„Coole“ Beschichtung für Kühlgeräte
Thermische Anlagen nutzen Wärme, um Kälte zu produzieren und brauchen Kälte um für Wärme sorgen zu können. Möglich macht dies ein Material, das Wasserdampf besonders gut und schnell abführt. Am deutschen Fraunhoferinstitut wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich dieses Material als Schicht auf die verwendeten Bauteile aufbringen lässt.
Bei thermischen Prozessen ist Oberfläche gefragt, um ausreichend Platz für die Anreicherung von Wasser bzw. Wasserdampf zu haben – wie hier bei einem MOF-beschichteten Wärmetauscher. (PD(
Kühlgeräte haben den menschlichen Körper zum Vorbild: Schwitzt man, verdampft Wasser auf der Haut und kühlt sie. Je tiefer der Luftdruck, umso einfacher geht das. Verfrachtet man diesen Prozess in ein Vakuum, verdampft Wasser bereits bei wenigen Millibar und Temperaturen von nur 10 Grad. Damit die Geräte kontinuierlich kühlen, muss der Dampf abgeführt werden. Dies gelingt etwa durch einen elektrischen Kompressor, mit dem auch Kühlschränken ausgerüstet sind: Er entfernt Wasserdampf aus der Gasphase und verflüssigt sie anschliessend wieder. Eine Alternative dazu bildet der thermische Kompressor. Dabei handelt es sich um ein poröses Material, das Wasserdampf aufnehmen kann. Bei dieser Variante ist die Antriebsenergie nicht elektrisch, sondern thermisch. Derart angetriebene Wärmepumpen oder Kältemaschinen produzieren aus Wärme Kälte und umgekehrt. Bisher konnten sich diese gegenüber ihren mit Strom betriebenen Pendants jedoch nicht flächendeckend durchsetzen. Ihre Leistungsdichte ist zu gering. Es fehlen Materialien und Komponenten, die in der Lage sind, ausreichend Wasserdampf in kürzerer Zeit abzuführen.
Legos lassen grüssen
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben diese Lücke geschlossen: Sie haben metallorganischen Gerüstverbindungen (engl.: Metal Organic Frameworks, MOFs) entwickelt, die sich besonders gut eignen, um Wasserdampf aufzunehmen. Dabei bildet ein metallischer Kern zusammen mit organischen Verbindern eine dreidimensionale poröse Struktur. „MOFs können wie Legosteine beliebig zusammengesetzt werden und schlagen in Sachen Flexibilität jede bisher bekannte Materialklasse“, sagt Stefan Henninger, Leiter der Gruppe Sorptionsmaterialien am ISE. „Die Stoffe sind porös und haben in ihrem Innern Oberflächen, die sich bis zu 4000 Quadratmetern pro Gramm summieren können. Ausreichend Platz, an denen der Wasserdampf adsorbieren – sich anreichern – kann.“
Zusammen mit seinen Kollegen hat der Forscher eine grosse Anzahl von MOFs untersucht und diejenigen identifiziert, die besonders stabil gegenüber Wasserdampf sind. Statt bisher 0,4 können diese bis zu 1,4 Gramm Wasser pro Gramm Material aufnehmen. Bisher liegen MOFs vor allem als Pulver vor und können daher nur schwer in die entsprechenden Gerätestrukturen, wie Wärmetauscher, eingebracht werden. Stand der Technik sind hierbei Schüttungen von Granulaten. Das hat jedoch den Nachteil, dass zwischen Adsorptionsmaterial und Bauteil nur punktuell Kontakt besteht. Der Stoff- bzw. Wärmeübertrag ist limitiert. Besser ist es, die MOFs als Schicht aufzubringen, um eine möglichst grosse Oberfläche zu erreichen.
Das haben Forscher geschafft. Ihre Schichten können sie direkt aufbringen, ohne dass weitere Hilfsschichten dazwischen nötig sind. Und sie erreichen die für das Kühlen und Heizen relevanten Dicken von 50 bis 150 Mikrometer. Bei ihren Prototypen werden die MOFs direkt auf Metalle aufkristallisiert. Bei anderen Materialien, wie etwa Keramik, gelang dies den Wissenschaftlern mit binderbasierten Beschichtungen. Bei beiden Verfahren werden die Komponenten des Geräts einfach in eine Flüssigkeit eingetaucht, die alle entscheidenden Bestandteile des Materials enthält. Die für die Direktkristallisation notwendige Temperatur entsteht dabei nur an der Oberfläche des Bauteils. So wird nur ein minimaler Ausschuss produziert. „Die MOF-Schicht wächst dabei direkt auf dem Bauteil mit einer Rate von bis zu 50 Mikrometer pro Stunde. Das ist deutlich schneller als bisher“, sagt Henninger. Bisher haben die Forscher Bauteile von bis zu 15x40 Zentimetern mit dem neuen Verfahren beschichtet.
Weiters Anfwendungsfeld
Die Technologie ist nicht auf Kühl- und Heizgeräte beschränkt. Henning kann sich eine Vielzahl von Anwendungen vorstellen, wegen der „enormen Flexibilität der MOFs“ und des Herstellungsverfahrens. „Wir können die gewünschte Struktur rasch auf nahezu jedes beliebige Bauteil aufbringen. Im Prinzip für jeden Vorgang, bei dem Stoff- oder Wärmeübertragung eine Rolle spielen, könnte unsere Technologie von Vorteil sein.“ Beispielsweise in der chemischen Industrie, wo Gase getrennt werden und dabei Wärme entsteht oder benötigt wird. Oder in der Medizintechnik, wo entsprechend beschichtetes OP-Besteck die Keimbelastung reduziert. Auch im Alltag kann die Technologie von Nutzen sein: Indem sie die hässlichen Wasserflecken auf Plastiktellern, -tassen, etc. in unseren Geschirrspülmaschinen beseitigt. (mgt/mai))
