Top-Design für Flugzeuge und Windräder: leise und effizient wie eine Eule
Amerikanische Ingenieurinnen und Ingenieure haben versucht, die Strömungsbedingungen an Tragflächen und Hinterkanten von Windrädern zu verbessern und dafür ein ausgezeichnetes Vorbild gefunden. Das Ergebnis ist vor allem eines: leiser.
Die großen Eulenarten haben eine enorme Spannweite und fliegen trotzdem lautlos. Dem eifern Forschende nach.
Foto: Wang and Liu
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stecken viel Arbeit in Erkenntnisse und die Entwicklung von Innovationen. Dabei hängen sie im Grunde genommen immer hinterher. Denn die Natur ist die beste Ingenieurin, die es gibt. Kein Wunder, dass sie den Menschen immer wieder als Vorbild dient. Genau diesen Weg sind auch Forschende am American Institute of Physics gegangen. Sie haben nach einer Möglichkeit gesucht, Lärm zu reduzieren, der unter anderem durch Flugzeuge und Windräder entsteht – und sie sind fündig geworden.
Die Geräusche von Windrädern werden immer problematischer
Fluglärm ist die vorherrschende Schallquelle von Flugzeugtriebwerken und Turbinen. Vor allem über bebauten Gebieten ist es ein wichtiges Anliegen, diesen Lärm zu verringern. Ähnlich sieht es in der Nähe von Windkraftanlagen aus. Die Zahl der Windräder wird in den nächsten Jahren immer weiter zunehmen, da sie derzeit eine entscheidende Komponente für das Gelingen der Energiewende sind. Das heißt, auch die Geräusche, die ihre Rotoren verursachen, nehmen in der Masse zu. Besonders in der Nähe von Siedlungen ist es daher wichtig, sie leiser zu gestalten.
Für ihre Arbeit haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Flugkünstler näher untersucht, die als Meister der geräuschlosen Jagd gelten: „Nachtaktive Eulen erzeugen aufgrund ihrer einzigartigen Flügelkonfiguration etwa 18 Dezibel weniger Lärm als andere Vögel bei ähnlichen Fluggeschwindigkeiten“, sagt Xiaomin Liu, Leiter des Projekts „Physics of Fluids“. „Außerdem ändert sich die Form der Flügel ständig, wenn die Eule Beute fängt, sodass die Untersuchung der Flügelkantenkonfiguration während des Eulenflugs von großer Bedeutung ist.“
Gezackte Hinterkanten reduzieren den Lärm nicht immer in gleicher Form
Die lauten Geräusche, beispielsweise an der Hinterkante einer Tragfläche, entstehen, wenn die Luftströmung an der Rückseite vorbeizieht. Die Strömung bildet dabei, vereinfacht gesagt, eine turbulente Luftschicht entlang der Ober- und Unterseite des Profils. Sobald diese Luftschicht durch die Hinterkante zurückströmt, verteilt sie den Lärm. In früheren Studien haben Forschende bereits gezackte Hinterkanten getestet, um die Luftströmung zu verändern. Tatsächlich konnten sie auf diese Weise den Krach reduzieren, den rotierende Maschinen oder Bauteile produzieren. Allerdings hingen die Ergebnisse enorm von der jeweiligen Anwendung ab. Es war also keineswegs so, dass der Lärm immer in gleicher Weise abnahm.
„Gegenwärtig ist die Konstruktion von Schaufeln für rotierende Turbomaschinen allmählich ausgereift, aber die Technologie zur Geräuschreduzierung ist nach wie vor ein Flaschenhals“, sagt Liu. Sie muss also ebenfalls voranschreiten, damit unter anderem Windräder verträglicher für Mensch und Umwelt werden. „Die Geräuschminderungsmöglichkeiten herkömmlicher Sägezahnstrukturen sind begrenzt, und es müssen neue, nicht-glatte Hinterkantenstrukturen vorgeschlagen und entwickelt werden, um das Potenzial der bionischen Geräuschminderung weiter auszuschöpfen.“
Ein wichtiger Schritt für weniger Lärm durch Windräder?
Die Forschenden haben also zunächst die Anatomie und ausgefeilte Technik der Eulen genau analysiert. Im nächsten Schritt setzten sie eine komplexe Software ein, um zu simulieren, wie viel Lärm Tragflächen verursachen würden, die an das Prinzip von Eulenflügeln angelehnt sind. Dabei stellten sie fest, dass asymmetrisch reduzierte Zacken Geräusche stärker verringerten als eine symmetrische Struktur. Sie verbesserten die Strömungsbedingungen an der Hinterkante. In der Folge reduzierten schon diese einfachen Veränderungen den Lärm.
Allerdings hat sich auch bei diesem Projekt herausgestellt, dass es von den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängt, in welchem Maß der Krach abnimmt. Für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist daher klar, dass weitere Forschungen notwendig sind. Gerade bei Windrädern seien die Anströmungsbedingungen sehr komplex. Ziel des Teams ist, eine Technologie zu entwickeln, die den Lärm auf eine universelle Weise besser in den Griff bekommt, damit sie bei verschiedenen Anströmungen greift. Sie sind davon überzeugt, dass ihre Arbeit als wichtiger Leitfaden für die Konstruktion von Schaufeln und die Lärmbekämpfung dienen wird.
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