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18-06-2020 | Keramik, Glas | Nachricht | Article

Forschung gegen Ressourcenverschwendung

Author:
Leyla Buchholz
2 min reading time

Forschungsteams der Universitäten Bochum (RUB) und Magdeburg wollen erstmals Computersimulationsmodelle für bisher schwer kontrollierbare, aber sehr energieintensive Partikel-Produktionsverfahren entwickeln. Ziel ist, durch eine exakte Vorhersage von unzugänglichen Produktionsprozessen wie die Herstellung von Keramik in Hochtemperaturöfen den bisher kaum beherrschbaren Einsatz von Material und Energie präziser zu berechnen.

Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit fast 10 Millionen Euro bewilligten Sonderforschungsbereiches werden rund 40 Wissenschaftler aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und Physik innerhalb der nächsten vier Jahre gemeinsam Computersimulationsmodelle entwickeln und diese anschließend durch neuartige experimentelle Messverfahren validieren.

Bei thermischen Produktionsverfahren wie sie in Öfen bei der Weiterverarbeitung von Erzen und Baustoffen oder der Produktion von Stahl, aber auch bei der Kaffeeröstung oder Trocknung von Tabletten stattfinden, werden die Partikel der zu verarbeitenden Grundstoffe, Lebensmittel oder Medikamente bewegt und die Schüttung durch ein Gas durchströmt. Die durch die Strömung ausgelösten chemischen Reaktionen dienen zur Weiterverarbeitung der Partikel.

Endlich in den Ofen hineinschauen

„Die Berechnungen der chemischen Reaktionen zwischen den Partikeln und den Gasen haben große Schwächen und sind nur sehr vage. Da ist noch sehr viel Trial und Error“, beschreibt der Sprecher des Verbunds, Prof. Dr. Viktor Scherer, Inhaber des Lehrstuhls für Energieanlagen und Energieprozesstechnik an der RUB, das Problem. Dadurch werde das Potenzial der Verfahren nicht ausgeschöpft, die Prozesse verliefen suboptimal und es entstünden Einbußen bei der Qualität der Produkte, zum Beispiel beim Röstgrad von Kaffeebohnen, beim Energieverbrauch und der Nutzung fossiler Ressourcen. Der Grund des fehlenden Einblicks liege einerseits in der schieren Größe der Produktionsanlagen und andererseits an den hohen Temperaturen von bis zu 2.000 °C. Das mache Messungen schwierig bis unmöglich. Scherer weiter: „Wir wissen also genau, was da in den Ofen hineingeht und wir wissen ziemlich gut, was herauskommt. Aber wir wollen nun endlich auch reingucken“.

Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgen die beiden Forschungsteams erstmals einen neuen Ansatz: Sie koppeln numerische Berechnungen und computerbasierte Simulationen mit innovativen experimentellen Messtechniken, um die Berechnungen anschließend zu überprüfen und zu validieren. Die Herausforderung bei der exakten mathematischen Beschreibung der Vorgänge in den hochtemperierten, geschlossenen Systemen bestehe darin, trotz mehrerer Millionen vorhandener Partikel die Rechenzeit zu begrenzen. Nur dann werde es möglich sein, künftig Prozesse in großen Industriereaktoren zu berechnen. Die Schwierigkeit der sich anschließenden experimentellen Messungen liege hingegen eher in den hohen Temperaturen dicht gepackter Partikel. „Um dieses Problem zu lösen, werden wir neue und innovative Messverfahren einsetzen, zum Beispiel Radartechnik, Positronen-Tomografie oder Magnetresonanz-Tomografie“, so Scherer.

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