Bundesfinale Jugend Innovativ 2018

Vereisungsverhalten von Werkstoffoberflächen
Diplomprojekt der Abteilung Wirtschaftsingenieur / Techn. Management
5 AHWIT: Tobias Hinterberger (Projektleitung), Tobias Böhm, Oliver Jakisch, Florian Kellner, Michael Schier
Betreuung: Christian Spanner, Uwe Langer, Florian Woisetschläger
 
Die Vereisung von Oberflächen wird in Zeiten des Klimawandels und immer heftigeren Wetterphänomen zum Problem für Mensch und Maschine.
Im Zuge der diesjährigen Diplomarbeit haben sich die Schüler des 5. Jahrganges gemeinsam mit den Projektpartnern der Technischen Universität Wien (TU Wien) und der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) das Ziel gesetzt, nanostrukturierte Werkstoffoberflächen auf ihre hydrophoben und eisabweisenden Eigenschaften zu untersuchen. Ausgangspunkt war dabei die nanostrukturierte Oberfläche eines Lotus-Blattes, welches besonders wasser- und schmutzabweisende Eigenschaften aufweist. Ziel war es daher, die Struktur auf metallischen Oberflächen nachzubilden. Am Institut für Hochleistungslaser-Technik der TU Wien wurden verschiedene Metalle, wie zB. Edelstahl, mit einem Ultrakurzpuls-Laser bearbeitet. Dabei werden im Femptosekundenbereich (10-15s) gepulste Laserstrahlen auf die Oberflächen gesendet und damit nanostrukturierte Oberflächen erzeugt.
 
Die Analyse der Oberflächenstrukturen erfolgte mittels eines Raster-Elektronenmikroskops in den Laboratorien der Versuchsanstalt an der HTL Spengergasse. Es konnten sogenannte Nano-Rippels, ähnlich dem Lotusphänomen, als eines der Ergebnisse der Diplomarbeit tatsächlich nachgewiesen werden. Um die hydrophoben Eigenschaften genauer zu beurteilen wurden am TGM Kontaktwinkelmessungen durchgeführt, welche die hohe Hydrophobizität bestätigten.
 
Abb. 1: Nanostruktur einer Edelstahlprobe bei 5000-facher Vergrößerung (REM-Aufnahme)
 
Um den Praxisbezug bezüglich dem Vereisungsverhalten herzustellen wurden sechs Werkstoffproben auf dem Sonnblick Observatorium der ZAMG in einer Seehöhe von 3106m angebracht und Temperaturen bis zur -32°C ausgesetzt. Die Proben sind dort vom 22.02.2018 bis 11.03.2018 unter realen Bedingungen getestet worden. Neben täglichen Vereisungsaufzeichnungen konnten auf Basis der Messdaten Trends zum Vereisungsverhalten abgeleitet werden. Aus der nachfolgenden Abbildung ist zu erkennen, dass die jeweils oberen der 6 Proben nanostrukturiert sind und weniger bzw. kaum vereisen.
 
Abb. 2: Metallproben am Sonnblick
 
Der praktische Versuch hat die Hypothese, dass nanostrukturierte Oberflächen nicht vereisen, zwar nicht zur Gänze bestätigt, jedoch haben die Ergebnisse klar gezeigt, dass die Werkstoffoberflächen, welche mit einer Nanostruktur ausgestattet sind, weniger stark und vor allem später vereisen als die Vergleichsproben ohne Nanostruktur. Durchschnittlich hat sich auf den Proben mit besonderen Eigenschaften erst mehrere Stunden später eine Eisschicht gebildet.
 
In naher Zukunft können eventuell nanostrukturierte Oberflächen heute verwendete Vereisungspräventionsmethoden und Enteisungsmethoden überflüssig machen. Somit können Enteisungskosten gespart werden und die Auswirkungen auf die Umwelt, durch den reduzierten Einsatz von Enteisungschemikalien, gesenkt werden.
 
Das Diplomprojekt hat beim Wettbewerb „Jugend Innovativ“ in der Kategorie „Science“ und der Subkategorie „Bionik“ teilgenommen. Aufgrund des Jury-Entscheides, in dem ein hoher Innovationsgrad attestiert wurde, ist das Projekt in das österreichische Bundesfinale aufgestiegen. Die Preisverleihung findet Ende Mai in Wien statt und möglicherweise wird es auch eine gute Platzierung erreichen.
 
Abb. 3: Halbfinale Jugend Innovativ
 
Besonderer Dank gebührt den Projektpartnern, der TU Wien, der ZAMG, dem TGM und der Versuchsanstalt an der HTL Spengergasse, die mit ihrem Mitwirken und den zur Verfügung gestellten Mitteln ganz besonders zum Erfolg des Projektes beigetragen haben.

 

Höhere technische Bundeslehr- und Versuchsanstalt für Textilindustrie und Informatik, Spengergasse 20, 1050 Wien      Tel.: +43 1 546 15 - 0       Mail: manager@spengergasse.at