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Ein Verkehrsflugzeug verbraucht auf einem Flug quer über die USA rund 37.900 Liter Kerosin. Ein erheblicher Teil davon geht auf turbulente Strömungen an den Tragflächen zurück. Forscher der University of Colorado Boulder verfolgen einen ungewöhnlichen Ansatz, um diesen Verbrauch zu senken: Gezielte Mikrovibrationen unter der Flügelhaut sollen die Turbulenz bremsen, bevor sie sich aufbaut. Zwei neue Studien in den Fachjournalen Physical Review X und Proceedings of the Royal Society A dokumentieren die aktuellen Fortschritte.
Das physikalische Problem an der Tragfläche
Direkt an der Flügeloberfläche bildet sich die sogenannte Grenzschicht: eine hauchdünne Luftschicht, die im Idealfall laminar strömt. Laminare Strömung bedeutet, dass die Luftschichten geordnet übereinander gleiten. Der Reibungswiderstand bleibt dabei gering.
Weiter hinten am Flügel kippt diese Strömung in Turbulenz. Kleine Störungen wachsen zu Wellenbewegungen heran, den sogenannten Tollmien-Schlichting-Wellen. Diese Wellen schaukeln sich stromabwärts auf, bis die geordnete Strömung zerfällt. Turbulente Strömung erzeugt mehr Reibung an der Oberfläche und erhöht damit den Treibstoffverbrauch.
Bisherige Ansätze und ihre Grenzen
Der Flugzeugbau bekämpft diesen Effekt seit Jahrzehnten vor allem über die Flügelgeometrie. Spezielle Profile verzögern den Umschlag von laminar zu turbulent. Feine Rillenstrukturen nach dem Vorbild der Haihaut, sogenannte Riblets, reduzieren die Verwirbelung. Verformbare Tragflächen, wie sie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit Morphing-Flügeln erprobt, passen das Profil im Flug an und vermeiden zusätzliche Widerstandsquellen.
Alle diese Methoden stoßen an physikalische Grenzen. Schon Insektenreste oder Regentropfen an der Flügelvorderkante können eine laminare Strömung vorzeitig kippen lassen. Aktive Absaugsysteme, die Luft durch winzige Löcher in der Haut absaugen, können die Strömung länger laminar halten, benötigen aber Energie und zusätzliche Bordsysteme.
Der Colorado-Ansatz: Phononen unter der Haut
Mahmoud Hussein, Luft- und Raumfahrtingenieur an der University of Colorado Boulder, forscht seit über zwei Jahrzehnten an Phononen: mikroskopischen Schwingungen im Inneren von Materialien. Bereits 2015 stellte er das Konzept der phononischen Subsurfaces vor, abgekürzt PSubs.
Die Idee dahinter: Ein Metamaterial aus Aluminium, dem Kunststoff ABS und eingeschlossenen Luftkammern sitzt als Schicht direkt unter der glatten Außenhaut des Flügels. Dieses Material ist so konstruiert, dass es auf bestimmte Frequenzen reagiert und in Gegenschwingung versetzt wird. Die entstehenden Mikrovibrationen überlagern die aufwachsenden Tollmien-Schlichting-Wellen und dämpfen sie, bevor sie in vollständige Turbulenz umschlagen.
Passives System ohne Energiebedarf
Im Unterschied zu aktiven Absaugsystemen brauchen PSubs keine externe Energiezufuhr. Das Material reagiert passiv auf die Strömungsbedingungen. Es gibt keine beweglichen Teile, keine Steuerungselektronik, keine zusätzliche Last auf dem Bordnetz.
Die Struktur des Metamaterials ist spiralförmig aufgewickelt. Computermodelle zeigen, wie Gegenschwingungen bei verschiedenen Frequenzen an der Oberfläche zusammenlaufen. Die Abstimmung dieser Frequenzen auf die tatsächlichen Strömungsbedingungen im Reiseflug war bislang eine der zentralen technischen Hürden.
Was die neuen Studien zeigen
Die beiden aktuellen Veröffentlichungen adressieren zwei konkrete Hindernisse auf dem Weg zur praktischen Anwendung. Zum einen haben die Forschenden das Konzept der Superresonanz weiterentwickelt: Das Metamaterial kann so ausgelegt werden, dass es über ein breiteres Frequenzspektrum wirkt. Das ist relevant, weil Tollmien-Schlichting-Wellen nicht immer bei exakt derselben Frequenz auftreten.
Zum anderen haben die Wissenschaftler eine Gitterstruktur untersucht, die die mechanischen Eigenschaften des Materials präziser abstimmbar macht. Beide Fortschritte bringen die Technologie nach Angaben der Forscher näher an reale Flugbedingungen heran.
Noch kein zertifizierungsfähiger Prototyp
Bis zu einem zertifizierungsfähigen Bauteil ist der Weg weit. Die bisherigen Ergebnisse stammen aus numerischen Simulationen und Laborversuchen. Tests unter realen aerodynamischen Bedingungen, etwa im Windkanal oder am Flugobjekt, stehen noch aus. Luftfahrtbehörden wie die EASA oder die FAA stellen hohe Anforderungen an neue strukturelle Werkstoffe im Primärbereich eines Flugzeugs.
Bedeutung für Hersteller und Betreiber
Für Flugzeughersteller und Airlines ist die Richtung relevant. Jede Reduktion des aerodynamischen Widerstands wirkt direkt auf den Kerosinverbrauch. Bei einem Langstreckenflugzeug, das täglich mehrere Strecken fliegt, summieren sich auch wenige Prozent Einsparung über die Flottenlaufzeit auf erhebliche Mengen.
Hinzu kommt der regulatorische Druck. Die EU schreibt für den Luftverkehr stufenweise sinkende CO2-Grenzwerte vor. Hersteller wie Airbus und Boeing suchen deshalb systematisch nach Möglichkeiten, Widerstände zu reduzieren, ohne das Strukturgewicht zu erhöhen.
Ein passives Metamaterial ohne Energiebedarf und ohne bewegliche Teile wäre aus Wartungs- und Zertifizierungssicht attraktiv. Ob PSubs diese Eigenschaften unter Serienbedingungen bestätigen, müssen die nächsten Entwicklungsstufen zeigen.
Fazit
Die Forschungsgruppe um Hussein hat mit den beiden neuen Studien nachvollziehbare Fortschritte dokumentiert. Die Technologie bleibt jedoch Grundlagenforschung. Für die Luftfahrtindustrie und Zulieferer ist das Konzept eine beobachtenswerte Entwicklung, kein kurzfristiger Beschaffungsimpuls. Der Weg bis zur Serienreife dürfte realistisch zehn Jahre oder mehr betragen.
