DFG-Verbundprojekte

Die Forschungsaktivitäten an unserer TUHH sind in der ingenieurwissenschaftlichen Grundlagenforschung verankert. Ein Indikator für den Erfolg in der Grundlagenforschung und für deren Qualität ist die Vergabe von Forschungsmitteln durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Bislang konnten vier Sonderforschungsbereiche, vier Forschergruppen, vier Graduiertenkollegs und diverse Schwerpunktprogramme an der TUHH eingerichtet werden.

Sonderforschungsbereich 986

Maßgeschneiderte multiskalige Materialsysteme – M3

Leitung: Prof. Dr. Gerold Schneider

Homepage des SFB 986

Das langfristige Forschungsziel des SFB „Maßgeschneiderte multiskalige Materialsysteme – M3“ ist es, experimentelle Methoden zur Herstellung und Charakterisierung multiskalig strukturierter Materialien mit maßgeschneiderten mechanischen, elektrischen und photonischen Eigenschaften zu entwickeln. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat an der TUHH die Einrichtung des gemeinsam mit der Universität Hamburg und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht beantragten SFB genehmigt. Gemeinsames Ziel der insgesamt 21 beteiligten Wissenschaftler ist über die Fächergrenzen hinweg die Entwicklung völlig neuartiger Werkstoffe.

Multiskalige Strukturierung wird durch eine gezielte Anordnung einzelner Bausteine auf unterschiedlichen diskreten Längenskalen erreicht. Diese Bausteine bestehen aus polymeren, keramischen oder metallischen Materialien oder daraus zusammengesetzten strukturierten bzw. funktionalisierten Einheiten. Grundlage ist der Gedanke, dass komplexe – und insbesondere multiskalige und/oder hierarchische – Gefüge bzw. Materialsysteme durch den gezielten Einsatz alternativer Synthese- und Assemblierungsprozesse aus den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik maßgeschneidert hergestellt werden können. Diese Materialsysteme weisen neuartige Eigenschaftsprofile auf.
In den Projektbereichen des SFB 986 werden ausgehend von funktionalisierten elementaren Funktionseinheiten makroskopische hierarchische Materialsysteme aus Polymer, Keramik, Metall und Kohlenstoff (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Aerographite) erzeugt, wobei die Längenskalen vom Atom bis zur Makroskala reichen (siehe Abb.). Die Materialsysteme der drei Projektbereiche unterscheiden sich einerseits in ihrer multiskaligen Struktur und andererseits in ihren funktionalen Eigenschaften. Während im Projektbereich A quasi-selbstähnliche Strukturen mit multifunktionalen Eigenschaften im Vordergrund stehen, zielt der Projektbereich B auf ‚integrierte’ nanostrukturierte mehrphasige Materialsysteme, die aufgrund des Gefügedesigns Festigkeit und funktionelle – insbesondere elektrische – Eigenschaften in sich vereinen. Im Projektbereich C liegt der Schwerpunkt auf hochgeordneten hierarchischen periodischen und aperiodischen Strukturen und deren photonischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen.

Das besondere Innovationspotential des SFB 986 liegt darin, quasi am Reißbrett makroskopische, multiskalig strukturierte Werkstoffe und Bauteile zu entwickeln, bei denen durch gezielten Austausch der Bausteine die Eigenschaften diskontinuierlich verändert werden können. Wenn es gelingt, dieses Konzept umzusetzen, werden völlig neuartige Materialfunktionen erwartet.

DFG Graduiertenkollegs

DFG-Schwerpunktprogramme

1570: Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese

Leitung: Prof. Dr. Frerich Keil

Das Problem der Behandlung von Transportprozessen und Reaktionen in porösen Medien begleitet die Verfahrenstechnik bereits seit den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Katalysatorträger, Membranen, Adsorbentien, Chromatographiesäulen, zu trocknende Materialien, wie z. B. Kohle oder Torf, sind porös. Die poröse Feststoffstruktur wurde zunächst als effektives Medium modelliert. Zu Beginn der fünfziger Jahre setzte langsam eine detailliertere Modellierung der Porenstruktur ein, die in den neunziger Jahren einen raschen Aufschwung nahm. Zum ersten Mal wurden von weltweit etwa fünf Gruppen Optimierprobleme anhand von Porenstrukturen gemäß vorgegebener Kriterien gelöst, die klar gezeigt haben, dass sich die Optimierung von Porenstrukturen lohnt, um z. B. Ausbeuten von Katalyseprozessen zu erhöhen. Es gab jedoch ein wesentliches Hindernis: man konnte die optimalen Strukturen nicht gezielt herstellen.

