Giftfrösche liefern Blaupause für Tragflächen-Enteisung

  • 24. April 2015

Frostschutzmittel dringt durch winzige Poren in einer was­ser­absto­ßen­den Schicht und lässt Eis­kris­talle schmelzen.

Mit Heißluft und einem Glykol-Wasser-Gemisch werden im Winter Flug­zeug­trag­flächen enteist, um Störungen in der Aero­dynamik zu vermeiden. Eine bionische Alternative zu diesem aufwendigen und teuren Verfahren fanden nun Forscher um Konrad Ryka­czewski an der Arizona State University in Tempe. Inspiriert von der mehr­schich­tigen Haut tropi­scher Gift­frösche entwickelten sie eine stark wasser­abstoßende, poröse Ober­fläche, unter der sie statt Gift ein flüssiges Frost­schutz­mittel deponierten.

Frost, Raureif und Eisschmelze – Funktion der künstlichen Froschhaut, durch deren Poren Frostschutzmittel dringen konnte. (Bild: K. Rykaczewski, ASU)

Abb.: Frost (oben links), Raureif (Mitte) und gefrie­rendes Kondens­wasser (rechts oben) – Funktions­weise der künstlichen Froschhaut, durch deren Poren Frost­schutz­mittel dringen konnte. (Bild: K. Rykaczewski, ASU)

Die Giftfrösche setzen ihr Gift durch ihre mehrschichtige Haut erst frei, wenn ein ausreichend großer mechanischer Druck – verur­sacht etwa von einem Fress­feind – auf der Außenhaut lastet. Rykaczewski und Kollegen mussten für ihre selbst­enteisende Schicht einen analogen Aufbau finden, der das Frost­schutz­mittel ebenfalls erst bei einem geeignetem äußeren Reiz durch die Poren hindurch­lässt.

So wählten sie als untere Schicht eine poröse, hydrophile Nylonmembran, die sie mit dem flüssigen Frostschutzmittel Propylenglycol tränkten. Diese Membran beschichteten sie in einem Sprühprozess mit einem stark wasserabstoßenden, superhydrophoben Polymer („Hydrobead“). Diese bis zu hundert Mikrometer dicke Polymerschicht wies ebenfalls zahlreiche Poren auf.

Diese künstliche Froschhaut setzten sie in einer Frostkammer bei minus 22 Grad drei verschiedenen, simulierten Wetter­bedingungen aus: gefrie­rendem Regen, gefrie­rendem Nebel und gefrie­rendem Kondens­wasser. Ohne äußeren Reiz konnte das Frostschutzmittel nicht durch die Poren an die Oberfläche dringen. Beim gefrierenden Regen floss das Wasser der einfallenden Tropfen kaum in die Poren ein. Parallel bildeten sich aber mikroskopisch kleine Eiskristalle, die tiefer in die Poren eindrungen. Erreichte dadurch ein Wasser-Eis-Gemisch die getränkte Nylon­membran, wurde das Frost­schutz­mittel freigesetzt. Es durch­mischte sich mit dem Wasser und verhinderte die Bildung einer Eisschicht.

Wasser perlt an der superhydrophoben Oberfläche ab. Zuvor ließ ein Frostschutzmittel, das durch feine Poren nach außen drang, Eiskristalle schmelzen. (Bild: K. Rykaczewski, ASU)

Abb.: Wasser perlt an der super­hydro­phoben Oberfläche ab. Zuvor ließ ein Frost­schutz­mittel, das durch feine Poren nach außen drang, Eiskristalle schmelzen. (Bild: K. Rykaczewski, ASU)

So konnte auf der Oberfläche eine ausgedehntere Eisbildung bis um eine Stunde verzögert werden konnte. Auf einer ebenfalls super­hydro­phoben Oberfläche ohne Frost­schutz­schicht begann die Eisbildung bereits nach einer Minute. Bei gefrierendem Nebel oder Kondens­wasser konnte die Bildung einer Eisschicht nahezu genauso lange durch das austre­tende Forst­schutz­mittel unterbunden werden.

Einsatzreif für den Flugverkehr ist diese passive Frostschutzhaut allerdings noch nicht. Dazu müssten das aero­dyna­mische Verhalten einer solchen Beschich­tung erst genau untersucht werden. Zudem wäre für Lang­strecken­flüge ein länger anhaltener Frost­schutz, etwa mit etwas dickeren, getränkten Nylon­membranen, nötig. Doch Rykaczewski hofft, bald erste Praxis­tests an den Rotor­blättern von Wind­rädern durchführen zu können.

Jan Oliver Löfken

OD

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