Auf einem Quadratzentimeter menschlicher Haut finden sich im Schnitt mehr als 300 Rezeptoren, winzige Sensoren, die rund um die Uhr wichtige Informationen über den Zustand unserer äußersten Hülle empfangen und weiterleiten – über ein weit verzweigtes Netzwerk bis ins Gehirn. Ein elektronisches Netzwerk, das sich dieses Nervensystem zum Vorbild genommen hat, soll nun künftig technische Strukturen schützen: Flugzeuge, Rohrleitungen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen.
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„Structural Health Monitoring (SHM)“ heißt das ehrgeizige Konzept, das die Fraunhofer-Forscher verfolgen. Sie versprechen sich davon mehr Sicherheit, Wartungstermine nach Bedarf und einen effizienteren Einsatz von Material und Energie.
Denn ausgeklügelte Systeme aus Sensoren, Aktoren und Signalverarbeitung spüren frühzeitig Risse, Rost und andere Verletzungen auf, um Schäden vor allem an kritischen Stellen, die schwer zugänglich sind, zu verhindern. Anders als bei konventionellen Prüfverfahren sind bei der strukturellen Zustandsüberwachung die Sensoren fest mit der Struktur verbunden und können diese ständig überwachen – auch während des alltäglichen Betriebs.
Mittels Ultraschall Verletzungen aufspüren
Mehrere Fraunhofer-Institute und verschiedene Industriepartner arbeiten derzeit unter anderem an einem SHM-System, das mittels Ultraschall Verletzungen in technischen Strukturen von Flugzeugen, Pipelines oder Windkraftanlagen aufspüren soll. Das Herzstück der verwendeten Sensoren besteht aus keramischen Piezo-Fasern, die mechanische Energie in elektrische Impulse umwandeln und umgekehrt.
Piezo-Elemente als Sender und Empfänger
Jedes Piezo-Element kann sowohl als Sender als auch als Empfänger eingesetzt werden. Es kann die Struktur zu Schwingungen anregen und Schwingungen der Struktur aufnehmen. Je nach Struktur breiten sich die Ultraschallwellen in bestimmten Mustern aus. Risse und andere Fehler verändern dieses Wellenmuster ähnlich wie ein Felsen im See die Wellen im Wasser. Bereits eine Gruppe von vier Piezo-Elementen reicht aus, um Fehler auf Zentimeter genau zu lokalisieren – Fehler, die oft nur wenige Millimeter groß sind.
Gezielt Fehler in den Strukturen zu erzeugen, an denen im Versuch die Fehlerentstehung nachgewiesen werden kann, ist Aufgabe des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.
Ergänzung zu bisherigen Checks
„Wir wollen mit unserem System die bisherigen Checks ergänzen“, sagt Bernhard Brunner vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg. Das ist allerdings nur der erste Schritt. Bewähren sich die SHM-Systeme, können sich die Forscher auch eine zustandsabhängige Wartung und Instandhaltung vorstellen: „Um Inspektionen und damit Zeit einzusparen“, ergänzt Brunners Projektpartner Bernd Frankenstein vom Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Dresden. Für ihn ist klar, dass SHM-Systeme konventionelle Prüfmethoden am Ende zumindest teilweise ablösen werden.
Ressourcen besser nutzen
Doch es gibt noch mehr Gründe, Strukturen das „Fühlen“ beizubringen. So können wertvolle Ressourcen – Werkstoffe oder Energie – besser genutzt werden. Besonders deutlich zeigt sich dies in der Luftfahrt, wo jedes gesparte Gramm im Flugzeug die Nutzlast erhöht und die Abgasmenge vermindert. Auch für mehr Sicherheit soll eine kontinuierliche Überwachung durch SHM-Systeme sorgen. Vor allem, wenn Anlagen nicht jederzeit zugänglich sind wie Off-Shore-Windkraft-Anlagen.
Das künstliche Nervensystem nimmt dabei eine doppelte Aufgabe wahr: Es überwacht die Struktur und liefert gleichzeitig Daten über das Geschehen in der Struktur während des laufenden Betriebs. Daten, die es so bisher kaum gab und die helfen, die nächsten Bauteil-Generationen zu optimieren.
Prototyp auf der Hannover-Messe
Auf der Hannover-Messe vom 21. bis 25. April 2008 stellen die Fraunhofer-Forscher erstmals einen Demonstrator für die Überwachung von Windkraftanlagen vor.
(idw – Fraunhofer-Gesellschaft, 09.04.2008 – DLO)