Diese Situation hat sich in den letzten zehn Jahren drastisch geändert. Durch Einsatz neuer Templattechniken, der Verwendung neuer Precursoren, polymerkontrollierte Phasentrennung mit z. B. Polyethlyenoxid (PEO), Direktschäumungsverfahren sowie lithographischer Methoden etc. ist es nun möglich geworden, Porenstrukturen auf der Nano-, Meso- und Makroskala entsprechend Vorgaben herzustellen. Dadurch wird die kontrollierte Synthese berechneter optimaler Strukturen möglich. In den letzten Jahren wurde daher der Terminus "Engineered Porous Materials" geprägt. Weiterhin wurden in den letzten Jahren wesentliche Fortschritte in der Charakterisierung poröser Materialien gemacht, zum einen aufgrund deutlich besserer Modelle, wie z. B. der "non-local density functional theory" (NLDFT), und zum anderen aufgrund bildgebender Verfahren, wie z. B. "Magnetic Resonance Imaging" (MRI), mehrdimensionale NMR oder Kombination von Physisorptionsexperimenten mit Kleinwinkelröntgenstreuung (in situ SANS/SAXS-Physisorption). Das MRI gestattet eine in-situ Beobachtung von Gaszusammensetzungen und Flüssigkeitsverteilungen im Inneren einzelner Pellets mit einer örtlichen Auflösung, die vor wenigen Jahren nicht möglich war, sowie die Messung von Diffusionskoeffizienten. In den letzten Monaten ist es zum ersten Mal gelungen, auf molekularer Ebene Reaktionen in Zeolithen einschließlich der Diffusionsvorgänge bis hin zum Reaktor durch Mehrskalenmethoden zu beschreiben.

Die neuen Möglichkeiten der Synthese, Charakterisierung und Modellierung sollen im beantragten Schwerpunkt für verfahrenstechnische Anwendungen genutzt werden. Dazu sollen Verfahrenstechniker und einschlägig bekannte Synthesechemiker sowie Werkstoffwissenschaftler gemeinsam das Potential definierter Porenstrukturen in der Verfahrenstechnik ausloten. Die Hauptgebiete sollen Modellierung, Anwendungen und Synthese von definierten Porenstrukturen in der Verfahrenstechnik sein. Es sollen einige paradigmatische Beispiele als Anwendungen herangezogen werden, überwiegend aus dem Bereich Umweltschutz und Energietechnik, z. B. Adsorption von Fluiden, Membrantrennungen und -Reaktoren, Trocknungstechnik, katalytische Mehrphasenreaktoren, Reinigung von Kraftwerksabgasen. Die benutzten porösen Materialien sollen entsprechend den Vorgaben optimaler verfahrenstechnischer Erfordernisse synthetisiert und dann im Betrieb getestet werden. Um vertiefte Einsichten in die Beziehungen zwischen Porenstruktur und Eigenschaften zu gewinnen, sollen detaillierte Porenmodelle und Modelle der Reaktions-/Diffusionsvorgänge erstellt werden, in Einzelfällen bis zur molekularen Auflösung (Monte Carlo, Molekulardynamik, DFT), deren Daten anhand der erwähnten Messmethoden geprüft werden sollen. Insbesondere sollen auch Analogien in der Modellierung verschiedener verfahrenstechnischer Anwendungen herausgearbeitet werden.

