Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter Anderem unter dem Einfluss von Strömungen

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe "Multiphysics Materials Modelling: Microstructure-Heat-and-Mass Transfer" von Dr. rer. nat. Anastasia August umfasst die Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter Anderem unter dem Einfluss von Strömungen. Ziel ist es, die Effizienz von Wärmetauschern, -kollektoren und -speichern abhängig von der Gefügestruktur und den Materialeigenschaften zu verbessern. Bei der Modellierung der Prozessabläufe werden Phasenumwandlungsprozesse des fluiden Mediums berücksichtigt. Die Forschungsgruppe entwickelt optimale Strukturen der beteiligten porösen Stoffe, beispielsweise eines Metallschaums.

Foto: Dr. Marco Berghoff

Wichtigste Forschungsprojekte

Metallschäume

Metallschäume sind Materialien mit ausgezeichneten Eigenschaften. Sie sehen aus wie Bierschäume, nur ohne Bier und im Wesentlichen ohne die Zwischenwände zwischen den einzelnen Bläschen. Nur wo sich drei oder mehr Bläschen zusammentreffen, ist noch Material. Diese so genannten Stege bilden ein unregelmäßiges festes Netz, das viele Eigenschaften des Grundmaterials – Metall – nach wie vor weitgehend besitzt: Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus bieten sie noch viel mehr: Die Leichtigkeit, der geringere Grundmaterialbedarf und – ganz besonders – die große Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Über diese Oberfläche kann zum Beispiel die Wärme mit der Luft, die sich um die Stege herum befindet, ausgetauscht werden. Diese Eingenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.

Link: http://www.emr.kit.edu/

Solarthermie

Die Sonnenenergie kann von schwarzen Gegenständen besonders gut absorbiert werden. So ist die Haut eines Polarbären schwarz, damit er aus dem Sonnenlicht am Nordpol so viel Energie wie möglich raus holen kann. Die weißen Fellhaare, die das Sonnenlicht durch lassen, dienen der Isolation der eigenen Körperwärme. Nach diesem Prinzip werden im Projekt Solarthermie – zusammen mit dem Projektpartner Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (→ https://www.uni-stuttgart.de/forschung/orp/inst_profile/we/itv.html) Wärmekollektoren aus textilem Abstandsgewirk entwickelt. Neben der Energiegewinnung spielt natürlich auch ihre Speicherung eine große Rolle. Im zweiten Projektschritt werden neue Speicheranlagen geprüft: Etwa kleine, mit Paraffin gefüllte Fingerhut-große Eimerchen, die unmittelbar unter den textilen Kollektor platziert werden sollen. Paraffin speichert latente Wärme beim Aufschmelzen und setzt sie beim Erstarren wieder frei. Wir am CMS prüfenverschiedene Systeme mit Hilfe von Computersimulationen und machen Verbesserungsvorschläge für ihre Geometrie.

Poröse Wasserrohre

Der möglichst effiziente Umgang mit Energieressourcen ist eine wichtige Herausforderung der Zukunft. Daraus ergibt sich die Suche  nach effizienten, günstigen und praktischen Stoffen zur Wärmeleitung und -Speicherung in den Materialwissenschaften. Metallische Schäume stellen einen vielversprechenden Lösungsansatz für Probleme der Energieübertragung und -Speicherung dar, da sie sowohl die Eigenschaft der Durchlässigkeit für Fluide als auch die der großen Oberfläche besitzen. Das ermöglicht das effizientere Erwärmen von Flüssigkeiten und anderen möglichen Füllungen. Ziel ist hierbei eine möglichst große Wärmeübertragung bei einem gleichzeitig möglichst geringem Druckverlust. Die Herstellung dieser Schäume geschieht zunächst in Computersimulationen, in denen der Werkstoff auf verschiedene Bedingungen, wie Temperatur- oder Druckveränderungen und den Einfluss verschiedener Porengrößen getestet wird. Anschließend wird mithilfe eines 3D Druckers ein Modell für den Feinguss des optimalen Schaums hergestellt.

Anwendung finden Metallschäume beispielsweise in der Konzeption von Wasserrohren, die ihre Energie effizienter an das Wasser abgeben.

InSel: Innovative Schaumstrukturen für effizienten Leichtbau

Das Forschungsprojekt InSel (Innovative Schaumstoffstrukturen für den effizienten Leichtbau) ist eine Forschungsinitiative zur Leichtbauforschung in Baden-Württemberg, bestehend aus dem Zusammenschluss verschiedener Universitäten, außeruniversitären Einrichtungen und Unternehmen, an denen das IAM des KIT beteiligt ist. Es beinhaltet die gemeinsame Forschung, aber auch die Wissenskommunikation der Forschungsergebnisse an Unternehmen, sowie die Vernetzung der InSel Mitglieder zu weiteren Forschungsprojekten. Dabei stehen drei Aspekte für die InSel Mitglieder im Vordergrund:

Innovationsaspekt:

Durch die immer weiter fortschreitende Technologie sind poröse Strukturen sehr gefragte Werkstoffe, deren Entwicklung jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden ist, wie beispielsweise die Entwicklung von Kompositen.

wirtschaftlicher Aspekt:

Das InSel Projekt soll die wirtschaftliche Erschließung bisher nicht ausreichend nutzbar gemachter poröser Materialien ermöglichen. Damit wird die Wettbewerbsfähigkeit vor allem mittelständischer Unternehmen gesteigert.

Kommunikationsaspekt:

Dieser beinhaltet die Wissenskommunikation an Unternehmen. Durch den interdisziplinären Ansatz soll zudem die Kommunikation der Forschenden untereinander gestärkt werden.

Unser Teilprojekt:

Wir am CMS beteiligten uns an diesem Projekt mit Computersimulationen im Bereich Polymerschäume, welche als Vorform beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen dienen.

Link: https://www.hs-pforzheim.de/insel

Das Projekt wird gefördert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land Baden-Württemberg im Rahmen des Zentrums für Angewandte Forschung ZAFH ,,InSeL - Innovative Schaumstrukturen für den effizienten Leichtbau''. Wir danken EFRE und Baden-Württemberg für die Unterstützung des Vorhabens.