Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern um Prof. Dr.-Ing. Frank Beyrau ist es gelungen, mit bestimmten Eigenschaften ausgestattete Partikel in Verbrennungsreaktionen einzubringen, mit deren Hilfe erstmals gleichzeitig die im System herrschenden Temperaturen sowie die Strömungsgeschwindigkeiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen werden können. Die simultane Messung von Temperatur und Geschwindigkeit ist für die Optimierung von Verbrennungsreaktionen entscheidend, um die Effizienz zu steigern und den CO2-Ausstoß zu verringern.

In bisher etablierten Verfahren wurde mit Hilfe von Partikeln, also kleinsten in den Prozess eingebrachten Teilchen, entweder die Geschwindigkeit oder die Temperatur in einem System erfasst. Um aber die Verbrennungsprozesse in Motoren oder Gasturbinen endgültig verstehen und somit auch beeinflussen zu können, müssen die während der Verbrennung ablaufenden Prozesse simultan erfasst werden.

Das Team um Frank Beyrau entwickelte dafür gemeinsam mit Partnern der Princeton University in den USA Partikel mit spezifischen physikalischen und optischen Eigenschaften. Um diese Eigenschaften zu erhalten, nutzten sie sogenannte Phosphore. Dies sind keramische Materialien, die nach Beleuchtung durch einen Laser Licht abstrahlen. Phosphore werden auch in Leuchtstoffröhren, Uhren mit Leuchtziffern oder bei der Identifizierung von Banknoten verwendet. Mit Atomen sogenannter seltener Erden versetzt, erhalten diese Phosphore eine entscheidende neue Eigenschaft: Wenn sie mit Laserlicht bestrahlt werden, variieren sie temperaturabhängig ihre Farbe und lassen so gleichzeitig Rückschlüsse auf ihre Geschwindigkeit und die Temperatur zu, werden quasi zu Temperatursensoren.

„Wir freuen uns sehr, dass es uns erstmals weltweit gelungen ist, Sensoren mit solchen Eigenschaften zu designen, um letztendlich alle Verbrennungsreaktionen zu verstehen“, so der Verfahrenstechniker Prof. Frank Beyrau vom Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik der Universität Magdeburg. „Neben Verbrennungsprozessen in Motoren oder Turbinen, könnten damit in Zukunft auch Phänomene in Meeresströmungen oder bei Magma unter dem Erdmantel genauer untersucht werden. In Laborversuchen können wir nun diese Vorgänge präzise messen und beschreiben. In einem zweiten Schritt werden wir dann über praktische Anwendungen nachdenken, also darüber, wie unser Wissen für weniger CO2-Ausstoß und umweltfreundlichere Antriebe genutzt werden kann.“

Das Forschungsprojekt wird unter dem Titel PHOSPHOR – Synthesis of Novel Phosphor Sensor Particles for Advanced Flame Diagnostics von Februar 2017 bis Ende Juli 2019 durch das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation – Horizont 2020 gefördert.

Quelle: Universität Magdeburg

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Seit 15 Jahren forschen die Professoren zu diesem Thema. „Ohne Zirkulation im Gewässer sinkt ein Großteil der Algen zu Boden. Bei einer Hitzewelle kommt es in einem See zu einer stabilen Schichtenbildung. Die Zirkulation des Wassers ist dann stark eingeschränkt – der See droht „umzukippen.“, erklärt Dr. Michele. „Das vorgeschlagene Freistrahlverfahren kann die Schichtung eines Sees destabilisieren, so dass das Plankton durchmischt wird und wieder mehr Sauerstoff in die Tiefe des Gewässers gelangt.“ In den Projektjahren konnten auf diese Art 5.400 Kilogramm Phosphor aus der Wassersäule entfernt und im Sediment abgelagert werden.

Beim „Freistrahlverfahren“ wird mit Sauerstoff gesättigtes Wasser von der Oberfläche in die Tiefe des Sees gepumpt. Der Impuls dieses Strahls reißt auf seinem Weg weitere große Wassermassen mit in die Tiefe. Dieses Wasser mischt sich mit dem Tiefenwasser.

Seit mehr als 50 Jahren wird dieses Verfahren angewandt. Optimiert wurde es jetzt von Prof. Michele: „Dadurch, dass wir den Strahl nicht mehr senkrecht, sondern schräg in den See einführen, vermindert sich die vorher bestehende Gefahr eines Kurzschlusses. Die Sauerstoffeintragseffizienz dieses Verfahrens ist gegenüber den klassischen Methoden der Verfahrenstechnik um mehr als das zehnfache höher.“ Zudem sei der Eintrag von Sauerstoff mit dem vorgeschlagenen Freistrahlverfahren deutlich kostengünstiger als Standardverfahren.

Die Ergebnisse des fünfjährigen Projektes sind für jedermann bei „Research Gate“ verfügbar:
https://www.researchgate.net/publication/281714490_Lake_Bant_A_five_year_project_to_solve_cyanobacterial_problems

Ein Teil der Arbeit liegt inzwischen auch in deutscher Übersetzung vor: https://www.researchgate.net/profile/Juergen_Michele/publications

Quelle: Jade Hochschule

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