Mit Aluminumkügelchen gegen die Hitze

Mit Aluminumkügelchen gegen die Hitze

Gefäss: 
Teaserbild-Quelle: Fraunhofer ICT

Turbinen, Triebwerke und Müllverbrennungsanlagen, die äusserst resistent gegen Oxidation und Hitze sind – eine Schicht aus winzigsten Aluminiumoxidkugeln soll es möglich machen. Entwickelt wurde die neuartige Technologie von Forschern des deutschen Fraunhofer Instituts.

Quelle: 
Fraunhofer ICT
Aluminiumoxidkugeln sind innen hohl und mit Gas gefüllt. Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um die Wärmedämmer wirtschaftlich herzustellen.

Gase sind schlechtere Wärmeleiter als Feststoffe. Gas- oder Porenbeton nutzen diesen Effekt, den Experten „Gasphasenisolierung“  nennen. Die Wärmedämmung funktioniert dabei über Luft, die in Hohlräumen eingeschlossen ist. Mit der Isolierung durch Gasphasen lassen sich jedoch allerdings nicht nur die eigenen vier Wände warm halten, sondern auch Bauteile in Turbinen, Triebwerken oder Brennkammern vor grosser Hitze schützen. Vorausgesetzt man überträgt den Effekt auf eine nur wenige Hundert Mikrometer dicke Schicht.

Temperaturunterschiede von über 400 Grad

Dies ist Forschern des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal gelungen; und zwar wie das Fraunhofer Institut mitteilt, auf eine besonders wirtschaftliche Art und Weise. Ihre Schicht besteht an der Oberfläche aus miteinander verbundenen Aluminiumoxidkugeln. „Diese sind innen hohl und mit Gas gefüllt“, erklärt   Vladislav Kolarik aus der Abteilung „Energetische Systeme“ am ICT. Die gasgefüllten Kugeln sind etwa in der Lage, Temperaturen von 1000 Grad Celsius auf der Aussenseite von Bauteilen auf weniger als 600 Grad Celsius auf deren Innenseite herabzusetzen. Dies konnten die Wissenschaftler im Labormassstab nachweisen.  - Der Bedarf an solchen Hitzeschildern ist gross: Gas- und Dampfturbinen in der Stromerzeugung, Brennkammern, Generatoren oder Temperatursensoren in Müllverbrennungsanlagen sowie Reaktoren der chemischen und petrochemischen Industrie – sie alle sind Temperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius ausgesetzt.

Dämmendes Abfallprodukt

Die wärmedämmende Schicht aus Hohlkugeln gewinnen die Forscher mit einem gängigen, und daher kostengünstigen Beschichtungsverfahren, konventionelle Verfahren zur Wärmedämmung – meist auf Basis von Keramikmaterialien – sind vergleichsweise teuer. Ursprünglich war der von den Forschern angepasste Prozess dafür gedacht, metallene Bauteile vor Oxidation zu schützen. „Wir haben das Verfahren so optimiert, dass die Schicht ihren Oxidationsschutz behält, aber zusätzlich Hitze abweist“, sagt Kolarik. Die ursprüngliche Schicht entsteht durch die Wechselwirkung der Aluminiumpartikel  und des metallenen Bauteils: Wird  auf der Oberfläche von Metallen Aluminiumpulver angbracht und wird das Ganze einige Stunden auf eine geeignete Temperatur erhitzt, entsteht eine aluminiumreiche Schicht an der Oberfläche des Bauteils. Diese schützt bei hohen Temperaturen gegen Oxidation. Bei diesem Verfahren entstehen auch die hitzeabweisenden Aluminiumkügelchen. „Bisher wurden diese aber nicht zur Herstellung einer weiteren Teilschicht in Betracht gezogen und als Abfallprodukt betrachtet“, so Kolarik.

Die Forscher haben diesen Prozess so gestaltet, dass beide Schichten in ausreichender Dicke entstehen: Sie nehmen Aluminiumpartikel und vermischen diese mit einem flüssig-viskosen Bindemittel. Dabei entsteht eine Substanz, die der einer Farbe bzw. eines Schlamms ähnelt. Diese tragen die Wissenschaftler mit Pinsel, Spray oder Bürste auf das metallene Bauteil auf. „Dann nehme man noch gut dosierte Wärme und fertig“, sagt Kolarik. Doch das ist einfacher  gesagt, als getan: Der Beschichtungsexperte musste die Grössen und Grössenverteilung der Aluminiumpartikel, die Temperatur und die Dauer des Erhitzens sowie die Viskositäten von Bindern exakt anpassen.

„Aktuell setzen wir die gewonnen Erkenntnisse in die Praxis um. Zum Beispiel, indem wir immer grössere Bauteile beschichten und dabei innerhalb der geforderten Temperaturen für das jeweilige Anwendungsgebiet bleiben. Gleichzeitig testen wir Verfahren, um die Schicht automatisiert herzustellen. Genau wie der Porenbeton in unseren Häusern. Der wird ja schon länger in Serie gefertigt“, sagt Kolarik. (mai/mgt)