Lebensdauer und Sicherheit rauf, Wartungs- und Stromerzeugungskosten sowie
CO2-Ausstoß runter: Das ist das Ziel eines Forschungsvorhabens unter
Beteiligung von Mitgliedseinrichtungen der U Bremen Research Alliance.
Forschende vom Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien -
IWT und dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES haben ein
Bauteil von Windkraftanlagen im Visier, das viel auszuhalten hat: das
Rotorblattlager.

Sie habe eine natürliche Vorliebe für Stahl, sagt Brigitte Clausen. Was
sie an dem Werkstoff so fasziniert? „Er hat variable Eigenschaften, ist
sehr gut formbar und recyclingfähig. Mit verschiedenen Hilfsmitteln lässt
sich nachverfolgen, was in dem Metall passiert, wie die Prozesse ablaufen;
das zu sehen und zu erleben, ist einfach unglaublich!“ Und wenn man als
Wissenschaftlerin dann noch einen kleinen Beitrag zum Gelingen der
Energiewende leisten könne, „dann finde ich das richtig gut“.

Gesellschaftlichen Nutzen und wissenschaftliches Interesse – diese beiden
Aspekte verbindet ein Forschungsvorhaben nahezu idealtypisch, an dem die
54-jährige Leiterin der Abteilung Strukturmechanik am Leibniz-Institut für
Werkstofforientierte Technologien – IWT maßgeblich beteiligt ist. Es trägt
den etwas sperrigen Titel „Auslegung hochbelasteter Drehverbindungen“,
kurz: HBDV. Dabei geht es um Windkraftanlagen. Genauer: um die Verbindung
zwischen Rotorblatt und Rotornabe, um die aus Stahl geformten Wälzlager,
die die Blätter halten, die Drehbewegung zulassen und dabei enormen
Kräften ausgesetzt sind. Wie lässt sich deren Lebensdauer vorhersagen und
verlängern? Das ist die Frage.

Rund 30.000 Windkraftanlagen erzeugen derzeit in der Bundesrepublik grünen
Strom. Es werden deutlich mehr werden, so viel ist sicher. Manche
Forschende prognostizieren eine Verdoppelung ihrer Zahl. Die Windkraft
spielt beim Ausbau der erneuerbaren Energien und Erreichen der Klimaziele
eine zentrale Rolle. Bis 2030 soll der Stromanteil aus regenerativen
Quellen in Deutschland auf 65 Prozent steigen, ein Großteil davon wird per
Windenergie erzeugt werden. EU-weit soll die Hälfte des Stroms in Europa
bis 2050 aus Windkraft gewonnen werden.

--- „Mit verschiedenen Hilfsmitteln lässt sich nachverfolgen, was in dem
Metall passiert, wie die Prozesse ablaufen; das zu sehen und zu erleben,
ist einfach unglaublich!“ ---

Immer leistungsfähiger werden die Anlagen, nicht zuletzt durch größere
Rotorblätter und Computersteuerung. „Bei älteren Anlagen wurden die
Rotorblätter, einfach ausgedrückt, morgens und abends einmal zum Wind
ausgerichtet und das war’s“, erläutert Dipl.-Ing. Vera Friederici, die
gemeinsam mit Dr.-Ing. Jens Schumacher als wissenschaftliche Mitarbeiterin
für das HBDV-Projekt am Leibniz-IWT arbeitet. „Neuere Anlagen versuchen,
eine möglichst gleichmäßige Windlast herzustellen. Selbst den
Windschatten, der bei jeder Drehung eines Flügels durch das Passieren des
Turms entsteht, gleichen sie durch eine minimale Korrektur der
Flügelstellung im Bruchteil einer Sekunde aus.“

Diese permanente Anpassung hat Auswirkungen auf die Wälzlager, die aus
speziell gehärtetem Vergütungsstahl geformt sind. Die relativ kleinen
Ausgleichsbewegungen bewirken ein Hin- und Herrollen der Kugeln auf einer
sehr kleinen Fläche bei großer Belastung. Dafür sind die Lager
ursprünglich nicht ausgelegt. Mit mehr als 100 Millionen Umdrehungen im
Lauf einer durchschnittlichen Lebensdauer von 20 Jahren kalkulieren die
Erbauer der Windkraftanlagen.

2,2 Meter im Durchmesser sind die Rotorblattlager, das entspricht in der
Höhe etwa einer Wohnungstür. Ihre doppelreihigen Kugellager sind mit 102
Kugeln pro Laufbahn gefüllt, jede hat nahezu den Umfang eines Tennisballs.
Wie hält der Stahl den andauernden Belastungen durch die Bewegungen der
Kugeln stand? Führen sie zur Ermüdung? Entstehen Risse? Und wenn ja: Wohin
wachsen sie? Sind sie ungefährlich oder gefährden sie das Lager – und mit
ihm die Anlage? „An diesen Themen forschen wir“, sagt Brigitte Clausen.

