Forscher entwickeln Rotorblätter, die sich je nach Wind verformen

Wechselnde Winde ermüden das Material: Kasseler Ingenieure erforschen, wie man den Wind optimal ausnutzen und zugleich die Belastung des Materials reduzieren kann. Dabei setzen sie auf kluge Rotorblätter, die sich selbst verformen. Archivfoto: dpa / Portätfoto: Rudolph

Kassel. Die Rotoren von Windrädern drehen sich zwar wie ein Propeller immer im Kreis – scheinbar gleichförmig. Doch bei ihren Runden sind die Rotorblätter je nach Position und je nach Windstärke ganz unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt.

Dadurch ermüdet das Material mit der Zeit, es können Risse entstehen. Das kann man zwar frühzeitig erkennen, sodass keine Gefahr durch herabfallende Bauteile zu befürchten ist. Doch der Verschleiß verursacht hohe Kosten.

An der Universität Kassel forschen Wissenschaftler, wie man die Lebensdauer von Windrädern, die derzeit bei etwa 20 Jahren liegt, verlängern kann. Gleichzeitig wollen sie durch den Einsatz „kluger Rotorblätter“ die Energieausbeute erhöhen. Ziel ist es, ein Rotorblatt zu entwickeln, das sich den veränderlichen Belastungen anpassen kann, erklärt Prof. Detlef Kuhl, Leiter des Fachgebiets Baumechanik und Baudynamik.

Auf ihrem Weg um die Nabe durchlaufen die Rotorblätter verschiedene Zonen, in denen unterschiedliche Windgeschwindigkeiten herrschen: Weit unten weht weniger Wind als am höchsten Punkt. Windräder haben inzwischen eine Nabenhöhe von bis zu 160 Metern und 60 Meter lange Rotorblätter. Die Spitze des Rotorblatts ragt also bis zu 220 Meter in die Höhe. Je höher hinaus es geht, desto größer wird aber der Unterschied der Windgeschwindigkeiten bei lauem Lüftchen und Sturm. Die Intensität der Belastung schwankt also stärker als bei den älteren Anlagen mit nur 50 Metern Nabenhöhe.

Detlef Kuhl

Bei klassischen Windmühlen kann man den Rotor schon jetzt nach der aktuellen Windrichtung ausrichten. Bei modernen Windenergieanlagen können auch die Rotorblätter verstellt werden, um sie je nach Windgeschwindigkeit in den günstigsten Winkel zu bringen. Weil die einzelnen Arme aber mehrere Tonnen wiegen, ist das sehr schwierig, erklärt Kuhl. „Durch die große Trägheit kann man in der kurzen Zeit eines Umlaufs keine Anpassungen vornehmen.“

Deshalb wollen die Forscher aktive Materialien („smart structures“) zum Einsatz bringen, die das Blatt selbst in seiner Form verändern können. Wenn sich die Windverhältnisse ändern, würde sich das Rotorblatt automatisch anpassen, sodass eine Überbelastung vermieden und dennoch die optimale Energieausbeute erreicht wird. Dafür sollen elektrische Einbauteile auf der Oberfläche die aktuelle Krafteinwirkung durch den Wind messen und dementsprechend Signale zur Formveränderung aussenden.

Dabei wird nicht das ganze Blatt eine andere Form bekommen. „In der Regel reicht es, die Hinterkante zu verändern“, erklärt Kuhl. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Flugzeug, wo zur Landung Klappen an den Flügeln ausgefahren werden.

Durch die klugen Rotorblätter könnte man laut Kuhl künftig schon bei geringen Windgeschwindigkeiten Energie gewinnen. Und man müsste die Windräder bei Sturm später abstellen, um sie vor Schäden zu bewahren.

Von Katja Rudolph

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