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Stephen W. Dewar, Philip Watts und Frank Fish (USA/Kanada)

Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2018

Stephen W. Dewar, Philip Watts und Frank Fish (USA/Kanada)

Kategorie: Nicht-EPO-Staaten

Sektor: Grüne Technologie

Unternehmen: WhalePower Corporation (Kanada)

Patente: EP1805412

Erfindung: Von Walen inspirierte Turbinen und

Ein amerikanischer Biologe, ein US-amerikanisch/kanadischer Luftfahrtingenieur und ein kanadischer Erfinder und Unternehmer haben leisere und effizientere Turbinen, Industriegebläse und Ventilatoren nach dem Vorbild der Natur entwickelt. Das Design ihrer biomimetischen Turbinenschaufeln orientiert sich an den mit Höckern ausgestatteten Brustflossen – den sogenannten "Flippern" – der Buckelwale und kann Windparks zu einer 20-prozentigen Steigerung der Stromproduktion und Industrielüftungsanlagen zu einer 25 Prozent höheren Luftzirkulation verhelfen.

dewar-side-visualDank der Tuberkel-Technologie, die von dem Biologen Frank Fish in Zusammenarbeit mit dem Luftfahrtingenieur Philip Watts und dem Filmemacher, Erfinder und Unternehmer Stephen W. Dewar entwickelt wurde, konnten die aerodynamischen Eigenschaften von Turbinen erheblich verbessert und die Schallentwicklung verringert werden. Dem Team gelang der entscheidende Durchbruch, nachdem Fish entdeckt hatte,  dass die als ‘Tuberkeln' bezeichneten kleinen Höcker auf der Vorderkante der Flipper von Buckelwalen unerwünschte Luftwirbel verringern und damit den Luftwiderstand reduzieren, während sie gleichzeitig den Auftrieb erhöhen.

Das Prinzip ihrer Tuberkel-Technologie stellte einen bis dahin geltenden Glaubenssatz der Aerodynamik auf den Kopf: Lange war man davon ausgegangen, dass die Vorderkanten von Propellern, Rotorblättern und Turbinenschaufeln möglichst glatt sein müssten, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Nun stellte sich heraus, dass diese spezifisch angeordneten Erhebungen zu einer signifikanten Effizienzsteigerung führen konnten! Das Team übertrug diese Entdeckung auf die Gestaltung von Windturbinenschaufeln, Kühllüftern und Industriegebläsen und gründete das Start-up-Unternehmen WhalePower, das Lizenzen für seine Technologie an interessierte Hersteller vergibt.

Gesellschaftlicher Nutzen

Mit der Aussicht auf eine um bis zu 20 Prozent erhöhte Stromproduktion in Windparks - und das bei weniger Lärm und reduziertem Wartungsbedarf - bietet die Technologie gerade für die Windenergiebranche enormes Potenzial.

Ein deutscher Ökostromproduzent erwarb die Lizenz für die Tuberkel-Technologie von WhalePower und beauftragte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) mit der Durchführung von Windkanaltests zur Untersuchung der Wirkung von mit Tuberkeln besetzten Turbinenschaufeln. Nicht nur der Lärm wird um mindestens 2 Dezibel reduziert, auch der Materialverschleiß ist um 6 - 8 Prozent geringer. So verlängert sich die Lebensdauer der Hauptkomponenten um 25 Prozent - bei der durchschnittlichen Haltbarkeit einer Windturbine von 12 - 25 Jahren bedeutet das eine drei bis sechs Jahre längere Laufzeit.

Bei Ventilatoren und Turbinen, die eher Energie verbrauchen als sie zu erzeugen, kann die Tuberkel-Technologie die Luftzirkulation um bis zu 25 Prozent steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch senken. Ein führender Gebläsehersteller testete den Prototyp eines Ventilators zur Kühlung von Grafikkarten in Computern und kam zu dem Ergebnis, dass das Design gegenüber dem des gegenwärtigen Marktführers zu einer Effizienzsteigerung von etwa 20 Prozent führt. Für die IT-Branche, wo bei bestimmten Anwendungen wie beispielsweise  Servern rund 10 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs auf Lüftung und Kühlung entfallen, dürfte dies ein schlagendes Argument sein.

