entdeckt_01_2016

FORSCHUNG // DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 28 29 Hier kommt nun der Igel von Sebastian Unger ins Spiel. Um das Zusammenwirken von Strömung und Wärmeübertragung zu optimieren, setzt der Doktorand bei den Kühlrohren an. Der Igel ist nichts anderes als das Beispiel einer unkonventi- onellen Wärmeübertragungsstruktur. Mit einer vergrößerten Außenfläche und einer speziellen Beschichtung im Inneren des Rohres soll eine möglichst effiziente Wärmeabführung erreicht werden. Vielversprechende Beschichtung Bei einem passiven Kühlsystem entsteht der Umlauf allein durch die Dichtedifferenz des Kühlmediums – meist Wasser. Heißer Wasserdampf strömt in den Kühler, kondensiert an der Wand und fließt als Wasser zurück. Je niedriger die Tempera- turdifferenz, desto geringer sind die „Antriebskräfte“ im Umlauf. Damit die Notkühlung trotzdem effektiv arbeitet, kommt es darauf an, Wärmewiderstände zu minimieren und die Kondensation zu verbessern. Einen vielversprechenden Ansatz fand Sebastian Unger mit einer dünnen, hydrophoben Beschichtung der Kühlrohr-Innenseite. Sie soll dafür sorgen, dass die kondensierten Wassertropfen schnell ablaufen und keinen Film bilden, der die Wärmeübertragung für den nach- strömenden Dampf behindert. Auf der Suche nach einer geeigneten Beschichtungstechnik wandte sich Sebastian Unger an einen Spezialisten im HZDR, den Elektrochemiker Ulrich Harm. Er kennt sich mit nassche- mischen Verfahren aus – eine für die Anwendung besonders günstige Methode, das Innere eines Rohres zu beschichten. Dabei wird eine besondere Eigenschaft von Metallen genutzt: Sie bilden an der Oberfläche eine dünne Oxidschicht aus. Wird ein Metallrohr in das Beschichtungsbad getaucht, lagert sich eine einlagige Molekülschicht – „Monolayer“ genannt – an diese Oxidschicht. Die so entstandene Beschichtung begünstigt die Bildung von Wassertropfen und sorgt so- mit dafür, dass die Fläche nur wenig benetzt wird. „Das ist ähnlich wie beim Lotuseffekt“, erklärt der Doktorand. „Da die Monolayer-Beschichtung nur zwischen einigen Ångström und zwei Nanometern dick ist, verbessert sie den Wärmeübergang bei der Kondensation, ohne einen zusätzlichen Wärmeleit- widerstand zu erzeugen.“ Um die passende Beschichtung zu finden, wurden zur Einstel- lung der gewünschten Benetzbarkeit und Wärmebeständigkeit verschiedene Chemikalien und Oberflächenstrukturen getes- tet. Bisherige Untersuchungen beziehen sich auf beschichte- tes Kupfer oder Gold, das im kleinen Maßstab, vor allem in der Elektronik, zum Einsatz kommt. In Kraftwerken dagegen wird meist Stahl und Aluminium verwendet. Mit der hydrophoben Beschichtung von Stahl betreten die HZDR-Forscher daher Neuland. Erste Ergebnisse will der Doktorand noch in diesem Jahr veröffentlichen. Igel aus dem Drucker Bei einem passiven Kühlsystem bleibt oft nur die Möglichkeit, Wärme an die Umgebungsluft abzugeben. Um hier Wärme- übertragung und Luftzirkulation zu verbessern, entwickelte Sebastian Unger ein besonderes Oberflächendesign. Er hat die Außenseite des Rohres mit vielen dünnen Stacheln ver- sehen und damit die Austauschfläche vergrößert. Bei seiner stacheligen Wärmeübertragungsstruktur setzt der junge For- scher auf die neuartige additive Fertigung, allgemein bekannt als 3-D-Druck. Weil das auch mit Metall funktioniert, bietet diese Technologie viel kreativen Freiraum, spezielle Bauteile zu gestalten, die sich relativ preisgünstig fertigen lassen. So GRUNDLAGEN: Ein Wassertropfen auf einer beschichteten Edelstahl-Probe dient dazu, die Benetzbarkeit zwischen Probe und Flüssigkeit zu messen. Ziel ist die Optimierung von Verdampfungs- und Kondensationsprozessen. Foto: Oliver Killig BESCHICHTUNG: Einfacher Stahl ist gut benetzbar – der Tropfen „liegt flach“ auf der Oberfläche. Dagegen stößt im rechten Bild die Oberfläche den Tropfen ab.

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