Probleme sind da um gelöst zu werden

Nanostrukturierung gegen Eisbildung

NICE – Verminderung der Eisbildung durch Nanostrukturierung von Oberflächen mit einem Ultrakurzpulslaser

Gefördert durch den österreichischen Klima- und Energiefonds im Rahmen des Energieforschungsprogramm, 5. Ausschreibung 2018

Projektnummer:  871733

Projektdauer: April 2019 bis März 2023

Viele Standorte mit Vereisungsbedingungen weisen hervorragende Windverhältnisse auf und haben großes Potential für die Nutzung von Windenergie. Gemäß Task 19 der IEA Wind TCP waren im Jahr 2020 Windkraftanlagen (WKA) mit einer Gesamtleistung von 137 GW an vereisungsgefährdeten Standorten installiert. In Österreich sind praktisch alle bisher installierten WKA zumindest von moderaten Vereisungsbedingungen betroffen. Die Vereisung von Windkraftanlagen stellen jedoch eine Herausforderung für den sicheren Betrieb dar.
Die drei wesentlichen Aspekte sind:

  • Gefährdung von Personen im Nahbereich einer WKA durch fallende Eisstücke,
  • Verringerter Energieertrag durch schlechtere aerodynamischen Eigenschaften,
  • Starken mechanische Belastungen durch ungleichmäßige Eisverteilung (Unwucht).

Vor diesem Hintergrund werden Windkraftanlagen in der Regel abgeschaltet, sobald die Überwachungssysteme eine Vereisung der Rotorflächen erkennen. Die Betriebsbereitschaft der Anlage kann nun entweder durch natürliches Abtauen oder durch den Einsatz von energieintensiven Enteisungssystemen wiederhergestellt werden. In der Praxis werden hierfür Warmluftheizungen im Rotorblatt oder eine elektrische Widerstandsheizung an der Blattoberfläche genutzt. Andere Enteisungsverfahren wie mechanische Impulse mittels Vibratoren, Wirbelströme, Mikrowellen oder chemische Enteisung sind an Windkraftanlagen technisch kaum umsetzbar. Voruntersuchungen zeigen jedoch, dass hydrophobe Oberflächen ein Vereisen erschweren bzw. die Vereisungsdauer verringern können.

Mit dem Projekt NICE wird daher das Ziel verfolgt technische Oberflächen so zu verändern, dass sie eine geringe Haftung für Wasser, Schnee und Eis aufweisen und die spontane Bildung von Eis durch den Niederschlag unterkühlter Wassertropfen verhindern. Dazu werden auf technischen Oberflächenproben mit einem Ultrakurzpulslaser (UKPL) Nanostrukturen im sub-µm Bereich erzeugt und in einem ersten Schritt das Benetzungsverhalten analysiert. Begleitend dazu wird ein Simulationsmodell des Benetzungsverhaltens von Oberflächen in den sub-µm-Bereich erstellt, welches die Suche nach geeigneten Materialien und Nanostrukturen zukünftig erleichtern soll. Das Vereisungsverhalten der nanostrukturierten Proben wird in einem Klimawindkanal der technischen Universität Wien untersucht. In diesem werden definierte Bedingungen (Temperatur, Windgeschwindigkeit, Tröpfchengröße, etc.) eingestellt.

Die vielversprechendsten Proben werden zusammen mit Vergleichsproben in unterschiedlichen Feldversuchen an einem stark vereisungsgefährdeten Standort für Windkraftanlagen der Witterung ausgesetzt und das Vereisungsverhalten der Probenoberflächen qualitativ und quantitativ ausgewertet. Nach Abschluss der Feldversuche ermöglicht die Untersuchung der Nanostrukturen und ihrer Eigenschaften im Labor Aussagen über Veränderungen und Widerstandsfähigkeit der Nanostrukturen.

NICE Arbeitspakete

Arbeitspaket 1: Projektmanagement

  • Das Arbeitspaket umfasst die koordinierte Umsetzung der weiteren Arbeitspakete gewährleistet sowie des Weiteren Kostenkontrolle und Berichtslegung.