1679: Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse - DynSim-FP

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Stefan Heinrich

Verfahrenstechnische Prozesse der Stoff- und Energiewandlung bestehen oft aus vielen einzelnen Teilschritten, die durch Stoff-, Energie- und Informationsflüsse miteinander vernetzt sind. Die Vernetzung der einzelnen Komponenten hat erhebliche Auswirkungen auf das dynamische Verhalten und die Stabilität derartiger Prozesse. Zur Auslegung und Optimierung, insbesondere im Hinblick auf die Schonung der Energie- und Rohstoffressourcen, sollten deshalb nicht nur die einzelnen Komponenten simuliert werden, sondern auch das dynamische Verhalten des Gesamtprozesses. Während dies in der Fluidverfahrenstechnik Stand der Technik ist und unterschiedliche Tools zur dynamischen Fließschemasimulation kommerziell verfügbar sind, fehlen in der Feststoffverfahrenstechnik Programmsysteme und dynamische Modelle, die ohne Beschränkungen auf spezielle Anwendungen zur dynamischen Fließschemasimulation genutzt werden können. Grund hierfür ist die komplexe Beschreibung von Feststoffen mit ihren multivariaten dispersen Eigenschaften und der zugehörigen Prozesse zur Umwandlung von Feststoffen.

Das zentrale Ziel des Schwerpunktes ist es, numerische Werkzeuge für eine dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse zu schaffen. Hierzu sollen dynamische Modelle der unterschiedlichen Apparate und Maschinen der Feststoffverfahrenstechnik formuliert und implementiert werden. Benötigt werden physikalisch begründete, prädiktive Modelle, die eine ausreichend genaue Simulation des Prozesses erlauben und hierbei den Einfluss aller relevanten Parameter berücksichtigen. Im Hinblick auf die Simulation vernetzter Feststoffprozesse ergeben sich einige Anforderungen an diese Modelle. Die Modelle sollen einen möglichst weiten Einsatzbereich haben, insbesondere sollten sie nicht auf bestimmte Stoffe oder Stoffsysteme beschränkt sein. Auch müssen die dispersen Eigenschaften der Feststoffe berücksichtigt werden. Dies ist nicht nur die Korngrößenverteilung, auch weitere Größen, wie die Zusammensetzung, die Dichte und die Kornform können Verteilungen unterliegen. Weiterhin müssen bei den meisten Prozessen die Interaktionen mit der umgebenden fluiden Phase berücksichtigt werden; auch bezüglich der fluiden Phase darf es keine Beschränkung auf bestimmte Stoffe geben.

Das Forschungsprogramm des SPP ist in drei Bereiche aufgestellt:

A – Neue dynamische, physikalisch basierte Prozessmodelle für Maschinen und Apparate

Damit die Modelle einen breiten Parameterbereich abdecken und prädiktiv eingesetzt werden können, muss eine klare Unterscheidung zwischen den Eigenschaften des behandelten Feststoffs (Materialfunktion) und den Eigenschaften der Maschine bzw. des Apparates einschließlich der Ausrüstung und Betriebsweise (Apparate-/Maschinenfunktion) erfolgen.

B – Stoffmodelle in der Feststoffverfahrenstechnik

Die Entwicklung neuer Stoffmodelle oder -gesetze dient der Ermittlung der Modellparameterwerte sowie der Berechnung der Produktqualität auf Basis von dispersen, über die dynamischen Prozessmodelle berechneten Eigenschaften, wie der Partikelgrößenverteilung.

C – Algorithmen und Prozesssimulation

Die Modellierung der betrachteten Prozesse führt auf Populationsbilanzsysteme. Diese koppeln Gleichungen zur Massen-, Energie- und Impulserhaltung mit Gleichungen zur Beschreibung der Populationen.

Am Ende der Projektlaufzeit (6 Jahre) sollen die entwickelten Modelle und Methoden in eine gemeinsame Laufzeitumgebung implementiert werden und standardisierte Schnittstellen benutzen, sodass eine geschlossene Simulation von vernetzten Prozessen exemplarisch durchgeführt werden kann. Die Definition der Schnittstellen soll im Rahmen eines zentralen Projektes in Zusammenarbeit mit allen Projektpartnern erfolgen.

1740: Einfluss lokaler Transportprozesse auf chemische Reaktionen in Blasenströmungen

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Schlüter

Das Problem bei der Herstellung von Chemikalien für z.B. Kunststoffe, Farben, Lacke oder auch Pharmazeutika ist die geringe Ausbeute innerhalb des Umwandlungsprozesses. 80 Prozent sind häufig nicht mehr weiter nutzbare minderwertige Nebenprodukte, die als Abfall, Abwasser oder Abluft entsorgt werden müssen. In Zeiten von Rohstoffknappheit, steigenden Rohstoffpreisen und des Umweltschutzes müssen effizientere Verfahren durch den Einsatz innovativer Methoden entwickelt werden. Dies geschieht durch die intensive Zusammenarbeit zwischen Verfahrenstechnik, Strömungsmechanik, der Chemie und der Mathematik.

