Ein Flügel wie kein anderer. In seiner Oberfläche befinden sich unzählige Kratzer – aber warum? (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Werbung fürs perfekte Rasieren und die Überzeugung von Luftfahrtingenieuren haben erstaunlich viel miteinander zu tun. Sie teilen sich ein Dogma: Je glatter, desto besser.

Wo das eine durchaus standhält, hinterfragen Forscher inzwischen letzteres. Seit jeher galten möglichst ebene Flügel und Oberflächen bei Flugzeugen als Optimum. Nur so bieten sie laut dem Stand der Forschung möglichst wenig Widerstand – und das spart letztlich Treibstoff.

Ein Team aus Japan hat jetzt dieses 80 Jahre alte Prinzip der Strömungslehre widerlegt: Flügel gehören stattdessen angeraut.

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Mehr Löcher brauchen die Flügel

Das Prinzip hinter der Entdeckung erscheint simpel, erfordert aber modernste Technik. Denn mit besser nicht glatt und lieber rau meinen die Forscher an sich glatt, aber bis zu einem gewissen Grad rau.

Die Oberflächen-Rauigkeiten, die den aerodynamischen Widerstand um bis zu 43,6 Prozent reduzieren, sind nämlich winzig. Es handelt sich um sogenannte »Distributed Micro-Roughness« (DMR), auf Deutsch quasi verteilte-Mikro-Rauheiten.

Stellt es euch vor, wie eine hauchdünne Schicht an winzigen Schluchten. Wobei das unebene Erscheinungsbild zufälliger Natur ist und nur im mikroskopischen Maßstab vorliegt – ihr könntet es mit bloßem Auge nicht erkennen. Die Oberfläche erschien euch glatt.

Der Testablauf im Detail

Die Forscher testeten zwei Varianten: erhabene Muster aus Glasperlen auf einer zuvor perfekt gleichmäßigen Fläche sowie konkave Vertiefungen durch Sandstrahlen. In beiden Fällen ergeben sich Löcher und Schluchten niemals tiefer als 50 Mikrometer – meist niedriger. Das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines menschlichen Haares.

Physikalisch passiert Folgendes, wenn die Luft über die Strukturen strömt:

Die mit hoher Geschwindigkeit auf den simulierten Flügel treffende Luft ist gezwungen, der Kontur des Materials zu folgen. Sobald bewegte Luft auf einen Körper trifft, schmiegt sie sich an.
Es bildet sich eine sogenannte Grenzschicht. In dieser reagiert die Luft unmittelbar auf die Oberfläche, über die sie strömt. Darüber bewegt sie sich modellhaft betrachtet unbeeinflusst weiter wie vor Kontakt mit dem Flugzeug.
Zuerst bleibt die Strömungsrichtung in der Schicht nahezu unverändert, doch stromabwärts bilden sich Verwirbelungen. Sie erzeugen Widerstand, den das Flugzeug überwinden muss – die Luft wehrt sich sozusagen gegen das sie durchpflügende Objekt.
DMR unterdrückt das Wachstum von sogenannten Tollmien-Schlichting-Wellen, instabilen Schwingungen in der Grenzschicht. Ungebremst würden sie sich zu Turbulenz aufschaukeln. Aufgrund der extrem unregelmäßigen Oberfläche wirken unterschiedlichste Minimpulse auf die Luft ein. Sie lassen die großräumigen Wirbel frühzeitig kollabieren.
So beruhigen DMRs den Luftstrom direkt über sich – nicht unbegrenzt lange, aber doch entscheidend. Aerodynamiker bezeichnen das als Verzögerung des Übergangs von laminarer (ruhiger) zu turbulenter (verwirbelter) Strömung.

Hightech-Funfact: Abseits der Technik und revolutionären Ergebnisse beeindruckt derweil auch das Experiment an sich. Die japanischen Forscher nutzten hierfür eine neuartige Aufstellmethode für Modelle in Windkanälen: das »1-Meter-Magnetschwebe-Balance-Messsystem« der Tohoku-Universität.

Hierin schweben Modelle in einem magnetischen Feld im Luftstrom, sodass die bei herkömmlichen Tests unvermeidlichen Stützstreben und ihre Störungen der Luftströmung vollständig entfallen. Erst dadurch ermöglichen die Forscher die präzise Messung der winzigen Widerstandsveränderungen durch DMR.

Von der Theorie, in den Windkanal und… in die Praxis?

Nun müssen wir die verheißungsvollen Ergebnisse einschränken. Obwohl sich die rechnerisch ermittelten Daten in Experimenten bestätigten, gelten alle Daten bisher ausschließlich für ein vereinfachtes, maßstabsgetreu geschrumpftes, stromlinienförmiges Modell unter Windkanalbedingungen.

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Abseits der noch bestehenden Unsicherheit, ob die Beschichtung hochskaliert in der Größe eines echten Flügels auch funktioniert, bleibt eine zentrale Frage: Wie lässt sich eine solche Oberfläche sauber halten? Verkommen die Mikrodellen eventuell zu potenziellen Dreckmagneten und Bremsen?

Aber sollte es gelingen, die Technik zu perfektionieren und die Schmutz-Sorgen auszuräumen, könnten DMR danach auch jenseits der Luftfahrt zum Standard aufsteigen. Theoretisch lässt sich dieser passive Effekt schließlich auch beispielsweise auf Autos oder Züge übertragen.