Arbeitspaket 2: Laser-Nanostrukturierung mit dem Ultrakurzpulslaser

  • Task 2.1: Aufbauend auf Vorarbeiten der TU Wien im Bereich der Laserstrukturierung werden hydrophobe Nanostrukturen auf unterschiedlichen Substratmaterialien erzeugt. Bei diesen Prozessen wird die Interaktionen zwischen Laser und Material direkt an der Oberfläche und in den darunterliegenden Grenzschichten untersucht, um die Prozessparameter und die daraus resultierenden Nanostrukturen zu verbessern.
  • Task 2.2: Die nanostrukturierten Proben werden systematisch analysiert. Dabei werden unter Anderem ihre hydrophoben Eigenschaften untersucht und charakterisiert. Weitere Schwerpunkte liegen auf der Untersuchung des Zusammenspiels der Laserbearbeitung mit den unterschiedlichen Werkstoffen und einer möglichen Optimierung der Strukturen bezüglich hydrophober Eigenschaften bzw. Eisanhaftung.
  • Task 2.3: Das Probenverhalten unter Vereisungsbedingungen wird auf Labormaßstab in einem Klimawindkanal mit ausgewählten Probenmaterialien und Nanostrukturen getestet. Damit wird ermittelt in welchem Ausmaß ein Zusammenhang zwischen den hydrophoben Eigenschaften der Oberflächen und einem Eiswachstum besteht.

Arbeitspaket 3: Simulation des Benetzungsverhaltens von Proben

  • Task 3.1: vorhandene Modelle für die Benetzung von Oberflächen durch Tröpfchen wird im Zuge der Probenherstellung zu einem Simulationsmodell für den sub-μm Bereich erweitert.
  • Task 3.2: Das Simulationsmodell aus Task 3.1 wird dahingehend adaptiert, um es zur Konzipierung hydrophober Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften zu nutzen. Auf diese Weise soll die Herstellungsprozesse von laserstrukturierten Flächen für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche verbessert werden.

Arbeitspaket 4: Feldversuche mit nanostrukturierten Proben

  • Task 4.1: Oberflächenproben werden in einem mehrjährigen Feldversuch auf einer fix installierten Halterung in exponierter Lage der Witterung ausgesetzt. Eine Kamera dokumentiert mit hochauflösenden Bildern die Vereisungs- und Abtauprozesse, während ein kapazitativer Eissensor die Vereisungsintensität misst. Zusätzlich werden meteorologische Daten wie Temperatur, Luftfeuchte oder Windrichtung aufgezeichnet.
  • Task 4.2: Das Verhalten der Oberflächenstrukturen unter praxisnahen Bedingungen wurde durch Applikation auf den Rotorblättern einer Kleinwindkraftanlage untersucht. Der Probenzustand wurde durch eine weitere hochauflösende Kamera aufgezeichnet. Ein weiterer Fokus lag auf der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit von Nanostrukturen.
  • Task 4.3: Anhand der Kamerabilder wird der Vereisungsgrad der einzelnen Proben qualitativ und quantitativ ausgewertet und die Vereisungsdauer bestimmt. Zusätzlich werden die Vereisungs- und Abtauprozesse mit den Messdaten für Temperatur, Luftfeuchte und Wind abgeglichen und im Detail ausgewertet.

Arbeitspaket 5: Verbreitung der Projektergebnisse

  • Die Ergebnisse des Projekts werden der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt und einem internationalen Fachpublikum präsentiert. Dem Forschungsthema entsprechend sind die Ergebnisse einerseits für den Bereich der Laserbearbeitung und Fertigungstechnik und andererseits natürlich insbesondere für die Windenergiebranche von Bedeutung. Die Verbreitung von Ergebnissen erfolgt daher zielgerichtet über Beiträge Fachtagungen und Konferenzen (z.B. AWES, Winterwind) und Publikationen in Fachmedien. Des Weiteren werden die Ergebnisse durch die Kooperation mit dem IEA Wind Task 19 Wind Energy einer internationalen Forschungsgemeinschaft zugänglich gemacht.

Murzin, S. P., Balyakin, V. B., Liedl, G., Melnikov, A. A., & Fürbacher, R. (2020). Improving Tribological Properties of Stainless Steel Surfaces by Femtosecond Laser Irradiation. Coatings, 10, 606. doi:10.3390/coatings10070606

Abstract: A possibility of improving tribological properties by femtosecond laser irradiation on an example of a steel surface by creating regularly arranged micro-grooved textures that contain self-organized microstructures  and  nano  laser-induced  periodic  surface  structures  (LIPSS)  was determined. The friction coefficient of the treated surface of a sample of cold-rolled 1.4301 stainless steel was evaluated using a CSM Instruments SA tribometer according to a Pin-on-disk test scheme at a specific pressure of 1 MPa. It was found that the coefficient of friction was reduced by 35% compared to the initial grinded surface. Such laser treatment can find application for using parts in conditions of dry or boundary friction, mainly in units, in which the use of lubricant is unacceptable or extremely undesirable.


