Elektrische Rekorde der Natur Lautlos und Effizient – nach dem Vorbild der Schleiereule

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Windkraftanlagen erzeugen nicht nur regenerativen Strom, sondern auch Lärm. Wie dieser entsteht, wissen Forscher ziemlich genau. Wie er vermieden werden kann, wird gerade erforscht. Auch bei der Entwicklung von Flugzeugen gibt die Natur viele Impulse.

Um die Akzeptanz von Windenergieanlagen an Land zu erhöhen, sind noch einige Hürden zu überwinden. Eine davon ist der Lärm, den die rotierenden Rotorblätter erzeugen. Dieser entsteht - wie übrigens auch bei Flugzeugtriebwerken und Turbinen - hauptsächlich an der Hinterkante der Rotorblätter. Dieser aerodynamische Lärm eines Flügels entsteht durch die Wechselwirkung eines festen Körpers mit einer turbulenten Strömung, ein Phänomen, das allgemein als «Eigenlärm» bezeichnet wird.

An der Hinterkante der Rotorblätter bricht die Luftströmung abrupt ab. Je grösser und schneller die Rotorblätter sind, desto lauter sind sie. Im Durchschnitt verursachen Windenergieanlagen Geräusche zwischen 90 und 100 Dezibel. Tagsüber dürfen in einem angrenzenden «allgemeinen Wohngebiet» jedoch nur maximal 55 Dezibel ankommen, nachts 45 Dezibel, um die gesundheitsschädlichen Auswirkungen des Lärms zu begrenzen. Nachts laufen die Anlagen daher im schallreduzierten Betrieb und produzieren weniger Energie als eigentlich möglich wäre. Laut Siemens Gamesa sinkt der jährliche Energieertrag pro Dezibel um 2 bis 4 Prozent.

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Der geräuschlose Flug der Schleiereule als Vorbild für die Windräder

Wie so oft steht die Natur Pate bei der Entwicklung einer Lösung. In diesem Fall die Schleiereule. Sie gleitet auf ihren Beuteflügen fast lautlos durch die Nachtluft – sie erzeugt etwa 18 dB weniger Lärm als andere Vögel bei ähnlicher Fluggeschwindigkeit, weiss Xiaomin Liu. Der Forscher hat die Flügel der Schleiereule genau untersucht und festgestellt, dass sich die Form der Flügel während des Jagdfluges ständig verändert. Zusammen mit anderen Wissenschaftlern untersuchte er deshalb die Form der Flügelkanten während des Fluges.

Mehrere Faktoren tragen dazu bei, dass der Flug der Eule fast geräuschlos ist. Ein Faktor ist der Aufbau des Flügels. Dieser besteht aus einem Vorder- und Hinterkamm, einer flauschigen Flügeloberfläche und einem einzigartigen Flügelquerschnitt. Ein Federkamm aus kleinen Häkchen an der Flügelvorderkante verbessert den Luftstrom, während Fransen an der Hinterkante für Druckausgleich und Geräuschdämmung sorgen. Besonders wichtig scheint in diesem Zusammenhang die Hinterkante der Eulenflügel zu sein: Wenn hier die Luft besonders gleichmässig strömt, also keine Turbulenzen entstehen, bleibt es weitgehend ruhig.

An nachgebauten Strukturen untersuchten sie verschiedene Symmetrien und fanden heraus, dass Sägezahnmuster mit asymmetrischen Strukturen – Zacken mit teils gewölbten, teils exakt geraden Kanten – zu einer Lärmminderung von 5,47 Dezibel führen. Symmetrisch strukturierte Sägezahnmuster reduzierten den Lärm dagegen nur um 3,68 Dezibel. Auch wenn die Zahlen klein erscheinen, haben sie eine grosse Wirkung. Denn: Eine Erhöhung um 10 dB entspricht in etwa einer Verdoppelung der gefühlten Lautstärke. Die Ergebnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Physics of Fluids des AIP-Verlags veröffentlicht [1].

