Elytren gehaltenen Luftschicht, zu erkennen. b) Die Elytren sind mit einer Doppelstruktur aus langen Setae und c) kurzen, dichtstehenden Microtrichia besetzt. Die Größenordnungen der Oberflächenstrukturen von Notonecta und Salvinia unterscheiden sich sehr, beide sind jedoch höchst interessante Vorbilder für eine technische Anwendung. Biomimetische Prototypen Bei der Entwicklung biomimetischer Prototypen anhand der Ergebnisse aus den Untersuchungen an den biologischen Vorbildern, wurden mehrere Ansätze verfolgt. Diese unterschieden sich maßgeblich in den Dimensionen und der Komplexität der Strukturen, sowie in der Dicke der gehaltenen Luftschichten. Dies ermöglichte die systematische Untersuchung verschiedener, für die Lufthaltung relevanter Parameter.

4 Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen 129 Der erste Ansatz basiert auf in Silizium geätzten Mikro-Säulen-Strukturen (Abb. 3). Hierzu wurden bereits 2004 am Forschungszentrum caesar in Bonn in unserem Auftrag Strukturen mittels Reaktivem-Ionen-Ätzen (RIE) hergestellt. Abb. 3: a) Getauchte, mit Mikro-Säulen-Strukturen besetzte Probe. Auf der mikrostrukturierten Oberfläche ist der silbrige Glanz der Luft-Wasser-Grenzfläche zu erkennen. b) REM-Aufnahme der Strukturen. Die Dimensionen der Strukturen liegen in derselben Größenordnung wie die Setae von Notonecta. Diese Silizium-Oberflächen wurden von uns zunächst in einem Abformungsverfahren [11] repliziert und anschließend die so entstandenen Epoxid-Harz-Repliken mit dem aus der Zusammenarbeit der vorangegangenen Lotus-Effekt-Projekte entstandenen Industrieprodukt Tegotop hydrophobiert (25 µl gelöstes (1:10) Tegotop 210 (Evonik Degussa GmbH, Germany)). Diese Repliken zeigten sehr gute Lufthalteeigenschaften und wurden daher u.a. für Langzeituntersuchungen eingesetzt. Wie beim biologischen Vorbild war auch hier die Luftschicht sehr langzeitstabil und es konnte eine Lufthaltedauer von mehreren Monaten nachgewiesen werden. Um bereits in einer frühen Phase der Arbeiten zu überprüfen, in welchem Umfang eine biomimetische, lufthaltende Oberfläche zur Reibungsreduktion an Schiffen eingesetzt werden kann, entwickelte das ITV Denkendorf in unserem Auftrag im Rahmen des BMBF-Projekts Superhydrophobe biologische Grenzflächen eine textile Oberfläche, die in der Lage war, eine Luftschicht unter Wasser zu halten. Mit diesem Textil wurden 2007 am Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.v. (DST) in Duisburg erste Messungen unternommen. Für die Widerstandsversuche wurde ein Schubleichter mit einer Länge

5 130 Bionik: Patente aus der Natur von 6,9 m und einer Breite von 0,8 m bespannt und in einem Kanal (Länge: 200 m, Breite: 10 m, Wassertiefe: 312,5 mm) untersucht (Abb. 4). Dabei wurden zwei Versuchsreihen gefahren. Im ersten Fall betrug der Tiefgang des Modells 6,25 cm, somit ergaben sich die Länge in der Wasserlinie zu 6,6 m und die Verdrängung zu 0,3 m³. Bei der zweiten Versuchsreihe war ein Tiefgang von 18,1 cm eingestellt, was eine Länge in der Wasserlinie von 6,8 m und eine Verdrängung von 0,9 m³ ergab. Abb. 4: a) Mit hydrophobem Textil bespannter Schubleichter am DST in Duisburg. b) Bild des Schubleichters während der Messung im Kanal. Beide Versuchsreihen wurden bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten (0,28 ms -1-0,83 ms -1 ) durchgeführt um sicherzustellen, dass der aus der Reibung resultierende Widerstandsanteil sehr groß im Vergleich zum Restwiderstand war. Alle Messungen wurden mit einem Schubleichter, einmal mit dem hydrophoben Textil bespannt und einmal mit herkömmlichem Bootslack lackiert, durchgeführt und die jeweiligen Wertepaare verglichen. Bei diesen Messungen konnte eine Reibungsreduktion von bis zu 10 % durch die lufthaltende Textiloberfläche gezeigt werden. Neben dieser, relativ einfachen Textiloberfläche, die bereits eindrucksvoll zeigte, dass prinzipiell eine Reibungsreduktion mittels lufthaltender Beschichtungen möglich war, entwickelten wir, gemeinsam mit der SwissFlock GmbH, prototypische Oberflächen auf Flockbasis. Dabei handelt es sich um Polyamid-Fasern, die in einer Matrix eingebettet werden (Abb. 5). Der Vorteil bei diesen Schnittflockoberflächen lag unter anderem darin, dass Parameter wie Faserlänge, -durchmesser und -dichte angepasst werden konnten und somit ein breites Spektrum an Oberflächen systematisch untersucht werden konnte. Die Parameter

