Minderung von Kavitationsschäden mittels mikrostrukturierter Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Dieter Ohl
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 580228313

Dieser gemeinsame Antrag von Prof. Claus-Dieter Ohl (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg) und Prof. Rok Petkovšek (Universität Ljubljana) zielt darauf ab, einen neuen fluidmechanischen Ansatz zur Minderung von Kavitationserosion durch mikrostrukturierte Oberflächen (MSS) zu etablieren. Kavitation – das schnelle Wachstum und Kollabieren von Dampfblasen in Flüssigkeiten – verursacht in hydraulischen Maschinen schwere Materialschäden. Aufbauend auf der Erkenntnis, dass die Selbstfokussierung von Stoßwellen beim toroidalen Blasenkollaps der Hauptmechanismus für Erosion ist, will das Projekt Oberflächentopografien entwickeln, die diesen Fokussierungsprozess gezielt stören und so Materialerosion unterdrücken. Das Konsortium vereint Expertise in Lasermikrobearbeitung, Hochgeschwindigkeitsdiagnostik und Kavitationsphysik. Drei Ziele definieren das Projekt: (1) Entwicklung einer femtosekundenlaserbasierten Oberflächenmodifikation von Metallen für definierte MSS-Geometrien; (2) Analyse der Kollapsdynamik einzelner Kavitationsblasen an MSS mittels Bildgebung, Druckdiagnostik und Simulationen; (3) Testen der optimierten MSS unter akustischen und hydrodynamischen Kavitationsbedingungen. Das Arbeitsprogramm umfasst vier Pakete: WP0 (Ljubljana) entwickelt MSS mit Laserstrukturierung. WP1 (Magdeburg/Ljubljana) untersucht den Einzelblasenkollaps nahe MSS mit Mehrfachbelichtung von Stoßwellen, extrem schnellen Hydrophonen und 2D bzw. 3D Simulationen. WP2 (Magdeburg) richtet einen Kavitationsströmungsstand für Erosionsstudien ein und untersucht die Erosionsminderung in der hydrodynamischen Kavitation. WP3 (Ljubljana) analysiert diesen Effekt für die akustische Kavitationsdynamik. Die Neuheit liegt in der Erosionsbekämpfung durch geometrische Beeinflussung der Blasendynamik anstatt auf eine Härtung des Materials zu setzen. Vorversuche zeigen hier eine bis zu 100-fache Erosionsreduktion auf strukturierten Glasoberflächen. Die Forschung wird Designprinzipien für kavitationsbeständige Metalloberflächen liefern. Geplante Ergebnisse sind hochrangige Publikationen, Open-Source-Tools und frei zugängliche Datensätze. Das Projekt wird eine grundlegend neue Strategie zur Minderung von Kavitationserosion durch das Zusammenspiel von Oberflächenengineering, Blasendynamik und hochauflösender Diagnostik ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Slowenien
• Partnerorganisation: Slovenian Research and Innovation Agency (ARIS)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rok Petkovsek