Walflossen als Vorbild für effizientere Windräder

Die wahren Meister der Strömungsmechanik finden sich nicht an Hochschulen, sondern in den Weiten der Ozeane.

Cambridge (USA) - Dort lenken sich die bis zu 30 Tonnen schweren Buckelwale - Megaptera novaeangliae - mit ihren Brustflossen elegant und überraschend wendig durch die Fluten. Verantwortlich ist das perfekte Strömungsverhalten des Wassers entlang ihrer Körper. Forscher der Harvard University in Cambridge entschlüsselten nun das Geheimnis dieser Manövrierfähigkeit en détail und halten damit effizientere Windräder und wendigere U-Boote und Düsenjets für möglich.

"Die Gewandtheit der Buckelwale beruht auf holprigen Knötchen auf der Vorderkante ihrer Brustflossen", erklären Ernst A. van Nierop und seine Kollegen in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters". Dieser Effekt konnte bereits vor wenigen Jahren in Windtunnelversuchen auch für Luftströmungen bestätigt werden, mit künstlichen Flossen nach dem Buckelwal-Vorbild. Nun legen die Forscher mit einer schlüssigen mathematischen Theorie nach. Auf dieser Grundlage lässt sich das hervorragende Strömungsverhalten leichter auf technische Produkte wie die Rotorflügel von Windrädern und Tragflächen und Steuerruder von Flugzeugen und Schiffen übertragen.

Die aktuelle Studie zeigt nun, dass die winzigen Erhebungen auf den Buckelwalflossen effizient einen unerwünschten Abriss der Wasserströmung verhindern. Möglich wird dies, weil durch jedes Knötchen die Verteilung des wirksamen Wasserdrucks verändert wird. Selbst bei Anstellwinkeln von über 40 Grad reißt die Strömung nicht abrupt ab. Übertragen auf die Luftströmungen an Flugzeugflügeln und Windradrotoren lässt sich mit kleinen Erhebungen der angeströmten Flächen ebenfalls der Anstellwinkel erhöhen. Das erweitert den Einsatzbereich, verringert den Luftwiderstand fast um ein Drittel und verbessert den Auftrieb um bis zu acht Prozent. Das Ergebnis: Größere Wendigkeit und geringerer Kraftstoffverbrauch bei U-Booten oder Hubschraubern einerseits und eine größere Stromausbeute bei Windrädern andererseits.

Wie die amerikanische Zeitschrift "Technology Review" berichtet, gründetet die Harvard-Forscher bereits das Start-Up WhalePower. Erste Prototypen für Rotorblätter von Windkraftanlagen zeigten bereits ein viel versprechendes Strömungsverhalten. Doch als erste Anwendung könnte ein Lüfter die Buckelwal-Technik nutzen, der sich um 20 Prozent effizienter dreht. In Zusammenarbeit mit einem kanadischen Lüfterhersteller sollen erste Produkte bereits im April dieses Jahres auf den Markt kommen.