6 Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen 131 wurden so gewählt, dass sie in ihren Dimensionen den Strukturen der untersuchten Salvinia-Arten entsprachen. Abb. 5: a) Wassertropfen auf einer hydrophoben, lufthaltenden Flockoberfläche. b) REM- Aufnahme der Flockfasern. Die Flockoberflächen wurden hydrophobiert (Tegotop 210) und zeigten anschließend die gewünschte Lufthaltefähigkeit. An solchen Flockoberflächen wurden von unserem Projektpartner, der AG von Prof. Leder am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Rostock, Messungen im Schleppkanal durchgeführt. Bei diesen Messungen wurden zwei NACA-Flügelprofile, eines mit herkömmlicher Lackierung, eines mit lufthaltender Flockoberfläche ausgestattet, parallel durch das Wasser geschleppt, wobei sie durch ein Joch miteinander verbunden waren. Eine in der Mitte des Jochs befindliche Torsionswaage ermöglichte die Messung des, aufgrund der Reibungsunterschiede auftretenden Drehmoments. Es konnte eine Reibungsreduktion von rund 31 % nachgewiesen werden [12]. Diese Ergebnisse aus dem BMBF BIONA-Vorhaben Luft haltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion, sowie zwei weiteren Projekten im Rahmen des BMBF- Ideenwettbewerbs Bionik zeigen das Potential biomimetischer, permanent lufthaltender Oberflächen und dienen als Grundlage für das neu begonnen Projekt ARES - Air REtaining Surfaces, in dem wir, in Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern in Karlsruhe und Rostock, technisch einsetzbare lufthaltende Oberflächen entwickeln und ihre Anwendbarkeit validieren werden.

7 132 Bionik: Patente aus der Natur Zusammenfassung Werden superhydrophobe Oberflächen unter Wasser getaucht, halten sie immer, zumindest kurzeitig, eine Luftschicht (z. B. Lotus). Einige Oberflächen sind jedoch in der Lage, relativ dicke Luftschichten langzeitstabil zu halten. Bei den seit 2002 systematisch durchgeführten Untersuchungen bestimmter aquatischer Organismen (z. B. Salvinia und Notonecta) konnten die fünf Kriterien für eine permanente Lufthaltung identifiziert werden. Ihre Kombination wurde nach dem Vorbild des Schwimmfarns als Salvinia-Effekt bezeichnet [5]. Als zusätzlicher Mechanismus zur Stabilisierung der Luftschicht konnten an einigen Arten hydrophile Pins (Salvinia-Paradox) nachgewiesen werden [1]. Biomimetische Salvinia-Effekt-Oberflächen sind von großem Interesse, da durch eine Luftschicht zwischen Festkörper und Fluid die Reibung an fluidüberströmten Medien deutlich reduziert werden kann [7]. An Flockoberflächen konnte von unserem Projektpartner in Rostock eine Reibungsreduktion von 31 % nachgewiesen werden [12]. Die Untersuchungen der Luftschicht an replizierten Mikro-Säulen-Strukturen zeigten, dass eine langzeitstabile Lufthaltung unter statischen Bedingungen über mehrere Monate möglich ist. Danksagung Die Untersuchungen wurden in Projekten im Rahmen des BMBF- Ideenwettbewerbs Bionik, sowie einem BIONA-Verbundvorhaben zusammen mit der AG von Prof. Leder am lsm (Universität Rostock), durchgeführt. Weitere Arbeiten wurden innerhalb des DFG- Graduiertenkollegs GRK1572 Bionik Interaktion über Grenzflächen zur Außenwelt durchgeführt. Dank geht an unsere Kooperationspartner SwissFlock GmbH, caesar Bonn, ITV Denkendorf und das DST in Duisburg. Das Projekt wird seit November 2013 in dem BMBF VIP- Vorhaben ARES Air REtaining Surfaces zusammen mit dem obengenannten Institut in Rostock und dem Institut für Nanotechnologie des KIT (Prof. Th. Schimmel) fortgesetzt. Literatur [1] Barthlott, W., Schimmel, T., Wiersch, S., Koch, K., Brede, M., Barczewski, M., Walheim, S., Weis, A., Kaltenmaier, A., Leder, A., Bohn, H. F. (2010): The Salvinia paradox: Superhydrophobic surfaces with hydrophilic pins for airretention under water. Advanced Materials 22: 1-4

