Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Methode
Eine nachhaltige Energieversorgung ist eine zwingende Voraussetzung für die Transformation unserer Gesellschaft von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien. Um dieses Ziel zu erreichen, sind neue Technologien mit höheren Wirkungsgraden in der Energieumwandlung erforderlich. Sowohl die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung als auch der Green Deal der Europäischen Union zielen auf eine nachhaltige und ressourceneffiziente Wirtschaft und Gesellschaft ab. Die Effizienz der Energieumwandlung ist entscheidend für die Erreichung der notwendigen Energiemengen und selbst kleine Änderungen des Wirkungsgrads können eine dramatische Rolle spielen. Daher entwickeln wir neue Materialien für die Energiewandlung auf Basis von Kapillarsuspensionen.
Dotierung, Variation oder Modifikation der chemischen Zusammensetzung und unterschiedliche Verarbeitungsparameter sind die klassischen Freiheitsgrade für die Materialmodifikation in der Materialwissenschaft, um die Eigenschaften von Materialien und Bauteilen zu beeinflussen. In letzter Zeit wurde jedoch eine breite Palette von additiven Fertigungstechniken entwickelt, die es ermöglicht, komplexe Geometrien in ehemals unzugänglichen Längenskalen zu entwerfen. Für Keramiken und pulvermetallurgisch verarbeitete Materialien eröffnet dies einen Bereich von etwa 100 µm bis hin zu Bauteilen im Größenbereich von mm oder sogar cm. Da jedoch typische Partikelgrößen normalerweise im Bereich von hunderten von nm bis hin zu einstelligen µm liegen, bleibt eine Designlücke zwischen 10 µm und 100 µm ohne Kontrolle über die Geometrie.
Kapillarsuspensionen sind die ideale Methode, um die Designlücke im Mikrometerbereich zu schließen. Die Methode ermöglicht die Kontrolle eines Partikelnetzwerks im Größenbereich der Partikelgrößen. Dadurch können geordnete Strukturen von 100 Nanometern bis 100 Mikrometern geschaffen werden. In Kombination mit Techniken zur additiven Fertigung sind multi-hierarchische Meta-Strukturen zugänglich, welche die Kontrolle und Gestaltung neuer Bauteilgeometrien ermöglichen. Wir konnten bereits zeigen, dass in Kombination mit Funktionskeramiken die Eigenschaften dramatisch gesteigert werden können. Solche Ansätze können auch andere Anwendungen der Energieumwandlung revolutionieren. Kontrollierte poröse Strukturen sind entscheidend für eine Reihe von Geräten, wie zum Beispiel poröse Transportlagen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, poröse Nickel-Schäume für die Umwandlung von Nitrat zu Ammoniak, poröse Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien oder additiv gefertigte thermoelektrische Generatoren.