Die Rotorblätter bekommen kleine Zacken wie bei der Schleiereule

Seit Anfang der 2000er Jahre stattet Siemens Gamesa die Rotorblätter nach dem Vorbild der Eule mit kleinen Zacken, den sogenannten DinoTails, und später zusätzlich mit Fransen aus (Bild 1). Die DinoTails bestehen aus Kunststoff und werden im Spritzgussverfahren hergestellt. Stefan Oerlemans, Leiter der Abteilung Lärm, erklärt: «Die DinoTail Next Generation sind seit 2016 kommerziell im Einsatz. Die meisten Onshore-Turbinen, wie die Siemens Gamesa 5.X, werden bereits ab Werk damit ausgerüstet, aber wir haben auch schon bestehende Anlagen nachgerüstet. Die Lärmreduzierung beträgt im Vergleich zu herkömmlichen Kämmen etwa 1 dB bei Maximalschall und mehr bei höheren Windgeschwindigkeiten. Das bedeutet, dass wir mehr saubere Energie innerhalb der Lärmgrenzwerte produzieren können.

Eine Faustregel besagt, dass wir pro Dezibel Lärmminderung etwa zwei bis vier Prozent mehr Energie erzeugen können, und das ist eine ganze Menge!» Ausserdem verlieren die Rotorblätter bei dieser Konstruktion nicht an Auftrieb: Die Anlage erzeugt genauso viel Energie wie bisher, nur leiser. Auch das kanadische Start-up-Unternehmen Biome Renewables setzt auf Serrations, also Verzahnungen an den Hinterkanten. Die patentierte doppelte Hinterkantenverzahnung lenkt den Luftstrom gezielt an bestimmte Stellen, um ihn zu vermischen, den Druckausgleich zu steuern und Turbulenzen zu reduzieren. Die Geometrie der Verzahnung ist auf die Geometrie des Radialspalts abgestimmt.

Darüber hinaus nutzt FeatherEdge die Physik, die hinter geräuschreduzierenden Kopfhörern steckt: die Phaseninterferenz. Bei der destruktiven Interferenz treffen hohe oder tiefe Schallwellen auf entgegengesetzte Wellen und löschen sich gegenseitig aus. Versuche im Windkanal ergaben eine breitbandige Lärmreduktion von bis 4 dB über mehrere Einfallswinkel mit einer Spitzenreduktion von 7 dB. Feldversuche erfolgen in den nächsten Monaten.

Nicht nach dem Vorbild der Eule, aber mit grossem Potenzial für die Energiewende: Agile Wind Power aus der Schweiz setzt auf eine vertikale Windturbine (Bild 2). Die Technologie ist nicht neu, aber bisher gab es Probleme mit der Haltbarkeit und dem Wirkungsgrad. Bei der so genannten Vertikalachse sind die Rotorblätter senkrecht montiert und stehen immer richtig, egal aus welcher Richtung der Wind kommt. Bei einer Höhe von 105 m liefert die Vertikalwindkraftanlage eine Leistung von rund 750 kW – und ist dabei um 15 dB leiser als herkömmliche Windkraftanlagen.

Diese liefern bei eineinhalb- bis zweifacher Grösse rund viermal so viel Strom. Allerdings wirken grössere Kräfte auf die Rotoren, weshalb sie anfälliger für Windböen sind. Die vertikale Bauweise verringert viele Probleme herkömmlicher Windkraftanlagen – Lärm, Schattenwurf und Probleme für die Tierwelt – und kann aufgrund der Vorteile in der Nähe von Unternehmen, Gemeinden oder Industrieanlagen betrieben werden und eignet sich für die dezentrale Stromerzeugung in der Megawatt-Klasse.

