Gegen den Wind

Wer die Witterung am nördlichen Polarkreis übersteht, dem kann auch das Nord- und Ostseeklima nichts anhaben. Das hat sich ein Team aus der Materialwissenschaft gedacht, als es seinen robusten Lack für Windräder testete. Auf Island.

Vier Windkraftanlagen und ein Schiff in stürmischer See
© Ian Dyball/iStock

Die Beschichtung von Windkraftanalagen wird regelmäßig geprüft, Ausbesserungen können teuer werden – vor allem auf Offshore-Anlagen.

Nasse Winter, trockene Sommer, extreme Temperaturschwankungen, dazu die starken Winde einer Vulkaninsel voller Staubpartikel – für das Forschungsvorhaben aus der Kieler Materialwissenschaft gab es kaum einen geeigneteren Ort als Island. Doch daran dachte noch niemand, als das Team um Rainer Adelung, Professor für Funktionale Nanomaterialien, auf der Hannover Messe 2018 ein neues Beschichtungsmaterial vorstellte. Der umweltfreundliche, lösungsmittelfreie Schiffslack sollte die wartungsaufwendige Ansiedelung von Muscheln verhindern. Unter dem Stichwort »Antifouling« dürfte das Phänomen sowohl bei kleinen Seglern als auch bei Ozeandampfern gut bekannt sein.

Das Forschungsteam arbeitet auch an weiteren Anwendungsfeldern für das extrem glatte, widerstandsfähige Materialsystem – von medizinischen Gefäßimplantaten, auf denen sich keine Biofilme bilden, bis zur unempfindlichen Beschichtung für Windkraftanlagen. Letzteres kam genau richtig für den isländischen Windkraftanlagenbauer, mit dem das Team auf der internationalen Industriemesse ins Gespräch kam. »Die Rotorblätter von großen Windkraftanlagen sind permanent der Witterung ausgesetzt. Bei Drehgeschwindigkeiten von mehreren hundert Stundenkilometern können sie auf Dauer gar nicht anders, als zu verschleißen«, fasst Adelung das Problem zusammen. Wird ihre Oberfläche rau, dringt Feuchtigkeit ein. Gefriert diese, geraten die sorgfältig, oft in Handarbeit ausbalancierten Flügel ins Ungleichgewicht. »Die Rotorblätter fangen an zu ‚eiern‘ und können schließlich ganz abbrechen.«

Die Beschichtung von Windkraftanalagen muss also regelmäßig erneuert werden, auf Offshore-Anlagen unter Seeklima werden die Flügel spätestens alle zwei Jahre inspiziert. Eine Ausbesserung bedeutet hohe Kosten: Die Anlage steht nicht nur ein paar Tage still. Um die Rotorblätter neu zu streichen, müssen auch spezielle Industriekletterfachkräfte beauftragt werden. »Für das Schiff, das sie zur Anlage rausfährt, muss man rund 70.000 US-Dollar pro Tag einplanen. Und durch den Ausbau der erneuerbaren Energien wird die Nachfrage weiter steigen.«

Auf Island ist die Wartung viel kleinerer Anlagen aufgrund der extremen Witterung sogar nach etwa sechs Monaten fällig. Außerdem stehen die Anlagen dort häufig vereinzelt, zum Beispiel um entlegene Wetterstationen zu betreiben. »Je autarker diese Anlagen funktionieren und je seltener ein Wartungsteam ausrücken muss, umso besser«, sagt Adelung. Nach der Anfrage des isländischen Anlagenbauers auf der Messe entwickelten die Forschenden ihre Beschichtung weiter, gemeinsam mit der Phi-Stone AG, einer Ausgründung aus Rainer Adelungs Arbeitsgruppe. Mitarbeitende der Firma führten die Musterbeschichtungen auf einer Versuchsanlage in Island durch. Das Ergebnis nach 24 Monaten Testphase war eindeutig: »Im Gegensatz zu anderen Beschichtungen war unsere noch immer intakt. Der Kunde war zufrieden und plant, damit in Serie zu gehen«, bilanziert Andreas Roth, Vorstandsmitglied der Phi-Stone AG. »Und wir haben jetzt den Beweis, dass der Lack auch unter extremen Bedingungen standhält.«

Im Gegensatz zu kommerziell erhältlichen Angeboten zeigt sich das Lackkonzept aus Kiel fünfmal langlebiger. Der Grund dafür liegt auf der Nanoebene: Die Forschenden arbeiten mit zwei Kunststoffbestandteilen, die in Kombination zwar eine besonders glatte, widerstandsfähige Oberfläche versprechen, sich aber normalerweise kaum vermischen lassen. Der Trick: Das Team stellt eine besondere Form keramischer Mikropartikel her, das sogenannte tetrapodale Zinkoxid, und nutzt es als »Bindemittel«. »Man kann sich das als winzige Partikel mit je vier Ärmchen vorstellen. Zerreiben wir sie, entstehen interessante Bruchkanten, die besonders reaktiv sind«, erklärt Adelung. Sie reagieren dadurch mit anderen Materialien als die Seitenflächen der Arme.

Nach der positiven Erfahrung auf Island soll es in einem nächsten Schritt an die Beschichtung von Windkraftanlagen an der Nord- und Ostseeküste gehen. Roth: »Aber auch die ‚Nasen‘ von Hochgeschwindigkeitszügen sind denkbar – eigentlich alles, was starken Kräften und permanentem Abrieb ausgesetzt ist.«

Autorin: Julia Siekmann

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

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