Analysis of drag-reducing air-water interfaces: Identifying technical surfaces which are able to hold persistent air layers according to immersed biological objects

• Applicants: Professor Dr. Wilhelm Barthlott; Privatdozentin Dr. Anita Roth-Nebelsick
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2007 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 39399990

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Luft-Wasser-Grenzflächen (resp. -schichten), die an einer durchs Wasser gleitenden Festkörperoberfläche anhaften, entfalten möglicherweise widerstandsvermindernde Wirkung. Um praktisch verwendbar zu sein, müssen sie (mindestens) den Kriterien Existenz, Stabilität und Persistenz genügen. Da experimentelle Untersuchungen an derartig Luft haltenden biologischen und technischen Oberflächen experimentell aufwendig sind, sind auf grundsätzlichen physikalischen Gesetzen aufbauende und Vorhersagen erlaubende Modelle zwar attraktiv, führen jedoch auf eine zentrale nichtlineare, partielle Differentialgleichung, welche nur in Spezialfällen hoher Symmetrie lösber ist. Deshalb wurde das Problem indirekt angegangen, indem für bestimmte, an die Blattstruktur des Schwimmfarns Salvinia molesta angelehnte lufthaltende Oberflächen, Kriterien für Existenz, Stabilität und Persistenz entwickelt wurden, die auch dann schlüssige Ergebnisse liefern, wenn auf explizite Lösungen der zentralen Differentialgleichung nicht zurückgegriffen werden kann. Eine Ausdehung der erhaltenen Ergebnisse auf allgemeiner strukturierte Oberflächen scheint möglich, obwohl sich dabei mathematische Hürden auftun, die erst teilweise überwunden wurden. Eine solche Verallgemeinerung würde das ingenieurwissenschaftliche bzw. technische Anwendungsspektrum unseres Ansatzes erweitern. Zu denken ist dabei beispleisweise an eine reibungsmindernde Oberflächengestaltung von Schiffsrümpfen und ähnlichem.

Publications

• Applying methods from differential geometry to devise stable and persistent air layers attached to objects immersed in water. Journal of Bionic Engineering 6 (2009), 350–356
  Wilfried Konrad, Christian Apeltauer, Jörg Frauendiener, Wilhelm Barthlott, Anita Roth-Nebelsick
  
• The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrophilic Pins for Air Retention Under Water. Advanced Materials 22 (2010), 2325–2328
  Wilhelm Barthlott, Thomas Schimmel, Sabine Wiersch, Kerstin Koch, Martin Brede, Matthias Barczewski, Stefan Walheim, Aaron Weis, Anke Kaltenmaier, Alfred Leder, and Holger F. Bohn
  
• Eine praktische Anwendung von CMC-Flächen in der Bionik. Dissertation (2011)
  Christian Apeltauer