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Intelligentes Material verbessert Aerodynamik bei Autos und Flugzeugen

Start-up entwickelt aktive Komponenten und Systeme auf Basis von Formgedächtnislegierungen

22.03.2019

CompActive

Die Aktoren von CompActive können auf verschiedene Art und Weise auf Materialien aufgebracht werden.

Um Energie zu sparen, ist Aerodynamik bei Autos und Flugzeugen wichtig. Techniken, die das steuern, sind aber nur für einen Geschwindigkeitsbereich ausgelegt. Eine flexiblere Methode haben Forscher an der Technischen Universität Kaiserslautern entwickelt: Dank eines sogenannten Formgedächtnis-Drahts kann das „intelligente Material“ seine Form automatisch an wechselnde Bedingungen anpassen. Auch kann es passgenau auf Kundenwünsche zugeschnitten und in vorhandene Bauteile eingebaut werden. Ihr Material vermarkten die Forscher in ihrem Start-up „CompActive“. Auf der Hannover Messe stellen sie es vom 1. bis 5. April am Forschungsstand von Rheinland-Pfalz vor.

Auf der Suche nach Beute kreisen Adler langsam in der Luft. Dabei sorgen ihre fächerförmig gespreizten Federn an ihren Flügelenden dafür, dass sie bei relativ niedriger Geschwindigkeit möglichst effizient unterwegs sind. Dank ihrer Flügel passen sich die Vögel aber auch bei einem schnellen Sturzflug an die neuen Bedingungen an.

So flexibel wie Greifvögel sind Flugzeuge noch nicht. Auf dem Markt gibt es zwar Techniken, die helfen, die Effizienz zu verbessern. Dazu zählen beispielsweise sogenannte Winglets, eine Art gebogene Verlängerung an den Spitzen der Tragflächen. „Ein weiteres Beispiel sind Turbulatoren“, sagt Dr. Moritz Hübler vom Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). „Dabei handelt es sich um eine Vielzahl kleiner Störflächen, die auf der Flügeloberfläche die Strömung stabilisieren. Damit können Piloten langsamer fliegen“, fährt seine Forscherkollegin Patricia Schweitzer fort. Beide Fälle haben eines gemeinsam: Es sind nur starre Bauelemente, die sich nicht automatisch während des Fluges anpassen. „Die Aerodynamik des Flugzeugs ist hier immer nur für bestimmte Geschwindigkeiten ausgelegt“, sagt Hübler.

Ähnlich flexibel wie der Flügel des Adlers ist hingegen die Technik, an der das Team um Hübler und Schweitzer arbeitet. Sie passt sich etwa automatisch an verschiedene Geschwindigkeiten und Temperaturen an. Zum Einsatz kommen Drähte aus einer Formgedächtnislegierung, die aus einer Nickel-Titan-Verbindung besteht. „Damit bezeichnen Experten das Phänomen, dass diese Drähte nach einer Verformung wieder ihre alte Form annehmen“, erläutert Hübler. „Erwärmen sich die Drähte, beispielsweise durch elektrischen Strom, ziehen sie sich zusammen.“ Aufgebracht sind die Drähte auf einer biegsamen Platte aus Verbundwerkstoff. Ähnlich wie bei unserer Muskulatur führt ein Zusammenziehen der Drähte dazu, dass sich das Material krümmt.

„Unser aktives Material benötigt weniger Volumen und hat ein geringeres Gewicht gegenüber herkömmlichen Techniken, die etwa auf Druckluft oder elektrische Motoren setzen“, erläutert Schweitzer. Ihre Module, oder auch Aktoren, wie das Team sie nennt, können sie auf individuelle Kundenwünsche maßschneidern. „Wir bieten sie in unterschiedlichen Größen an und sie können auf verschiedenen Materialien, wie etwa auf faserverstärktem Kunststoff oder Metall, zum Einsatz kommen“, sagt Schweitzer weiter. Auch lassen sich die Aktoren auf unterschiedliche Art und Weise auf Bauteile aufbringen und in elektrische Systeme einbinden. „Kleben und Schrauben sind hierbei genauso möglich wie Lötverbindungen oder das Aufstecken auf einen Messingdraht“, so die Ingenieurin weiter. Den Materialaufbau hat sich das Team bereits patentieren lassen. In ihrem Start-up „CompActive“ entwickeln Hübler und Schweitzer ihn gemeinsam mit ihren drei Mitstreitern Daniel Vogelsanger, Nicolà Hammann und Nils Neblung zur Marktreife.

Mit diesem „intelligenten Material“ sind viele neue Funktionen denkbar, zum Beispiel spalt- und knickfreie Flugzeugklappen, die automatisch die Aerodynamik für unterschiedliche Geschwindigkeiten verbessern und damit Energie sparen. In Flugversuchen konnten Forscher des IVW gemeinsam mit Partnern bereits zeigen, dass ihr Material auch bei Turbulatoren zum Einsatz kommen kann: Sie ließen sich einfach per Knopfdruck ausfahren. „Damit sind langsamere, steilere und sicherere Landeanflüge möglich, ohne dass die Effizienz leidet“, sagt Hübler.

Um den Spritverbrauch zu senken, ist auch bei Fahrzeugen ein ähnliches Einsatzgebiet möglich. „Die Technik ließe sich automatisch mittels bereits vorhandener Sensoren für eine jederzeit optimale Aerodynamik nutzen, egal ob man in der Stadt oder auf der Autobahn unterwegs ist“, nennt Hübler als weiteres Beispiel.

Ein weiteres Einsatzfeld sind Lüftungs- und Heizungsanlagen, aber auch bei einem Kühlsystem für Schutzhelme im Sportbereich oder bei neuartigen Lampen-Designs ist die Technik interessant.

Auf der Hannover Messe präsentieren die Forscher zum einen ein Modell eines Flugzeugflügels, in dem sechs Aktoren verbaut sind, die sich getrennt voneinander ansteuern lassen. Auch zeigen sie eine Technik, bei der ihr Material zusammengezogen und dadurch in einem gebogenen Zustand bleibt, ohne Energie zu verbrauchen. „Wir nutzen hierbei einen einfachen Riegel, mit dem wir das System in dem Zustand fixieren; es ähnelt beispielsweise Riegeln bei einem Gartentor“, sagt Schweitzer. Für diese Technik haben sie zudem ein weitere Möglichkeit entwickelt, bei dem eine Art Klick-System zum Einsatz kommt, das vergleichbar mit dem bei einem Kugelschreiber ist und dafür sorgt, dass die Schreibmine draußen bleibt.

Das Vorhaben des Start-ups wird als „EXIST-Forschungstransfer-Projekt“ am Institut für Verbundwerkstoffe vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) in der ersten Förderphase noch bis Anfang 2020 gefördert. Bei ihrer Arbeit werden die Jungunternehmer von der TU Kaiserslautern sowie dem Institut für Verbundwerkstoffe unterstützt. Das Team ist bereits mit Kunden in Kontakt und plant für das kommende Jahr eine erste Serienproduktion.

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