Demonstrator auch auf der Hannover Messe
Reibung, Korrosion und Biobewuchs sind die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt. Das Forschungsvorhaben „Air-Retaining Surfaces“ (ARES) – ein Kooperationsprojekt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universitäten Bonn und Rostock – erforscht neuartige Schiffsbeschichtungen, die unter Wasser eine dauerhaft halten und so helfen, die drei Probleme wesentlich zu verringern. ARES wurde für seine Forschung nun vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Validierungspreis ausgezeichnet.
Der 1. Preis des Validierungspreises des BMBF geht an das Projekt ARES. Der Natur nachgeahmte komplexe Strukturen halten Luft auch unter Wasser fest. Die Luft auf den eigentlich blauen Träger glänzt unter Wasser silbern. (Foto: Thomas Schimmel, KIT)
„Innovation ist neben Forschung und Lehre eine der drei gleichberechtigten Kernaufgaben des KIT. Denn es geht uns darum, wissenschaftliche Erkenntnisse für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Umso mehr freue ich mich, dass in diesem Jahr ein vom KIT geführtes Projekt zu neuartigen Schiffsbeschichtungen mit dem Validierungspreis des BMBF ausgezeichnet wird. Ich gratuliere Thomas Schimmel und dem Team, an dem neben dem KIT auch die Universitäten Bonn und Rostock beteiligt sind, sehr herzlich zu diesem Erfolg.“
ARES erforscht neuartige Schiffsbeschichtungen, die es erlauben, unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft zu halten und so den Reibungswiderstand von Oberflächen wesentlich zu verringern. Zugleich vermeiden sie die Freisetzung toxischer Substanzen aus Schiffslacken sowie Biobewuchs (Fouling) und Korrosion, indem die Lufthülle den Kontakt zwischen dem Schiff und dem Wasser verhindert. Koordinator Thomas Schimmel, der am Institut für Angewandte Physik (APH), am Institut für Nanotechnologie (INT) sowie am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT tätig ist, entwickelt mit seiner Arbeitsgruppe unter Wasser lufthaltende Oberflächen auf der Basis des Salvinia-Effekt.
Der Salvinia-Effekt, der von dem Physiker Professor Thomas Schimmel vom KIT und dem Botaniker Professor Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn in enger Zusammenarbeit mit dem Strömungsmechaniker Professor Alfred Leder von der Universität Rostock gemeinsam erforscht wurde, ermöglicht es bestimmten Pflanzen wie dem Schwimmfarn Salvinia molesta, auch unter Wasser zu atmen. Dies gelingt ihm durch seine besonderen Haare, die in ihrer Form an kleine Schneebesen erinnern und durch eine besondere chemische Heterogenität charakterisiert sind: Die Einzelhaare sind einerseits wasserabstoßend, jedoch besitzt jedes einzelne Härchen noch eine wasseranziehende Spitze, die wie ein Klebepunkt am Wasser haftet und damit die eingeschlossene Luftschicht dauerhaft stabilisiert. Durch die Fördermaßnahme „Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung“ unterstützte das Bundesministerium für Bildung und Forschung das Projekt ARES. Der Validierungspreis zeichnet herausragende Projekte aus, die überzeugend die Ergebnisse aus der Validierungsphase in die Verwertung und Anwendung gebracht haben.
„Nachdem wir den Salvinia-Effekt verstanden hatten, erkannten wir das enorme ökonomische und ökologische Potenzial einer technischen Umsetzung“, berichtet Thomas Schimmel. Denn etwa 90 Prozent des weltweiten internationalen Handels wird von Schiffen bewerkstelligt. Umgibt man die Schiffe unter Wasser mit einer Lufthülle, könnten die drei Schlüsselprobleme der Schifffahrt gelöst werden: Reibung, Korrosion und Bewuchs mit Meeresorganismen. „Wir entwickelten künstliche Oberflächen, die eine solche Luftschicht unter Wasser halten. Frühe Prototypen, die wir vor mehr als fünf Jahren unter Wasser gesetzt haben, sind immer noch mit einer dauerhaften Luftschicht bedeckt.“
Auf der Basis solcher unter Wasser permanent lufthaltender Oberflächen („AirCoating Technologie“) sollen neuartige bionische Schiffsbeschichtungen entstehen, bei denen das Schiff unter Wasser mit einer Schmierschicht aus Luft umhüllt wird. Die neue, umweltfreundliche Technologie bietet ein enormes Potenzial für die Reibungsreduktion, liefert zugleich die Basis für ein umweltfreundliches „Antifouling“ ohne Freisetzung von Gift ins Meer und bietet zusätzlich Korrosionsschutz. Bislang werden beim Antifouling die Schiffsrümpfe mit schwermetallhaltigen Farben behandelt, um den Bewuchs mit Algen und Muscheln zu verhindern.
„Wir konnten zeigen, dass durch die AirCoating-Technologie eine Reibungsreduktion von circa 20 Prozent erzielt werden konnte, da die Reibung zwischen Schiff und Wasser gegen die Reibung zwischen Schiff und Luft ersetzt wird“, erläutert Thomas Schimmel. „Die innovativen Oberflächen könnten damit zukünftig für eine Steigerung der Energieeffizienz sorgen und einen wichtigen Beitrag für unsere Umwelt leisten.“
Die AirCoating-Technologie wird derzeit systematisch weiterentwickelt: Im EU-Projekt AIRCOAT, das Nanotechnologie-Experte Thomas Schimmel wissenschaftlich koordiniert, setzen die Partner die Haltung von Luftschichten auf Oberflächen unter Wasser durch ein selbstklebendes Foliensystem um. Insgesamt sind an dem von der Europäischen Kommission im Rahmen des Programms Horizon 2020 geförderten Projekt zehn Forschungsgruppen beteiligt. In einem von der Baden-Württemberg Stiftung geförderten und ebenfalls von Schimmel geleiteten Projekt wird derzeit am KIT das Potenzial weiterer Anwendungen der AirCoating-Technologie erforscht. Außerdem entstand aus dem KIT die Ausgründung ACT Aircoating Technologies GmbH, um die neue Technologie in den Markt einzuführen.