Institut für Digitale Materialforschung

Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen - unter anderem unter dem Einfluss von Strömungen

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe Microstructure – Diffusion umfassen die Modellierung des Wärmetransports in porösen Strukturen, unter anderem unter dem Einfluss von Strömungen. Ziel ist es, die Effizienz von Wärmetauschern, Wärmekollektoren und Wärmespeichern 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 die Struktur eines Metallschaums.

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 drei oder mehr Bläschen zusammentreffen, ist noch Material. Diese sogenannten Stege bilden ein unregelmäßiges, festes Netz, das viele Eigenschaften des Grundmaterials – Metall – nach wie vor weitgehend besitzt: Wärmeleitfähigkeit, Stabilität und 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 Eigenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung, im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.

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 unserem Projektpartner, dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (→ 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 fingerhutgroße Eimerchen, die unmittelbar unter den textilen Kollektor platziert werden sollen. Paraffin speichert latente Wärme beim Aufschmelzen und setzt sie beim Erstarren wieder frei. Am CMS prüfen wir verschiedene 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. In den Materialwissenschaften ergibt sich daraus die Suche nach effizienten, günstigen und praktischen Stoffen zur Wärmeleitung und -speicherung. 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. Dies ermöglicht das effizientere Erwärmen von Flüssigkeiten und anderen möglichen Füllungen. Ziel ist hierbei eine möglichst große Wärmeübertragung bei einem gleichzeitig möglichst geringen 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 Schaumstrukturen für 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 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 Aspekt beinhaltet die Wissenskommunikation an Unternehmen. Durch den interdisziplinären Ansatz soll zudem die Kommunikation der Forschenden untereinander gestärkt werden.

Unser Teilprojekt:

Hier am MMS beteiligen wir uns durch Computersimulationen im Bereich der Polymerschäume an diesem Projekt, die beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen als Vorform dienen.

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