Die Wissenschaftler:innen betreten damit Neuland. Untersuchungen zu den
Belastungen der Drehverbindungen in einer Windkraftanlage sind Mangelware,
zertifizierte Ansätze zur Abschätzung der Lebensdauer der Rotorblattlager
gibt es bislang nicht. Von einem Modellprojekt spricht Brigitte Clausen,
deren Leidenschaft für Stahl und andere Werkstoffe durch eine Lehre als
Werkstoffprüferin bei der Stahlhütte Klöckner geweckt worden ist. Später
hat sie an der Universität Bremen Produktionstechnik studiert, seit 1996
ist sie am IWT beschäftigt.

Modellcharakter hat HBDV auch deshalb, weil an dem Forschungsprojekt, das
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 3,8 Millionen Euro
gefördert wird, viele große Hersteller von Windanlagen beteiligt sind,
trotz der Konkurrenz untereinander. Schließlich verursachen Schäden an den
Lagern lange Ausfallzeiten und hohe Kosten durch Stillstand und für die
Reparatur, und zwar ganz unabhängig vom Hersteller.

Neben dem Leibniz-IWT sind fünf weitere Forschungsinstitute an dem Projekt
beteiligt, darunter von der U Bremen Research Alliance das Fraunhofer-
Institut für Windenergiesysteme IWES. Die Mitarbeitenden dort forschen an
den Verschleißschäden auf der Laufbahn eines Lagers, die durch die
ständigen kleinen Bewegungen der Kugeln bei sehr großen Lasten verursacht
werden können. „Wir untersuchen, unter welchen Betriebsbelastungen diese
Schäden entstehen, wie schnell sie auftreten können und wie sie sich
vermeiden lassen“, sagt Karsten Behnke, wissenschaftlicher Mitarbeiter und
Projektleiter des Forschungsprojekts am Fraunhofer IWES. „Die Kooperation
spielt eine ganz wichtige Rolle“, ergänzt Vera Friederici. „Wir arbeiten
Hand in Hand und ergänzen uns hervorragend." In 14-tägigen Treffen,
manchmal bilateral, manchmal in großer Runde, tauschen sich die
Beteiligten untereinander aus und besprechen die nächsten Arbeitsschritte.

Wie die Belastungen des Lagerwerkstoffs nachgeahmt werden, zeigt die
Diplom-Ingenieurin an einem Prüfstand in der Maschinenhalle des IWT. Dort
versetzt eine Schwingprüfmaschine die handtellergroße Probe in
Schwingungen. Sie ist mit einer kleinen Kerbe versehen, von der ein kaum
sichtbarer Riss ausgeht.

„Abhängig von der Kraft, die wir aufwenden, wachsen die Risse“, erläutert
Vera Friederici. „Wir messen, wie schnell und in welcher Richtung der Riss
bei einer bestimmten Belastung wächst.“ Mit den Daten wird ein
Simulationsmodell gefüttert, mit dem das Werkstoffverhalten vorhergesagt
werden kann.

--- „Die Kooperation spielt eine ganz wichtige Rolle. Wir arbeiten Hand in
Hand und ergänzen uns hervorragend." ---

Mehr als ein Dutzend Maschinen, die in unterschiedlichen Last- und
Frequenzbereichen arbeiten, füllen die Halle. Ein komplettes Wälzlager
haben Mitarbeitende des Leibniz-IWT zerschnitten und daraus Materialproben
gefertigt. „Die Proben liefern uns ganz viele Messdaten. Wir übertragen
sie auf ein komplettes Lager und können mit ihrer Hilfe eine
Lebensdauerprognose erstellen“, erklärt die 38-jährige, die über einen
Teilbereich des Projektes auch promoviert. „Diesen Prozess der Übertragung
vom Kleinen ins Große, von Erkenntnissen aus den Proben auf das gesamte
Lager, finde ich richtig spannend.“

Für Brigitte Clausen macht die Forschung an den gegensätzlichen
Materialeigenschaften einen wesentlichen Teil ihres wissenschaftlichen
Interesses an dem Projekt aus. Während die Kugeln im Lager und ihre
Laufbahn gehärtet sind, ist das sie umgebende Material eher zäh, was
wiederum Auswirkungen auf die Rissbildung hat. „Aufgrund des Zustandes des
Werkstoffes und der Spannung sind wir jetzt in der Lage vorherzusagen, in
welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich ein Riss entwickelt
und ob er kritisch ist. Das konnten wir vorher nicht“, erzählt sie. Die
Gefährdung durch Materialermüdung und Risse lasse sich nun viel besser
einschätzen, ebenso die Notwendigkeit von Wartungen.

