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16.09.2009: Evonik Industries und sechs Forschungseinrichtungen haben, unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), ein Verfahren zum Design spezieller nanostrukturierter Partikeln entwickelt. In einem eigens konstruierten Überschallreaktor werden die Partikeln erstmals mit Hilfe gasdynamischer Effekte erzeugt und der Prozess gezielt gesteuert. Die Pilotanlage hat Evonik am Montag offiziell in Betrieb genommen. Die DFG fördert das Projekt „Gasdynamisch initiierte Partikelherstellung“ (GiP) mit rund neun Millionen Euro.
DFG-Präsident Professor Matthias Kleiner würdigte die Pilotanlage als „einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung im Bereich der Nanopartikelgenese.“ Die Institutionen und Evonik beträten mit ihrer Form der Zusammenarbeit Neuland: „Das ist eine Kooperation, die ihresgleichen sucht.“ Die gemeinsame Arbeit beweise, dass „akademische und industrielle Welt sich treffen können und Fortschritte erzielen, die für jeden einzelnen so undenkbar gewesen wären.“ Die Anstrengungen eröffneten Perspektiven auf herausragende Innovationen.
Teilchen nach Maß
Für Evonik stehen die Erkenntnisse zur Erzeugung nanostrukturierter Teilchen im Vordergrund. „Wir suchen kontinuierlich nach alternativen Syntheserouten und Design-Methoden“, so der Geschäftsführer der Evonik Degussa GmbH, Thomas Haeberle. Grundsätzlich bestehe Bedarf an definierten Partikeln mit besonderem Eigenschaftsprofil. „Das GiP-Verfahren bietet uns die Möglichkeit, neue Reaktionswege und Anwendungen zu erschließen.“
Mit dem Verfahren wollen die Forscher Partikeln einheitlicher Größe und Form erzeugen, um sie beispielsweise mit optischen oder elektrischen Eigenschaften auszustatten. GiP erlaubt, die Synthese bei der Produktion anorganischer Partikeln im Hinblick auf die zurzeit noch vorhandene Aggregationsneigung gezielt zu beeinflussen. Das Ergebnis sind maßgeschneiderte Partikeln in verbesserter Qualität. Ein denkbares Einsatzgebiet wäre der Automobilbau. Im Rahmen der Forschungsarbeiten werde das vielfältige Anwendungsspektrum weiter untersucht, kündigte der wissenschaftliche Projektleiter Professor Herbert Olivier von der RWTH Aachen an.
Überschall im Reaktor
In der Pilotanlage dient heiße Gasströmung als Energielieferant. In dem Reaktor wird ein unter hohem Druck stehendes Gemisch aus Methan und Luft auf bis zu 1.500 Grad Celsius erhitzt. Nach der ersten von zwei hintereinander angeordneten Überschalldüsen wird eine chemische Reaktion initiiert, in der sich die gewünschten Partikeln bilden. Die Strömungsgeschwindigkeit erlangt phasenweise mehr als doppelte Schallgeschwindigkeit.
In der zweiten Düse wird der Prozess durch extrem rasche Abkühlung abrupt gestoppt. Anschließend können die Teilchen zur weiteren Verwendung herausgefiltert werden. Die Partikelgröße ist unter anderem über Parameter wie Temperatur und Reaktionsdauer steuerbar. Der Reaktor erreicht Ausbeuten von etwa drei Kilogramm pro Stunde.
„Das Besondere des neuen Verfahrens sind die extrem hohe Aufheizrate des Gasgemischs mit Hilfe eines Stoßsystems in Überschallströmung sowie das ebenfalls gasdynamisch bedingte Quenchen des Gas-Partikelstroms in der Überschallströmung“, erläuterte Olivier. Sein Fazit: „Mit der Entwicklung haben wir das Hauptziel des Projekts erreicht und vielversprechende Ergebnisse erzielt.“
Erfolgsrezept Teamarbeit
Das Konzept des Überschallreaktors entstand an den Hochschulen Aachen, Duisburg-Essen, Karlsruhe, München und Stuttgart sowie dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Die Abteilung Partikeltechnologie des Servicebereichs Verfahrenstechnik & Engineering von Evonik am Standort Hanau-Wolfgang sowie das Servicezentrum Technik der IPW GmbH waren verantwortlich für Konstruktion, Fertigung und Aufbau der Pilotanlage. Evonik betreibt die Anlage im Auftrag des wissenschaftlichen Konsortiums.
In das Projekt sind mehr als 25 Professoren, Wissenschaftler und Techniker eingebunden. „Dieses Vorgehen erfordert Offenheit, Vertrauen und ein Höchstmaß an Flexibilität auf allen Seiten“, sagte DFG-Präsident Kleiner. Die Forscher bereiten mehr als zwanzig wissenschaftliche Veröffentlichungen vor, eine Fülle weiterer Publikationen ist vorgesehen.
Das Gesamtprojekt läuft bis zum Sommer 2010. Als Meilenstein strebt das Konsortium die Herstellung von Partikeln mit bestimmten Performanceeigenschaften an. Solche Teilchen könnten Einsatz finden in Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie, im Werkzeug- und Maschinenbau oder in der Strukturierung von Oberflächen. Beispiele sind das Polieren von Wafern, Printable Electronics (RFID), kratzfeste und transparente Lacke, Fotodruck oder Katalysatoren.
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