Wirtschaftlicher Nutzen

Das Geschäftsmodell von WhalePower ist das eines "virtuellen" Onlineunternehmens, das  Lizenzen für seine Technologie an Unternehmen vergibt, die sie in ihren jeweiligen Kompetenzbereichen einsetzen möchten.

Die ersten HVLS-Ventilatoren (HVLS steht für "high-volume low speed") mit den Lüfterblättern im Tuberkeldesign wurden durch WhalePower's Lizenznehmer Envira-North Systems auf den Markt gebracht. Unter dem Namen "Altra Air Fan" ist dieses Industriegebläse in unterschiedlichen Größen in 38 Ländern erhältlich. Diese leisen Ventilatoren versprechen 20 000 Stunden wartungsfreien Betrieb und verbrauchen gerade einmal soviel Strom wie ein handelsüblicher Haartrockner. Dabei erzeugen sie 25 Prozent mehr Luftzirkulation als ein vergleichbarer Ventilator ohne Tuberkeldesign. Ein weiterer Hersteller von HVLS-Ventilatoren, das Unternehmen Shanghai Fast Link, verkauft Ventilatoren mit Tuberkeln in China.

Für den weltweiten Windturbinenmarkt wird eine Steigerung des Gesamtumsatzes von 64,5 Mrd. EUR im Jahr 2015 auf 66 Mrd. EUR im Jahr 2019 erwartet. Im Bereich der Ventilatoren und Gebläse für den Einsatz in Industrie und Gewerbe - also dort, wo WhalePower sein erstes in Lizenz hergestelltes Produkt platziert hat - soll der globale Markt Prognosen zufolge bis 2022 auf rund 8,5 Mrd. EUR angewachsen sein.

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar, Frank Fish und Philip Watts (von links nach rechts)

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Tuberkel-Technologie

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Philip Watts

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Frank Fish

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Stephen Dewar

  • Stephen Dewar, Frank Fish and Philip Watts

    Frank Fish


Funktionsweise

Frank Fish als einer der führenden Experten für die Biomechanik schwimmender Tiere hatte bereits vermutet, dass ein Grund für die bemerkenswerte Ausdauer und Geschwindigkeit der Buckelwale in der sägeartigen Kante der Flipper dieser riesigen (und rund 30 Tonnen schweren) Meeressäuger liegen könnte. Fishs frühe Untersuchungen der Flipper von Walen ließen ihn annehmen, dass die "Tuberkeln" genannten höckerigen Erhebungen den Auftrieb verbesserten.

Fish veröffentlichte einen Forschungsbericht, in dem er seine Erkenntnisse beschrieb. Auf diese Arbeit wurde der Luftfahrtingenieur Philip Watts aufmerksam. So kam es, dass die beiden sich zusammentaten, um das Phänomen noch näher zu erforschen und herauszufinden, ob es sich vielleicht in praktische Anwendungen überführen ließe. Sie fanden heraus, dass ein typischer Tragflügel tatsächlich gegen die turbulente Luftströmung ankämpfen muss, die an seiner eigenen Spitze entsteht. Dadurch bilden sich Wirbel (sich drehende Luftmassen, die auch als "Vortex" bezeichnet werden), die die Effizienz herabsetzen und zusätzliche Geräusche verursachen.

Als schließlich auch Stephen W. Dewar sich dem Team angeschlossen hatte, gründete es WhalePower, um sein neues Profildesign entwickeln, patentieren und vermarkten zu können. Indem sie von Tuberkeln inspirierte Erhebungen integrierten, die sie stromlinienförmig so abrundeten, dass die größtmögliche aerodynamische und fluiddynamische Wirkung erzielt wurde, gelang es den dreien, den maximal möglichen Auftrieb eines Flügels zu erhöhen und den Strömungsabriss über dem sogenannten Anstellwinkel um bis zu 40 Prozent abzumildern. So ergab sich bei Verwendung einer mit Tuberkeln ausgestatteten Vorderkante in einer Windturbine ein Effizienzgewinn von rund 20 Prozent netto. Die effizientere Gestaltung des Profils der Vorderkante funktioniert auch bei einem größeren Anstellwinkel (der Winkel zum entgegenkommenden Wind), und so kann auch bei weniger windigen Wetterverhältnissen noch Strom erzeugt werden.

