Mit den zwei profilierte Latten aus laminierten Fichtenholz, die beim ersten motorisierten Flug der Gebrüder Wright vor 120 Jahre für Vorschub sorgten, hat das Design der Toroidal-Propeller nun wirklich nicht mehr viel zu tun: Die Propellerblätter, die das Team vom Massachusetts Institute of Technology entworfen hat, gleichen eher zwei aneinandergeklebten Sichelmonden. Propellerspitzen gibt es durch das ringförmige Design nicht mehr. Damit verbunden sind Vorteile, wegen derer dieses Design die Zukunft der Luftschrauben sein könnte.
Verwirbelungen sind das Problem
Denn bisher bereiteten vor allem die Verwirbelungen an den Blattspitzen den Ingenieuren Kopfzerbrechen bei der Optimierung moderner Propeller. Das Problem entspricht dem der Wirbelschleppen an den Randbögen von Tragflächen: Wo sich Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite ausgleichen, verursachen die dort entstehenden Luftwirbel induzierten Widerstand und sind obendrein mitverantwortlich für die Geräuschentwicklung der Luftschraube.
Vorbild waren Ringflügel
"Wir waren der Meinung, dass die Luftschrauben vor allem dadurch leiser werden, dass sich die vom Propeller erzeugten Wirbel nun über die gesamte Form verteilen und nicht nur an der Spitze", sagt Forscher Dr. Tom Sebastian. Orientiert habe er sich dabei an Tragflächenkonzepten aus den Anfängen der Fliegerei: "Damals, als die Leute Anfang 1900 und während des Zweiten Weltkriegs alle möglichen verrückten Ideen für Flugzeuge hatten, gab es einige Entwürfe, die im Wesentlichen aus Ringflügeln bestanden. Also fragte ich mich, wie es wohl aussehen würde, wenn man einen Ringflügel in einen Propeller verwandeln würde."
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Die Forscher am Lincoln Laboratory entwarfen eine Reihe von Prototypen, fertigten sie im 3-D-Druck und testeten sie an einem Multikopter. Ergebnis: Die Drohne war genauso laut wie eine doppelt so weit entfernte mit herkömmlichen Propellerblättern. Vor allem aber verlagerte sich die Frequenz des Luftschraubengeräuschs von dem von Drohnen bekannten hohen Summen hin zu einem sonoren Brummen, das das menschliche Ohr als angenehmer empfindet.
Patentanmeldung läuft
Doch der beste Entwurf des Teams war bei gleichem Schub nicht nur leiser als der beste getestete Standardpropeller, sondern er hatte auch einen besseren Wirkungsgrad. Zudem erhöht die Schlaufenform die strukturelle Stabilität.
In welchen Bereichen der kommerziellen Luftfahrt die neuartigen Propeller zur Anwendung kommen können, ist noch nicht gewiss. Ein Einsatz bei senkrechtstartenden Lufttaxis ist derzeit am wahrscheinlichsten. Die Forscher haben bereits ein Patent darauf angemeldet.
