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Abstract
Eis auf Oberflächen ist oft unerwünscht. Probleme durch anhaftendes Eis entstehen für viele Anwendungen, wie Flugzeuge, Hochspannungsleitungen, Kühlschränke und Windenergieanlagen. Am besten wäre eine Beschichtung, die eine Vereisung sensibler Oberflächen erst gar nicht zulässt. Mit diesem Projekt soll eine Basistechnologie für unterschiedliche Anwendungsbereiche entwickelt werden, welche die Eisbildung auf Oberflächen verhindert oder zumindest verzögert. Für diese Aufgabe werden drei Effekte untersucht. a) Adhäsionsverminderung: Eine Beschichtung auf der Eis nicht oder nur schlecht haftet wäre vielerorts anwendbar. b) Kondensationsverzögerung: Die Kondensation von Wasserdampf auf kalten Oberflächen wird verzögert oder verhindert. c) Antifreeze-Beschichtungen: Auf speziellen Beschichtungen gefriert Wasser zeitlich verzögert oder bei tieferen Temperaturen als auf unbehandeltem Glas.
a) Adhäsionsverminderung
Wegen des geplanten Atomausstiegs gewinnen die erneuerbaren Energiequellen an Wichtigkeit. So war 2010 ein Rekordjahr für die Schweizer Windbranche, die Kapazitäten sind um 150% gestiegen. Allerdings müssen hierzulande Windenergieanlagen auf alpinen Standorten errichtet werden, weil nur dort die Windverhältnisse gut sind. Schnee und Eis aber beeinträchtigen Windenergieanlagen stark, denn die Rotorblattvereisung mindert die Energieausbeute, erzeugt Unwucht und ist wegen des Eisabwurfs eine Gefahr für Passanten. Es gibt noch keine befriedigende Lösung für die Vereisungsproblematik. Rotorblattheizungen werden manchmal eingesetzt, doch verbrauchen diese viel Strom. Eine elegante Lösung des Problems wäre, die Haftung des Eises an die Oberfläche des Rotorblatts zu verhindern oder wenigstens so zu verringern, dass das Eis durch natürliche Vibrationen von selbst abfällt. Beschichtungen, welche die Eigenschaft haben, die Eishaftung zu verringern, werden «eisphob» genannt. Eisphobe Beschichtungen würden das Rotorblatt kostengünstig vor Vereisung schützen und Windenergieanlagen im kalten Klima rentabler und sicherer machen. Leider gibt es noch keine zufriedenstellende eisphobe Beschichtung. Hier setzt unsere Forschung ein.
b) Kondensationsverzögerung
Eis im Tiefkühler ist nicht immer willkommen. Dies gilt vor allem für lästiges Eis welches aus der Kondensation von Luftfeuchtigkeit entsteht, hervorgerufen durch das Öffnen der Kühlschranktüre. Die Kondensation von Wasserdampf auf durchsichtigen Kühlschrankschubladen zum Beispiel kann diese opak und undurchsichtig machen, so dass der Inhalt nicht mehr erkannt werden kann. Die Schubladen erfüllen dann ihren Zweck teilweise nicht mehr. Dieses wollen wir durch eine kondensationsverzögernde Beschichtung verhindern. Dazu muss man zuerst verstehen, wie die Vereisung im Kühlschrank entsteht. Luft kann nämlich eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen und zwar gilt, je wärmer die Luft desto grösser ist ihre Wasseraufnahmefähigkeit. Wenn also warme, feuchte Luft in Kontakt mit kalten Oberflächen kommt kühlt sie sich ab und gibt ihre gespeicherte Feuchtigkeit als Kondenswasser oder Reif auf die kalte Fläche ab. In der Natur als Raureif geschätzt, ist Frost im Kühlschrank unerwünscht. Wir haben Beschichtungen entwickelt auf welchen Frost nur verzögert entsteht, und wir testen diese auf mögliche Anwendungen, beispielsweise in Tiefkühlern.
c) Antifreeze-Beschichtungen
Daneben arbeiten wir an Beschichtungen, welche das Gefrieren von flüssigem Wasser auf Oberflächen verzögern. In der Natur kommen Antifreeze-Proteine vor, welche das Einfrieren von Organismen verhindern können. Diese Proteine wirken nach einzigartigen Mechanismen und dienen uns als Vorbild für Antifreeze-Beschichtungen. Die Fähigkeit von Antifreeze-Beschichtungen, Wasser darauf verspätet gefrieren zu lassen, hätte eine mögliche Anwendung für Wärmetauscher. Kondenswasser auf den Lamellen von Wärmetauschern kann gefrieren und dadurch den Wärmeaustausch behindern. Antifreeze-Beschichtungen könnten das Anfrieren verzögern, so dass das Wasser ablaufen kann und die Lamellen eisfrei bleiben.
Was ist das Besondere an diesem Projekt?
Dieses innovative Projekt entspricht der Förderpolitik der Gebert Rüf Stiftung, weil es ein wichtiges Problem der modernen Technik unkonventionell angeht: Die Vereisung von Oberflächen. Das Projekt vereint die Disziplinen Materialwissenschaften, Physik und Chemie. Grenz- und Oberflächenphänomene sollen untersucht, verstanden und wirksam beeinflusst werden. Schon in einem sehr frühen Stadium werden wirkungsorientierte Lösungsansätze aufgezeigt und Antworten gesucht, welche eine hohe technische und wissenschaftliche Relevanz und eine bedeutende Auswirkung auf viele Bereiche haben können.