Im Frühjahr soll das Projekt abgeschlossen sein. Die Ergebnisse der
Forschung fließen in eine Richtlinie ein, die es den Windkraftunternehmen
ermöglicht, die Rotorblattlager genauer zu bewerten und sicherer zu
machen. In der Folge werden die Windkraftanlagen länger Strom produzieren
können, die Stromerzeugungskosten sinken und mit ihnen auch der
CO2-Ausstoß.

Die Forschenden aus der U Bremen Research Alliance jedenfalls sind
zufrieden mit den Resultaten ihrer Arbeit. „Dazu beigetragen zu haben,
eine Schwachstelle zu eliminieren und damit auch Ressourcen zu schonen,
ist schon ein gutes Gefühl“, sagt Brigitte Clausen.

Originalpublikation:
Impact – Das Wissenschaftsmagazin der U Bremen Research Alliance

In der U Bremen Research Alliance kooperieren die Universität Bremen und
zwölf Forschungsinstitute der vier deutschen Wissenschaftsorganisationen
sowie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz - alle mit
Sitz im Bundesland.

Das seit 2019 erscheinende Magazin Impact dokumentiert die kooperative
Forschungsstärke der Allianz und ihre gesellschaftliche Relevanz.
„Windkraftanlagen länger nutzen“ wurde in Ausgabe 5 (Januar 2022)
veröffentlicht.

https://www.uni-
bremen.de/fileadmin/user_upload/sites/research_alliance/Impact_Magazin_U_Bremen_Research_Alliance_Ausgabe_5_Januar_2022.pdf.pdf

Die französische Wissenschaftlerin Dr. phil. habil. Indravati Félicité hat
im Januar 2022 einen achtmonatigen Forschungsaufenthalt an der Universität
Greifswald begonnen. Im Rahmen eines Humboldt-Forschungsstipendiums für
erfahrene Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist sie bei Prof. Dr.
Dr. h. c. Michael North am Historischen Institut zu Gast. Sie forscht zum
Thema „Nordeuropa und der Orient bei der Entstehung der modernen Theorie
der internationalen Beziehungen (16.–18. Jahrhundert)“.

Indravati Félicité ist seit 2016 maîtresse de conférences in Geschichte
der frühen Neuzeit an der Université de Paris. Sie promovierte 2012 an der
Sorbonne in Geschichte. 2021 habilitierte sie sich ebenfalls an der
Sorbonne in Geschichte. Ihre Habilitationsschrift trug den Titel „Le
‚vieil Empire‘ face au monde. 1454–1806“ (Das „Alte Reich“ und die Welt,
1454–1806). Darin untersucht sie die globalen Verflechtungen des Heiligen
Römischen Reichs und bringt dieses Reich zurück ins Zentrum der Imperial
Studies.

Ihre Dissertation erschien 2016 unter dem Titel „Négocier pour exister.
Les villes et duchés du nord de l’Empire face à la France 1650–1730“ in
französischer Sprache in der Reihe „Pariser Historische Studien“ des
Deutschen Historischen Instituts Paris bei De Gruyter-Oldenburg.
Anschließend veröffentlichte der Böhlau-Verlag eine deutsche Fassung
(übersetzt von Markus Hiltl) unter dem Titel „Das Königreich Frankreich
und die Norddeutschen Hansestädte und Herzogtümer: Diplomatie zwischen
ungleichen Partnern“. Darin analysiert sie unter anderem die Diplomatie
und Außenpolitik von Mecklenburg-Schwerin, Schleswig-Holstein-Gottorp,
Lübeck, Bremen und Hamburg und zeigt, dass deren Teilnahme am
diplomatischen Konzert nicht nur geduldet, sondern auch strukturell
wichtig sowohl für ihr eigenes Überleben als auch für die europäischen
Großmächte war. Durch diese Forschungen zu den europäischen und weltweiten
Verflechtungen der norddeutschen Stände des Heiligen Römischen Reichs ist
sie vor einigen Jahren in Paris in Kontakt mit Professor Michael North
getreten. Bei ihrem derzeitigen, von der Humboldt-Stiftung unterstützten
Projekt am Historischen Institut der Universität Greifswald, handelt es
sich um eine Neubewertung und Neudefinition des frühen Orientalismus (17.
Jahrhundert). Anhand von Quellen aus den Archiven in Pommern (Greifswald,
Stralsund und andere) soll die Vorstellung revidiert werden, dass sich ab
Mitte des 17. Jahrhunderts eine diplomatische Ordnung in der Welt
ausbreitete, die sich an Regeln orientierte, die auf dem europäischen
Kontinent von imperialen Mächten oder solchen, die es werden wollten,
isoliert ausgearbeitet und ausgehandelt wurden.

