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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

Giftfreies Antifouling nach biologischem Vorbild

Kurzdarstellung des Projektes

Der Bewuchs von Schiffswänden, Seetonnen, Offshore-Plattformen und anderen Unterwasserkörpern stellt für die marine Industrie und Schifffahrt seit jeher einen erheblichen Störfaktor dar. Der organische Aufwuchs besteht in unseren Breiten vor allem aus Seepocken, Miesmuscheln und Algen.

Wie alle ins Meerwasser ausgebrachten Objekte (Bild 1 & 2) kann ein Bootskörper oder eine Schiffsschraube innerhalb weniger Monate vollständig mit so genannten Bio-Foulern bewachsen. Der Wasserwiderstand eines vollständig bewachsenen Rumpfes erhöht sich dabei immens und mit ihm die Treibstoffkosten, woraus markante ökonomische wie ökologische Impacts resultieren.


Bild 1: Bewuchsbeispiel Seetonne: Auch Fahrwasser-Markierungstonnen werden als Siedlungsfläche bewachsen, links: Tonnenausschnitt nach der Lackierung bzw. vor der Ausbringung, rechts: Gleiches Areal nach 6-wöchiger Exposition in der Außenweser.


Bild 2: Testbeschichtungen unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. Wirksamkeit nach mehrwöchiger Exposition im Hafenbecken bei Meldorf.

Der tägliche Treibstoffbedarf eines durchschnittlichen Containerschiffes der Panamax-Klasse (Länge: ca. 300 Meter, Breite: ca. 30 Meter, Zuladung: bis zu 5.000 TEU) beträgt ca. 180 t. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Ifo 380 (= intermediate fuel oil), dessen aktueller Marktpreis (Rotterdam, Juli 2009) bei ca. 350 US$ pro Tonne liegt. Daraus errechnet sich ein Betrag von 63.000 $ pro Tag - mit erkennbar steigender Tendenz. Auch die ökologische Bilanz ist hierdurch erkennbar betroffen. Insbesondere, da explizit Schiffsdieselkraftstoffe (Bunckeroil) mit durchschnittlich 2,7 % (= 27.000 ppm) einen extrem hohen Schwefelgehalt aufweisen (zum Vergleich: PKW-Diesel: < 10 ppm).

 

Durch eine adäquate Oberflächenstrukturierung des Schiffsrumpfes ließen sich widerstandsreduzierende Grenzschichteffekte induzieren und somit Betriebskosten wie Umwelteinflüsse merklich senken. Da jedoch jedes ins Meerwasser ausgebrachte Objekt binnen kürzester Zeit durch die unterschiedlichsten Organismen besiedelt wird, werden nicht nur die begünstigenden Grenzschichteffekte verhindert. Bereits eine Besiedlungsschicht von wenigen Zehntel Millimetern erhöht den Reibungswiderstand dramatisch und verursacht energetische Zusatzkosten von bis zu 30%.

 

Waren bis dato TBT-haltige Schiffsanstriche die Methode der Wahl, um den Bewuchs zu verhindern, so sind diese wegen ihrer hohen unspezifischen Toxizität seit 2003 verboten. Prinzipiell ist erkennbar, dass chemisch wirksame Schutzanstriche, die auf der kontrollierten Freisetzung biozider Substanzen, wie z.B. TBT, Kupfer oder organischer Wirkstoffe basieren, zunehmend von neuartigen Forschungsansätzen abgelöst werden.

Da das Risiko von Langzeitfolgen bzw. -schäden chemischer Bewuchsschutzmethoden in der Vergangenheit nur schwer abgeschätzt werden konnte, bemüht man sich heute um die Entwicklung ökologisch verträglicher Antifoulingtechniken, sogenannter „non-toxic“ Antifoulings. Die am B-I-C entwickelte Oberflächenbeschichtung eröffnet nun erstmals eine toxidfreie Alternative. Als Modellorganismus diente hierbei der Hai bzw. dessen Haut, die bereits in den 80zigern des letzten Jahrhunderts hinsichtlich ihrer positiven Widerstandsbeeinflussung analysiert wurde.

Im Rahmen der am B-I-C durchgeführten Forschungsansätze konnte zudem die Antifouling-Wirkung aufgezeigt werden. Weiterhin gelang es, die hierzu notwendigen Parameter zu identifizieren und in eine Rezeptur zur Behandlung von Oberflächen zu übertragen (vgl. Europäische Patentanmeldung "Antifouling Coating" EP 06 018 001.5). Erste Produkte hierzu sind auf dem Markt erhältlich und werden von der Fa. VOSSCHEMIE vertreiben (Bild 3).

Bild 3: Erstes Produkt des giftfreien Antifoulinganstrichs nach Vorbild der Haihaut (Vertrieb: FA. VOSSCHEMIE).

Projektziele

Die aktuellen Entwicklungsschritte fokussieren die Anwendbarkeit im großtechnischen Maßstab. Dazu muss das bestehende Produkt in seinen Eigenschaften adäquat eingestellt werden, ohne dabei seine Funktionsfähigkeit im Bereich des Antifoulings zu verlieren.

