LABELO – Laserstrukturierte Anti-Eis Beschichtung für Luftfahrt-Oberflächen

 

gefördert durch: FFG, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Projektnummer: 43317863

Projektende: September 2025

 

An Luftfahrzeugen auftretende Vereisung von aerodynamischen Elementen kann das Flugverhalten negativ beeinflussen und je nach Eisanlagerung sogar zum Strömungsabriss führen. Daher sind Strategien zur Vereisungsprävention (anti-icing) und Enteisung (de-icing) wesentlich beim Betrieb von Fluggeräten. Zur Enteisung von Tragflächensektionen (meist die Vorderkante) werden verschiedene aktive Systeme verwendet. Pneumatisch versorgte, flexible Gummimatten (Boots) verändern bei Detektion von Eis durch Einleiten von Luft die Oberfläche und sprengen es dadurch ab. Thermische Systeme erwärmen bestimme Zonen, um diese eisfrei zu halten oder angelagertes Eis zu schmelzen. Sie werden entweder elektrisch beheizt oder mit Zapfluft aus dem Triebwerk versorgt. Bei chemischen Systemen wird ein Anti-Eis-Fluid auf die Flügeloberfläche gepumpt und ein dünner Film erzeugt, der die Eisbildung verhindert. Jedes dieser Systeme hat Nachteile: Zur thermischen Enteisung wird viel Energie benötigt, pneumatische Systeme sind sehr wartungsintensiv und beeinflussen die Aerodynamik negativ und chemische Enteisung führt zu einer zusätzlichen Gewichtsbelastung und einer begrenzten Einsatzdauer.

 

In der Bildmitte liegt eine (wenige Millimeter dicke) Metallplatte. Die Metallplatte wirkt am Rand einheitlich metallisch matt (etwa 80% der Fläche) und in der Mitte deutlich heller mit längs verlaufenden Streifen und stärkerer Lichtreflexion. Unmittelbar über dieser, im rechten Winkel, hängt eine zylindrische Nadel herab. Es findet keine Berührung statt. Am Nadelende(wenige Millimeter über der Platte) hängt noch ein durchsichtiger, sphärischer Flüssigkeitstropfen herab. Die Metallplatte liegt auf schwarzer Unterlage mit weißen Karomuster.

© Matthias Heisler

Kontaktwinkelmessung an einer nanostrukturierten Probe

Ziel dieses Projekts ist es widerstandsfähige und hochwirksame passive Anti-Eis-Oberflächen durch die Kombination von drei Schlüsseltechnologien zu entwickeln und das Anwendungsgebiet von Anti-Eis Beschichtungen auf Propeller zu erweitern. Diese Erweiterung ist nicht nur für die bemannte Luftfahrt, sondern auch für die unbemannte Luftfahrt (Drohnen/Multikopter) von großer Bedeutung, wo vorhandene Energie und Gewicht insbesondere bei elektrisch betriebenen Drohnen einen bedeutenden Einfluss auf die Gesamtperformance haben. Die erste der drei Schlüsseltechnologien ist die Laserstrukturierung mittels Femtosekundenlaser, welche es ermöglicht, einerseits feine Nanostrukturen (LIPSS) und andererseits poröse Mikrostrukturen zu erzeugen. Diese Strukturen können die Oberflächeneigenschaften maßgeblich verändern und einen superhydrophoben oder eisphoben Effekt bewirken. Um diese Effekte zu verstärken, werden als zweite Schlüsseltechnologie funktionelle Nano-Beschichtungen auf Basis von Silanen eingesetzt. Die dritte Schlüsseltechnologie ist die Plasmabeschichtung, bei der zur Steigerung der Beständigkeit eine Hexamethyldisiloxan-Schicht (HMDSO) mittels Plasma appliziert wird. Weiters werden auf Basis der Laserstrukturierung auch regenerative Slippery Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) untersucht. Dem negativen Effekt des Entleerens der SLIPS-Oberfläche wird durch eine aktive Fluidnachförderung entgegengewirkt. Dazu werden Mikrokanäle in die strukturierten Oberflächen lasergebohrt, und zwar so, dass diese von der Rückseite mit geringen Mengen verschiedener Fluiden versorgt werden können. Dies können SLIPS Öle sein oder auch Enteisungsfluide. Umweltaspekte, wie die biologische Abbaubarkeit und Wiederverwertbarkeit der verwendeten Beschichtungsmaterialien, werden dabei berücksichtigt. Um die Leistungsfähigkeit der in LABELO entwickelten Anti-Eis Beschichtungen zu beurteilen, werden experimentelle Vereisungstests mit verschiedenen Probekörpern durchgeführt. Dazu wird das Benetzungs- und Enteisungsverhalten gemessen, sowie Untersuchungen in einer aerodynamischen Umgebung im Eiskanal durchgeführt. Ausgewählte eisphobe Oberflächen werden abschließend an Rotoren aufgebracht und an einem Rotorprüfstand hochgradig dynamischen Vereisungsbedingungen ausgesetzt. Hier liegt der Fokus auf dem Eis- Shedding, also dem Ablösen von akkumuliertem Eis, als Funktion der entstehenden g-Kräfte. Der Unterschied in den benötigten g-Kräften zwischen Referenz und Probe ist ein direktes Maß der Effizienz des neuen Systems. Neben den experimentellen Arbeiten wird die Eisentstehung und Anhaftung auch theoretisch betrachtet. Die numerische Simulation von Benetzungs- und Vereisungsvorgängen ist ein wichtiger Teil dieses Projekts. Dabei sollen bestehende Simulationsmodelle verbessert und erweitert werden, um künftig bessere Vorhersagen über Vereisungsprozesse und -verhalten machen zu können. Für die Validierung der Simulationen werden die Ergebnisse der experimentellen Versuche herangezogen.