Der Forschungsstandort Greifswald eignet sich sehr gut für ein solches
Projekt, wie zum Beispiel die Anstellung von Professoren für orientalische
Sprachen durch die hiesige Universität ab 1650, aber auch die Integration
der Kaufleute der Region in dem Handel nach Asien, bezeugen. In mehreren
Archivzentren der Region befinden sich Akten zu dieser frühen Öffnung des
Ostseeraums zur außereuropäischen Welt. Über den Aufenthalt in Greifswald
hinaus möchte Indravati Félicité die institutionellen Kontakte zwischen
der Universität Greifswald und der Université de Paris, zwischen denen ein
Erasmus-Austausch bereits besteht, wiederbeleben.

Weitere Informationen

Die Alexander von Humboldt-Stiftung <https://www.humboldt-
foundation.de/web/start.html> ermöglicht jährlich über 2000 Forscherinnen
und Forschern aus aller Welt einen wissenschaftlichen Aufenthalt in
Deutschland. Die Stiftung pflegt ein Netzwerk von weltweit mehr als 30 000
Humboldtianern aller Fachgebiete in über 140 Ländern – unter ihnen 55
Nobelpreisträger.

Mit den Humboldt-Forschungsstipendien für erfahrene Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler ermöglicht die Alexander von Humboldt-Stiftung
überdurchschnittlich qualifizierten Wissenschaftlern aus dem Ausland, die
ihre Promotion vor nicht mehr als zwölf Jahren abgeschlossen haben,
langfristige Forschungsaufenthalte in Deutschland (6 bis 18 Monate)
einzugehen.

Die IEEE VGTC Virtual Reality Academy wurde in diesem Jahr im Rahmen der
Fachkonferenz »IEEE VR 2022« gegründet mit dem Ziel, international
führende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Industrie und
Forschung der virtuellen und erweiterten Realität unter einem Dach zu
vereinen. Durch die Aufnahme in die prestigeträchtige Academy werden
Persönlichkeiten für besondere Leistungen und bedeutende Beiträge auf
diesen Gebieten geehrt. Prof. Dr. Bernd Fröhlich, Professur für Systeme
der virtuellen Realität an der Fakultät Medien der Bauhaus-Universität
Weimar, wurde am 14. März 2022 als »inaugural member« vorgestellt.

Zusätzlich zu den vorhergehenden Preisträgerinnen und -trägern des VR
Lifetime Achievement Award und des VR Technical Achievement Award des IEEE
Visualization and Graphics Technical Committee (VGTC) wurden zwölf
gewählte Gründungsmitglieder in die Academy aufgenommen. Neben Prof.
Gudrun Klinker von der Technischen Universität München ist Prof. Dr. Bernd
Fröhlich eines von zwei deutschen Mitgliedern.

Prof. Fröhlich hat seit 2001 die Professur für Systeme der virtuellen
Realität im Fachbereich Medieninformatik an der Bauhaus-Universität Weimar
inne. Seine Arbeitsgruppe »Virtual Reality and Visualization Research«
forscht zu den Grundlagen und Anwendungen von Multi-User Virtual Reality
und 3D User Interfaces, Visualisierungs- und Rendering-Algorithmen für
große Datenmengen sowie Informationsvisualisierung.

Prof. Fröhlich ist seit vielen Jahren aktiv in der internationalen Virtual
Reality Community engagiert. So war er Gründungsmitglied des IEEE
Symposiums on 3D User Interfaces im Jahr 2005, wurde bereits 2008 für
seine Forschung im Bereich Virtual Reality und 3D User Interfaces mit dem
IEEE VGTC Technical Achievement Award ausgezeichnet und leitete den
Lenkungsausschuss der IEEE VR von 2014 bis 2018. Zudem arbeitete er
bereits an zahlreichen international renommierten Instituten und
Universitäten. Zu seinen wissenschaftlichen Stationen zählen u.a. die
Stanford University in Kalifornien, die Waterloo University in Kanada
sowie die Universidad Central de Venezuela.

Über die »IEEE VR«:

Die »IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces« ist die
wichtigste internationale Konferenz auf dem Gebiet der virtuellen
Realität. Seit 1993 bietet sie jährlich eine interdisziplinäre Plattform
für Expertinnen und Experten aus Informatik, Psychologie,
Ingenieurwissenschaften sowie Human-Computer Interaction. Ursprünglich in
Christchurch (Neuseeland) geplant, musste die IEEE VR aufgrund von
Covid-19 und den damit verbundenen Kontaktbeschränkungen vom 12. bis 16.
März 2022 das dritte Jahr in Folge ausschließlich online stattfinden.
Neben der Präsentationsmöglichkeit über klassische 2D-
Videokonferenzsysteme, gab es auch die experimentelle Möglichkeit, die
Konferenzpräsentationen selbst in Virtual Reality zu halten, welche
bereits auch von Weimarer Forscherinnen und Forschern genutzt wurde.