Die Erfinder

Nach Erwerb seines PhD am Fachbereich Zoologie der Michigan State University im Jahr 1980 wurde Frank Fish Biologieprofessor an der West Chester University of Pennsylvania, wo er bis heute lehrt. Er leitet auch das "Liquid Life Laboratory" der Universität. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Energetik und der Hydrodynamik der Fortbewegung von Wirbeltieren im Wasser und daraus abgeleiteten biomimetischen Anwendungen. Finanziert wird Fishs Forschung zur Biomechanik von Meeressäugern durch die DARPA (US Defence Advanced Research Projects Agency) - einer zum US-Verteidigungsministerium gehörenden Agentur für Forschungsprojekte der Verteidigung - der National Science Foundation sowie dem Office of Naval Research (Büro für Marineforschung). Fish ist seit über 40 Jahren als Universitätsprofessor, Forschungswissenschaftler und Erfinder aktiv. Er hat rund 150 Forschungsarbeiten, Regierungsberichte und Buchbeiträge veröffentlicht.

Seit er 1997 am California Institute of Technology sein PhD in Umweltingenieurwissenschaften erlangte, hat Philip Watts durch seine Entwicklungen und Patente die Windturbinentechnologie vorangebracht und in leitenden Positionen bei mehreren Windkraftunternehmen gewirkt. Aktuell ist er CEO von ReSource Renewable Energy, Inc. Er ist außerdem Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei WhalePower. Dort hat er auch eine Windturbinenschaufel mit hoher Gleitzahl (die Gleitzahl gibt das Verhältnis von Auftrieb und Luftwiderstand an) entworfen. Watts hat außerdem wissenschaftliche Arbeiten zur Aerodynamik des Fledermausflugs oder zur Bewegung von Astronauten in Raumstationen veröffentlicht. In seiner mehr als 14-jährigen Forschungstätigkeit hat er über 70 wissenschaftliche Artikel und Berichte publiziert.

Stephen W. Dewar ist nicht nur ein produktiver Erfinder und Unternehmer, sondern interessiert sich auch für wissenschaftliche Veröffentlichungen und Wissenschaftsjournalismus. Von der erfolgreichen Forschungsarbeit von Fish und Watts hörte er zum ersten Mal in der Radiosendung Quirks and Quarks des CBC. Er entschloss sich dazu, Kontakt mit ihnen aufzunehmen, und so wurde er schließlich Mitgesellschafter in ihrem Unternehmen. 30 Jahre lang hat er für die Canadian Broadcasting Corporation, den National Film Board of Canada, CTV und CBS Hunderte von Dokumentarbeiträgen für Radio- und TV-Sendungen geschrieben, gedreht und produziert, ebenso Spielfilm- und Comedybeiträge.

Wussten Sie das?

Viele Erfinder haben sich von der Natur bzw. der Biomimetik als Ideengeber inspirieren lassen. Milliarden von Jahren im Prüffeld evolutionärer Entwicklung haben zu Strukturen und Gestaltungen geführt, von denen wir uns in vielen Bereichen der Technik etwas abschauen können.

Auch bei der Verleihung des Europäischen Erfinderpreises gab es schon Gewinner, deren Innovationen durch die Natur inspiriert waren. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Peter Holme Jensen, Claus Hélix-Nielsen und Danielle Keller (Gewinner in der Kategorie " KMU" 2014) mit ihrer energiesparenden Wasseraufbereitung nach dem Vorbild von Aquaporinen, oder Adnane Remmal (Gewinner des Publikumspreises 2017) mit seinen durch ätherische Öle verbesserten Antibiotika. Finalisten, deren Erfindungen auf der Bionik basierten, waren zum Beispiel Fiona Fairhurst (Finalistin in der Kategorie "Industrie" 2009), die einen Schwimmanzug entwickelte, der sich an der Haut von Haien orientiert, oder Miroslav Sedláček (Finalist in der Kategorie "Forschung" 2016), der eine neuartige Flüssigkeitsturbine erfand.

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