Weniger Treibstoffverbrauch in der Großschifffahrt durch optimierte Oberflächen

Bereits zum zweiten Mal konnte das Bionik-Innovations-Centrum (B-I-C) der Hochschule Bremen beim Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchstleitungsrechnung (HLRN) ein umfangreiches Rechenkontingent einwerben. Das bewilligte Kontingent umfasst die Nutzung von 2,3 Million NPL (Leistungseinheiten), die einem Wert von 600.000 Euro entsprechen und die bisherige NPL-Zuteilung nochmals deutlich übertreffen. Die neuerliche markante Steigerung der damit am B-I-C verfügbaren Computerleistung ermöglicht die numerische Simulation komplexer strömungstechnischer Phänomene im Grenzschichtbereich zwischen einer Objektoberfläche und den sie umströmenden Fluiden.

Die Untersuchungen erfolgen im Rahmen des EU-geförderten Projekts AIRCOAT („AIR Induced friction Reducing ship COATing“). Neben der Hochschule Bremen wollen neun weitere internationale Partner aus Industrie und Wissenschaft den Treibstoffverbrauch der Großschifffahrt reduzieren. Ansatz ist eine bionische Oberflächenmodifikation zur Reduzierung des Reibungswiderstandes nach dem biologischen Vorbild des Schwimmfarns Salvinia molesta. Dieser ist durch eine Mikrostruktur auf der Blattoberfläche in der Lage, eine Luftschicht unter Wasser zu binden und somit die Kontaktfläche zum Wasser deutlich zu reduzieren. Hierdurch kommt es zur besagten Widerstandsreduktion.

Vor einer erfolgreichen technischen Übertragung gilt es jedoch die komplexen Vorbilder auf das aktuell technologisch Machbare zu reduzieren. Im Original wird das Phänomen der Luft-Anhaftung durch eine äußerst komplexe Oberflächenstrukturierung ermöglicht. Eine Eins-zu-Eins-Übertragung vom Vorbild zum Schiffrumpf ist daher nicht möglich. Im Rahmen des Forschungsprojektes gilt es, die relevanten Einflussfaktoren zu identifizieren und auf geeignete Art und Weise zu übersetzen. Hier stoßen sowohl experimentelle als auch numerische Ansätze schnell an die Grenzen des Machbaren.

Zumindest diese numerischen Ansätze erreichen durch die Nutzungsgenehmigung des HLRN nun massive Unterstützung. „Mit der zusätzlichen Rechenleistung können wir noch detailgetreuer die Strömungsvorgänge an der Oberfläche numerisch nachbilden“, freut sich Christoph Wilms, wissenschaftliche Mitarbeiter im AIRCOAT-Projekt. Prof. Dr. Albert Baars, Projekt-Leiter am B-I-C, ergänzt: „Ohne die Zugriffoptionen auf die Höchstleitungsrechner des HLRN wäre an eine seriöse Abbildung der sowohl strukturell wie fluidmechanisch herausfordernden Aspekte überhaupt nicht zu denken. Wir erwarten aus den Simulationen tiefgreifend neue Einsichten in Fluid-Struktur-Wechsel-Wirkungen im Allgemeinen wie insbesondere für die AIRCOAT-Ziele.“ Prof. Dr. Antonia Kesel, Co-Projektleitung, ergänzt: „Durch die Aufstockung der Rechenleistung haben wir hier nun die Chance, wirklich substanzielle Beiträge zur Entwicklung geeigneter Oberflächenstrukturen zu leisten. Das kann nicht hoch genug bewertet werden, denn der ökonomische Profit durch Reduktion der Treibstoffkosten lässt sich direkt in einen ökologischen überführen: reduzierter Treibstoffverbrauch resultiert in reduzierter Emission von CO2, Stick- und Schwefeloxiden und zahlt damit direkt auf den Klimaschutz ein.“