Die Umwandlung von Stoffen mit hoher Ausbeute und Selektivität ist eine der vorrangigsten Aufgaben der chemischen Verfahrenstechnik. Für viele Bulkchemikalien müssen gasförmige Stoffe mit einer kontinuierlichen flüssigen Phase vermischt und zur Reaktion gebracht werden (z.B. Oxidationen). Als für Einphasenströmungen gezeigt wurde, dass chemische Reaktionen durch die Vermischung auf unterschiedlichen Zeit- und Größenskalen beeinflusst werden, war  für reaktive Blasenströmungen ein großes Optimierungspotenzial erkennbar, da hier zusätzliche Transportwiderstände durch Phasengrenzen und Grenzschichten auftreten. Skalenübergreifende Transportprozesse mit gekoppelter Reaktion konnten bisher nicht ausreichend beschrieben werden, so dass häufig Reaktionsgeschwindigkeiten zu Grunde gelegt wurden, die neben der intrinsischen Kinetik einen unbekannten Stofftransportanteil einbeziehen. Die Übertragbarkeit von Modellen und die prädiktive Vorhersage von Ausbeute und Selektivität sind nur sehr begrenzt möglich.

Heute stehen zur experimentellen Bestimmung von intrinsischen Kinetiken und zur Aufklärung einzelner Reaktionsschritte sowie lokaler Stofftransportprozesse neue miniaturisierte Reaktoren, Untersuchungsmethoden und Messtechniken zur Verfügung, die Prozesse auf kleinsten Zeit- und Größenskalen auflösen (z.B. Bildsensortechnik). Zudem wurden im Bereich der numerischen Simulation mit neuen Hochleistungsrechnern und neuen Methoden (z.B. Berücksichtigung von Konzentrationssprüngen an Phasengrenzen und Grenzflächenkontaminationen) enorme Fortschritte erzielt.

Um die Herausforderungen einer prädiktiven Prozessführung zu bewältigen, müssen diese experimentellen und numerischen Fortschritte für die Verfahrenstechnik nutzbar gemacht und Stofftransport- und Reaktionsschritte lokal gekoppelt werden. Die neuen Möglichkeiten zur Aufklärung von Reaktionsnetzwerken und lokalen Transportprozessen sowie zur numerischen Simulation von Gas-Flüssig-Grenzflächen sollen im SPP gezielt für die systematische Analyse komplexer verfahrenstechnischer Prozesse genutzt werden. Dazu ist es erforderlich, Reaktionssysteme so genau zu charakterisieren, wie es für die detaillierte Erfassung der Wechselwirkung von Gas-Flüssig-Stofftransport und -Reaktion notwendig ist. Neue Methoden zur Einstellung definierter Vermischungsverhältnisse (Mikroreaktoren, Turbulenzgeneratoren) sollen hierbei ebenso zur Anwendung kommen, wie neue Messapparaturen (z.B. Drehkammer, Taylor-Flow Kapillaren) und neue Analysemethoden (z.B. Resonanz-Raman-, Coherente Anti-Stokes-Raman- und Zweiphotonen Spektroskopie). In der numerischen Simulation sind neue Methoden zur Berechnung des Stoffübergangs und der Implementierung von Reaktionen erforderlich (z.B. dynamisch adaptierte Gitter in Kombination mit parallelen Rechentechniken). Im SPP sollen somit experimentelle und numerische Methoden gleichwertig zur Analyse und Berechnung von reagierenden Blasenströmungen entwickelt und angewendet werden.

Initiiert wurde das neue SPP durch Akteure des ProcessNet Forschungsnetzwerks „Campus Blasensäulen“. Zum Programmausschuss gehören Prof. Dieter Bothe vom Center of Smart Interfaces der TU Darmstadt, Prof. Ullrich Nieken, Leiter des Instituts für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart und Frau Prof. Herres-Pawlis vom Department für Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das SPP mit 10 Millionen Euro.