Flugzeuge im Schwarm und andere Beispiele aus der Luftfahrt

Vögel passen ihre Flügel den jeweiligen Bedingungen an. Um den Luftwiderstand zu verringern, spreizen sie die Flügelspitzen. Diese Beobachtung wurde bereits erfolgreich in die Flugtechnik übertragen: Viele Flugzeuge verfügen heute über Winglets. Diese Flügelanbauten erzeugen an den Enden der Tragflächen viele kleine Luftwirbel, die den Luftwiderstand verringern und so helfen, Treibstoff zu sparen. Auch so genannte Spirodis, die den Schwungfedern von Vögeln nachempfunden sind, können den Widerstand an den Tragflächen verringern und bis zu 10 Prozent Treibstoff einsparen.

Flugzeuge im Schwarm? Im Projekt fello’fly untersucht Airbus die technische, betriebliche und kommerzielle Machbarkeit von zwei Flugzeugen, die auf einem Langstreckenflug dicht hintereinander fliegen, um CO₂–Emissionen und Treibstoffverbrauch zu reduzieren (Bild 3). Vorbild ist die V-Formation der Zugvögel. Der erste Demonstrationsflug fand im November 2021 statt. Zwei A350 flogen im Abstand von drei Kilometern vom französischen Toulouse ins kanadische Montreal. Möglich wurde das durch ein von Airbus entwickeltes Flugsteuerungssystem, das das nachfolgende Flugzeug sicher im Aufwind des vorausfliegenden Flugzeugs positioniert. Bei dem Testflug konnten sechs Tonnen CO₂ eingespart werden. Das bestätigt, dass auf Langstreckenflügen Treibstoffeinsparungen von mehr als fünf Prozent möglich sind.

Ein weiteres Vorbild in Sachen Aerodynamik ist der Hai. Bereits in den 1990er Jahren gab es erste Projekte, seine strömungsgünstige Haut für Flugzeugoberflächen zu adaptieren. Herausforderungen waren neben den hohen Kosten und den grossen Flächen auch die extremen Bedingungen in der Luftfahrt. Gemeinsam mit BASF Coatings gelang der Lufthansa Technik 2021 der Durchbruch: AeroSHARK ist eine Oberflächenbeschichtung, die der mikroskopischen Struktur von Haifischhaut nachempfunden ist. Sie besteht aus etwa 50 µm grossen Rippen, den sogenannten Riblets. AeroSHARK wird als Folie grossflächig auf die Flugzeugoberfläche geklebt (Bild 4). In der Luft übersteht sie Temperaturschwankungen von –60 bis 40 °C in weniger als 30 Minuten und löst sich auch bei einer Geschwindigkeit von 900 km/h nicht ab. Die Haifischhaut reduziert den Reibungswiderstand um mehr als ein Prozent.

Seit Oktober 2022 befördert SWISS bereits Passagiere mit der umgerüsteten Boeing 777-300ER. Seit Februar 2023 fliegt die weltweit erste mit der AeroSHARK-Oberflächentechnologie umgerüstete Boeing 777F im Liniendienst. Für die Flugzeuge der Lufthansa Cargo rechnet Lufthansa Technik mit einer Treibstoffersparnis von rund einem Prozent. Hochgerechnet auf die gesamte 777-Flotte der Lufthansa Cargo bedeutet das eine jährliche Einsparung von mehr als 4.000 Tonnen Kerosin und fast 13.000 Tonnen CO₂, was etwa 53 einzelnen Frachtflügen von Frankfurt nach Shanghai entspricht. (heh)

Referenz

[1] Lei Wang and Xiaomin Liu: Aeroacoustic investigation of asymmetric oblique trailing-edge serrations enlighted by owl wings; Physics of Fluids 34, 015113 (2022)

* Dr. Anna-Lena Gutberlet arbeitet als freiberufliche Autorin, unter anderem für die ELEKTRONIKPRAXIS. Hier betreut sie neben dem Schwerpunkt Elektronikfertigung aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft.

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