Fuerbacher, R., Liedl, G., & Murzin, S. P. (2021). Experimental study of spatial frequency transition of laser induced periodic surface structures. Journal of Physics: Conference Series, 1745, 012017. doi:10.1088/1742-6596/1745/1/012017

Abstract: This study shows the influence of laser fluence and pulse number on the spatial frequency distribution of laser induced periodic surface structures (LIPSS) on a stainless steel surface. Also the transition of LIPSS to larger self-organized, periodic, cone-like structures has been investigated. The experiments were carried out using a Ti:Sapphire femtosecond laser system with 800 nm centre wavelength, a pulse duration of 30 fs and a repetition rate of 1 kHz. Experiments have been carried out on flat, cold-rolled stainless steel surfaces (1.4301) by variation of the laser output power and feed rate. It could be shown, that the transition of low spatial frequency LIPSS (LSFL) to high spatial frequency LIPSS (HSFL) is a continuous process, strongly depending on the laser single pulse fluence and the pulse number. At higher accumulated fluences the transition of LIPSS to larger self-organized structures could be observed. As a result, hierarchical structures were created with micrometer-sized cones at the bottom and nanometer-sized LIPSS on top. By further increasing the accumulated fluence, the grooves between the micro structures are widend until the ablation threshold of the alloy is reached. These hierarchical structures could be of considerable value in improving wetting properties of technical surfaces.


Fürbacher, R., & Liedl, G. (2021). Investigations on the wetting and deicing behavior of laser treated hydrophobic steel surfaces. In U. Klotzbach, R. Kling, & A. Watanabe (Hrsg.), Laser-based Micro- and Nanoprocessing XV (S. 39). SPIE. doi:10.1117/12.2578138

Abstract: Biomimetic technical surfaces are very interesting for a wide field of possible applications in material science and engineering. For example, changing the wetting and deicing properties of components used in cold environmental conditions can help to reduce ice or snow aggregation, and thereby improve functionality and operational stability. In this study we investigate the correlation between wetting and deicing behavior of micro- and nanostructured stainless steel samples (1.4301). The samples were modified using a Ti:Sapphire femtosecond laser system with 800 nm central wavelength, a pulse duration of 30 fs and a repetition rate of 1 kHz. We generated two fundamentally different types of hydrophobic and superhydrophobic structures by varying the laser fluence and the number of applied pulses, thereby creating hierarchical structures in the micrometer regime and laser induced periodic surface structures (LIPSS) in the nanometer regime. The static water contact angle has been measured to quantify wetting properties of laser treated samples. To determine the ice adhesion shear stresses at the ice/steel-interface, cuvette encased ice columns were frozen onto the structured samples and sheared off by a push rod, while recording the forces. Several icing/deicing cycles have been carried out to investigate a possible decline in wetting behavior due to wear or other mechanisms. We could show, that surfaces with hierarchical microstructures and superhydrophobic wetting behavior will lose its ability to repel the applied water while freezing. Larger structures with higher surface roughness lead to increased ice adhesion shear stresses compared to the initial unstructured surface. LIPSS on the other hand might be not as hydrophobic, but showed lower ice adhesion in the range of the reference sample.


Fürbacher, R., Liedl, G., Otto, A. (2022). Fast transition from hydrophilic to superhydrophobic, icephobic properties of stainless steel samples after femtosecond laser processing and exposure to hydrocarbons. Pocedia CIRP.

Abstract: Femtosecond laser processing is a key technology for surface modification and can be used to trigger superhydrophobic behavior through a combination of topographical and chemical effects. Nevertheless, immediately after laser processing, steel samples appear superhydrophilic and evolve into a hydrophobic state over a period of several days to weeks. To reduce the wetting transformation time down to hours, the sample can be stored in a vacuum chamber. In the chamber, the absence of atmosphere and thereby water vapor leads to an increased adsorption of hydrocarbons by the surface. In this study, we investigate an alternative and less demanding approach for shortening the wetting transformation time significantly by exposing the laser treated samples to a hydrocarbon liquid/atmosphere. This not only leads to a faster transformation, but also to an improved deicing performance. Both effects are analyzed for various hydrocarbon liquids and different laser patterns with respect to the surface chemistry.


Rittinghaus, C., Höher, M., Fürbacher, R. (2023). NICE – Reduction of ice formation by nanostructuring of surfaces with an ultrashort pulse laser. Conference paper and presentation Winterwind 2023, Åre.

Webpage Winterwind:
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