Stand/Resultate
a) Adhäsionsverhinderung
Mit Hilfe eines selbst entwickelten Eishaftungstests sind wir in der Lage, die Eishaftung an potenziell eisphobe Beschichtungen zu bestimmen. Viele Beschichtungsmaterialien werden untersucht und eine Rangliste der Eishaftungsreduktion kann mit Hilfe des ARF-Wertes aufgestellt werden. Der ARF-Wert (Adhäsions-Reduktions-Faktor) vergleicht die Eishaftung an eine Beschichtung mit derjenigen an blankes Aluminium. Je höher der ARF-Wert, desto grösser die Haftungsreduktion und desto stärker der eisphobe Charakter der Beschichtung. Schätzungen in der Literatur gehen davon aus, dass ein ARF-Wert von etwa 100 nötig ist, um eine Selbstenteisung des Rotorblatts zu gewährleisten. Der ARF-Wert von Teflon beträgt etwa 7. Mit unseren Beschichtungen erreichen wir ARF-Werte von über 100. Daher sollte unsere Beschichtung Rotorblätter vor dem Vereisen schützen. Im Winter 2011/12 werden Feldversuche an Windenergieanlagen mit unseren Beschichtungen durchgeführt. Zwei Anlagen sollen verglichen werden: Die eine mit beschichteten Rotorblättern, die andere ohne. Wir erwarten, dass es durch unsere Beschichtung zu weniger Produktionsausfällen wegen Vereisung kommt. Diesen Projektteil bearbeiten wir zusammen mit der Renewable Energy Technology Center GmbH (RETC), ein Joint Ven-ture von REpower Systems AG und Suzlon Energy Ltd, dem Bundesamt für Energie (BFE) und Clariant International.
b) Kondensationsverzögerung
Es ist uns gelungen, zwei unterschiedliche, stabile Beschichtungen mit frostverzögernder Wirkung herzustellen. Die Beschichtungen sind gut haftend auf, z. B. Glas, wasserunlöslich und nicht klebrig. Sie zeigt eine gute Wirkung gegen das Beschlagen kalter Oberflächen. Wir sind daran, die Beständigkeit dieser Beschichtung zu optimieren. Für die Mitarbeit an diesem Projektteil danken wir der Liebherr Haushaltsgeräte Ochsenhausen GmbH und Clariant International.
c) Antifreeze-Beschichtungen
Erste Versuche mit der Anitifreeze Beschichtung auf Flügelprofilen in einem Eis-Windkanal zeigten zwar einen Effekt, dieser war jedoch nicht ausreichend, dass das Flügelprofil eisfrei blieb. Am unbeschichteten Referenzprofil bilden die auftreffenden, unterkühlten Tröpfchen eine Nase, das heisst sie froren gleich an. Die Antifreeze Beschichtung verhinderte die Bildung einer Eisnase, die Tröpfchen wurden weiter nach hinten transportiert. Allerdings froren sie trotzdem noch auf dem Profil an und wurden nicht, wie erhofft, vom Profil geblasen bevor sie gefroren. Wir sind daran mit diesen Beschichtungen Modellversuche zur Vereisung von Wärmetauschern durchzuführen. Unterstützt wird dieser Projektteil vom Bundesamt für Energie (BFE), von RETC und von Clariant International.
Publikationen
«Antifreeze Beschichtungen für Rotorblätter»: Siegmann, K., Hirayama, M., Erneuerbare Energien 2007, Ausgabe 11, 38-41;
«Wirksame Antifreeze-Beschichtungen»: Siegmann, K., Hirayama, M., Schweizer Maschinenmarkt SMM 2007, 108 Ausgabe 10, 88-89;
«Frostschutz für Windenergieanlagen Siegmann»: K., Meola, G., Hirayama, M., Bulletin SEV/AES 2009, 10, 23-26;
«Gefrierpunktserniedrigende Oberflächenbeschichtungen»: Hirayama, M., Siegmann, K., Meola, G., WO 2010/009569 A1.
Medienecho
«Frostschutz – von arktischen Fischen inspiriert», K. Siegmann, M. Hirayama: Neue Zürcher Zeitung, 31.10.2007, 253, B3;
«Frostschutz für Flugzeuge»: DER SPIEGEL, 11.2007, Nr. 45 Seite 199;
«Eis beeinträchtigt Windkraftwerke»: Newsletter des Bundesamts für Energie BFE,März 2009/2;
«Sanfte Tiefkühlung mit natürlichen Mitteln»: NZZ Online, 29. Dezember 2010;
«Fighting the Cold with Coatings»: JCT CoatingsTech 8(2), (2011), 28-29.
Links
Am Projekt beteiligte Personen
Prof. Dr. Martina Hirayama, Projektleiterin, martina.
hirayama@zhaw. ch
Dr. Konstantin Siegmann, konstantin.
siegmann@zhaw. ch
Dr. Markus Susoff, markus.
susoff@zhaw. ch
Dr. Karin Dänhardt, karin.
daenhardt@zhaw. ch
Cornelia Pfaffenroth, cornelia.
pfaffenroth@zhaw. ch
Letzte Aktualisierung dieser Projektdarstellung 17.07.2018