8 Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen 133 [2] Cerman, Z., Striffler, B. F., Barthlott, W. (2009): Dry in the water: the superhydrophobic water fern Salvinia - a model for biomimetic surfaces. In: Gorb, S. N. (ed.): Funct. Surf. in Biology, Springer Berlin, Heidelberg, 740 pp. [3] Ditsche-Kuru, P., Schneider, E. S., Melskotte, J.-E., Brede, M., Leder, A., Barthlott, W. (2011): Superhydrophobic surfaces of the water bug Notonecta glauca: a model for friction reduction and air retention. Beilstein Journal of Nanotechnology 2: [4] Yan, Y. Y., Gao, N., Barthlott, W. (2011): Mimicking natural superhydrophobic surfaces and grasping the wetting process: A review on recent progress in preparing superhydrophobic surfaces. Advances in Colloid and Interface Science, 26 p. [5] Koch, K., Bohn, H. F., Barthlott, W. (2009): Hierarchical sculpturing of plant surfaces and superhydrophobicity. Part of the Langmuir 25th Year special issue Wetting and superhydrophobicity, Langmuir 25 (24): [6] Barthlott, W., Erdelen, W., Rafiqpoor, M. D. (2014): Biodiversity and technical innovations: bionics from the Macro- to the Nanoscale. In: Lanzerath, D. & M. Friele (eds.): Concept and Value in Biodiversity. Routledge Studies in Biodiversity Politics and Management, 280 pp. [7] Balasubramanian, A. K., Miller, A. C., Rediniotis, O. K. (2004): Microstructured hydrophobic skin for hydrodynamic drag reduction. AIAA Journal 42 (2): [8] Barthlott, W., Neinhuis, C. (1997): Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202: 1-8 [9] Nickerl, J., Helbig, R., Schulz, H. J., Werner, C., Neinhuis, C. (2013): Diversity and potential correlations to the function of Collembola cuticle structures. Zoomorphology 132 (2): [10] Barthlott, W., Wiersch, S., Čolić, Z., Koch, K. (2009): Classification of trichome types within species of the water fern Salvinia, and ontogeny of the egg-beater trichomes. Botany 87: [11] Schulte, A.J., Koch, K., Spaeth, M., Barthlott, W. (2009): Biomimetic replicas: transfer of complex architectures with different optical properties from plant surfaces onto technical materials. Acta Biomaterialia 5: [12] Melskotte, J.-E., Brede, M., Wolter, A., Barthlott, W., Leder, A. (2013): Schleppversuche an künstlichen, Luft haltenden Oberflächen zur Reibungsreduktion am Schiff In: C. J. Kähler, R. Hain, C. Cierpka, B. Ruck, A. Leder, D. Dopheide (ed.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. München 2013, Beitrag 53

9 134 Bionik: Patente aus der Natur Matthias Mail Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen Universität Bonn Aktuelles Projekt BMBF Projekt im Rahmen der VIP-Initiative: ARES Air REtaining Surfaces 2011 Diplom Physik, Karlsruher Institut für Technologie Stipendiat im DFG Graduiertenkolleg GRK1572 Bionik Interaktion über Grenzflächen zur Außenwelt seit 2011 Promotion in der Arbeitsgruppe Biodiversität und Bionik, Nees-Institut der Universität Bonn