Wärme weist den Weg

Ursprünglich wollten die Materialwissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Holzforschung in Braunschweig Holzspanplatten auf Fehler prüfen. Schnell, kostengünstig und ohne die Platten zu zerstören. Sie machten sich ein einfaches physikalisches Prinzip zu Nutze: In fehlerlosem Material breitet sich Wärme gleichmäßig aus. Dort dagegen, wo Luftspalten und Löcher sind, stockt der Wärmefluss. Diese Unregelmäßigkeit lässt sich mit einer Thermokamera sichtbar machen. Die Methode war perfekt, nur fehlte der Markt dafür. Andere Verfahren funktionierten genauso gut oder sogar noch besser. Einen Abnehmer für ihr Verfahren fanden die Forscher dann aber doch noch: bei den Betreibern für Windkraftanlagen. Denn in den Flügeln von Windrotoren lassen sich Fehler nach demselben Prinzip auffinden wie in den Holzspanplatten.

"Das funktioniert so, dass wir die Rotorblätter ein wenig warm machen, das heißt wir heizen die Oberfläche um einige Grad Celsius auf. Die Wärme diffundiert dann in das Rotorblatt hinein, und das geht unterschiedlich schnell, je nachdem was sich unter der Oberfläche verbirgt","

erklärt der Physiker Jochen Aderhold. Wie bei den Holzspanplatten gilt: Dort, wo Luft im Material eingeschlossen ist, kann sich die Wärme nicht ungehindert ausbreiten. Die Oberfläche bleibt deshalb an diesen Stellen länger warm. Aderhold:

""Wir haben Temperaturunterschiede an der Oberfläche und die können wir mit einer Wärmebildkamera sichtbar machen."

Kühle Stellen erscheinen im Thermografiebild dunkel. Warme Stellen hell. Überall wo ein heller Fleck zu sehen ist, steckt wahrscheinlich ein Fehler im Material. Bisher werden Rotorblätter meist optisch auf äußere Deformationen geprüft. Fachleute können Brüche im Material außerdem durch Abklopfen oder mit Ultraschall erkennen. Die Hersteller werden in der Baugenehmigung für einen Windradtyp zur regelmäßigen Prüfung verpflichtet, allerdings ist die Methode nicht vorgeschrieben. Die neue Idee könnte die Prüfung sehr viel einfacher und zuverlässiger machen. Noch in der Werkshalle könnte man dann die Rotoren unkompliziert untersuchen – bevor sich Materialfehler überhaupt durch sichtbare Schäden bemerkbar machen. Ebenso ließen sich die Wärmetests zu Zwischenchecks im laufenden Betrieb einsetzen. Dann brauchen die Materialwissenschaftler technische Unterstützung, damit sie ihr Untersuchungsobjekt überhaupt erreichen können: sogenannte Hubsteiger. Aderhold:

"Das ist ein Kran, der einen in ungefähr 100 Meter Höhe bringen kann. So etwas ähnliches wie die Geräte mit denen die Stadtwerke ihre Laternen wartet, nur eben viel, viel größer. Wir können dann unsere Instrumente an dem Korb von diesem Hubsteiger montieren. Und dann mit der Mechanik des Hubsteigers am Rotorblatt entlangfahren und die Prüfung durchführen."

Die Außenschalen der Rotorflügel, die innen hohl sind, bestehen aus einer mehrere Zentimeter dicken Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Diese dünne Hülle muss dem ganzen Blatt ausreichend Stabilität geben. Deshalb können auch schon kleine Fehler in dieser Außenschale fatale Folgen haben. Die Belastungen unter Normalbetrieb sind enorm. Aderhold:

"Ein Rotor dreht sich ungefähr einmal pro Sekunde, und das am liebsten rund um die Uhr, und das 20 Jahre lang. Da haben Sie eine Anzahl von Lastzyklen, die es sonst nirgendwo in der Technik gibt."

Damit sie die Methode tatsächlich einsetzen können, wollen die Wissenschaftler sie zunächst noch standardisieren. Dazu bauen sie gezielt Fehler ins Material ein und gleichen sie mit den Wärmebildern ab. Ganz ohne menschlichen Sachverstand wird es wohl nie gehen. Jochen Aderhold:

"Die Rotorblätter sind so komplex, und es gibt so viele Bauvarianten, dass man vermutlich immer einen Menschen braucht, der auch die Bilder interpretieren kann."