Darüber hinaus liegt das weitere Entwicklungspotenzial erkennbar in der Integration einer weiteren Funktion: die Senkung der energetischen Transportkosten durch geeignete, strömungsmechanisch relevante Oberflächenstrukturierung nach biologischem Vorbild. Dabei erweisen sich strukturbedingte Grenzschichtbeeinflussungen nur dann als sinnvoll, wenn es gelingt den organischen Unterwasserbewuchs zu verhindern. Das Funktionsprinzip der zu entwickelnden Oberflächenbehandlung beruht auf der adäquaten Einstellung mehrerer Oberflächenparameter. Bis dato schlossen diese eine positive Beeinflussung der Grenzschicht und somit eine Widerstandsreduktion (= Reduktion des Energieverbrauchs) nicht ein. Das Eröffnen dieser Option ist Gegenstand weiterführender Projekte.

Weiterhin ist eine Ausweitung des Anwendungsspektrums über die Entwicklung von Funktionsoberflächen für Unterwasserobjekte wie Schiffsrümpfe, Hafenanlagen etc. hinaus vorgesehen. So finden sich etwa Kraftwerksbetreiber ebenfalls vor das Problem der organischen Kontaminierung bis hin zum Totalverschluss der Rohrleitungs- und Kühlsysteme gestellt. Auch hier offerieren Bewuchsverminderung wie Grenzschichtbeeinflussung enorme Energieeinsparungen sowie Reduktion der Standzeiten.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Ralph Liedert, Antje Clasen, Katrin Mühlenbruch, René Sonntag

Finanzierung
    - Bundesministerium für Forschung und Bildung BMBF
    - Hochschule Bremen

Kooperationspartner
    - Meldorfer Segelverein MSV, Meldorf
    - VOSSCHEMIE GmbH, Uetersen

Veröffentlichungen

  • Liedert, R.; Kesel, A.B. (2005): AFM imaging of barnacle cement nanostructure in artificial seawater. In: SEB 2005 Abstracts. CBP Part A, Volume 141, Issue 3, Suppl. 1, p. S152.
  • Kesel, A.B.; Liedert, R. (2006a): Antifouling nach biologischem Vorbild. Abschlussbericht zum BMBF-Wettbewerb "Bionik - Innovationen aus der Natur" (erhältlich über die TIB Hannover).
  • Liedert, R.; Kesel, A.B. (2006b): AFM imaging of barnacle cement nanostructure in artificial seawater. Posterpräsentation, BMNIT 2006 - Bio Meets Nano and IT, Oulu Finland.
  • Liedert, R.; Kesel, A.B. (2007): Giftfreies Antifouling nach biologischem Vorbild. In: "Bionik: Patente aus der Natur" (eds. Kesel A.B., Zehren D.), Bionik-Innovations-Centrum, Bremen, p. 99-106.
  • Kesel, A.B.; Liedert, R. (2007): Learning from nature: non-toxic biofouling control by shark skin effect. In: SEB 2007 Abstracts. CBP Part A, Volume 146, Issue 4, Suppl. 1, p. S130.
  • Hochschule Bremen (2007): Europäische Patentanmeldung "Antifouling Coating" EP 06 018 001.5.

Präsentationen auf nationalen und internationalen Veranstaltungen seit 2007 (Auszug)

2007/2008/2009
    - Gemeinschaftsstand Bionik, Exponate und Vorträge auf der Hannover Messe
2007
    - Vortrag "Bionik für maritime Wirtschaft", Warnemünde
    - Infostand, Exponate und Vorträge "Inspiration Natur

    - Patentwerkstatt Bionik" - Ausstellung DBU
    - Infostand, Exponate und Vorträge "Woche der Umwelt", Schloss Bellevue Berlin
    - Exponate und Vorträge auf der HanseLife, Messe Bremen
    - Vortrag "Society Experimental Biology" (Jahrestagung), Glasgow, UK
    - Vortrag "Marine Bionik" - BIOSPHERE AG, Wilhelmshafen
2008
    - Infostand, Exponate und Vorträge "Bionik Wirtschaftsforum" Osnabrück
    - Messestand des Kooperationspartners VOSSCHEMIE auf der Hanseboot Hamburg
    - Exponate und Vorträge "Prototypen" - Ausstellung Stiftung Brandenburger Tor Berlin
    - Kongressveranstaltung "Bionik-Patente aus der Natur" Hochschule Bremen
    - Exponate "Beluga Shipping - Innovation auf See" - Ausstellung Übersee-Museum Bremen
    - Vortrag "Deutscher Verband für Materialforschung und  -prüfung" (DVM- Jahrestagung), Berlin
2008/2009
    - Messestand des Kooperationspartners VOSSCHEMIE auf der BOATFIT Bremen
2009
    - Messestand des Kooperationspartners VOSSCHEMIE auf der BOOT Düsseldorf
    - Infostand, Exponate auf der ECOGERMA 2009 - Sao Paulo, Brasilien
    - Infostand auf der Eurolite 2009 - Salzburg, Österreich
    - Vortrag WING-Nano-Konferenz: "Rohstoff" für Innovation (BMBF), Ulm
    - Vortrag "Innovations- und Technologiemanagement 2009" (Fraunhofer IAO), Stuttgart

Website Antifouling-Farbe nach biologischem Vorbild: http://www.haifischhaut.de

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