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Porous material Analysis Toolbox - Open source

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EU-Forschung nimmt Feuerprobe auf sich

Die Unterstützung extraterrestrischer Weltraummissionen und die Lösung der Probleme des Klimawandels hier auf der Erde haben etwas gemeinsam. Innovative Forschung untersuchte ähnliche Vorgänge, welche Hitzeschilde und Holzbiomasse betreffen, mit theoretischen und experimentellen Ansätzen.

Energie
Grundlagenforschung

Der Hitzeschild eines Raumfahrzeugs, das in die Atmosphäre eines Planeten eintritt, und die Holzbiomasse in Anwendungen erneuerbarer Energien durchlaufen beide einen selbsterhaltenden physikalischen und chemischen Prozess, der Pyrolyse genannt wird. Die Charakterisierung der Pyrolyse dieser porösen Materialien ist für die optimale Konstruktion von Thermalschutzsystemen für Weltraummissionen und Pyrolysereaktoren zur Optimierung der Erzeugung von Biokohlenwasserstoff und festem Kohlenstoff entscheidend. Mit Unterstützung eines Einzelstipendiums im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen kombinierte das Projekt PATO erstmals erfolgreich die experimentelle und theoretische Erforschung dieser beiden wichtigen Gebiete.

Es kam aus dem All

Im Jahr 2009 begann Jean Lachaud, heute außerordentlicher Professor an der Universität Bordeaux, ein numerisches Simulationsinstrument für die Nationale Aeronautik- und Raumfahrtbehörde (NASA) zur Untersuchung poröser Materialien für die Verwendung in Thermalschutzsystemen zu programmieren. Er nannte es „Instrumentarium zur Analyse poröser Materialien“ (PATO). Gestützt auf die frei zugängliche, quelloffene Software für numerische Strömungsmechanik OpenFoam wird PATO seit 2012 in 20 Gruppen in den Vereinigten Staaten und in Europa genutzt, in erster Linie in Projekten der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Diese Zusammenarbeit besteht weiterhin. Lachaud gibt im Auftrag der NASA weiterhin zweimal jährlich Aktualisierungen heraus und die Unterstützung für Standardnutzende ist kostenfrei. 2014 besiegelte Lachaud seinen Plan, mithilfe von PATO die Biomassepyrolyse zu modellieren und Vorhersagemodelle sowie einen innovativen Pyrolysereaktor zu entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt wurde das von den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Projekt PATO gegründet. Lachaud war Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat und Azita Ahmadi von der Arts et Métiers ParisTech (ENSAM) Projektkoordinatorin und -betreuerin. „Das Projekt PATO fasste, gestützt durch das Design, den Bau und die Nutzung spezieller Versuchsanlagen, um die chemischen Reaktionen in porösen Medien vollständig zu charakterisieren, wesentliche Verbesserungen bestehender Pyrolysemodelle ins Auge“, so Lachaud.

Die Geschichte zweier Harze

Thermalschutzsysteme von Raumfahrtstrukturen werden üblicherweise aus Kohlenstoff-Phenol-Komponenten hergestellt, die aus steifen Kohlenstofffasern niedriger Dichte bestehen, welche mit Phenol-Polymerharz imprägniert sind. Das Lignozellulosematerial in Holz weist eine ähnliche Struktur auf, wobei Zellulose- und Hemizellulosefasern durch das organische Polymerlignin „verbunden“ sind. Lachaud erklärt: „Wenn sich die Hitze von der Grenzschicht in das Innere des Materials in einem quasi stabilen Zustand ausbreitet, kann die Veränderung des Neumaterials in vier Phasen aufgeteilt werden: Trocknen, Pyrolyse, Kracken und Verkoken sowie Verdampfen und Schwelen. Die Modellierung ging Begrenzungen in Ansätzen von vier physiochemischen Phänomenen an, die bei Thermalschutzsystemen während des Eintritts in die Atmosphäre und bei Biomasse während der Pyrolyse auftreten.“

In der Pyrolyseforschung geht es heiß her

Eines der Hauptziele der Einzelstipendien im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen ist die Wiedereingliederung in langfristige Forschungsstellen in Europa, darunter auch in den Herkunftsländern der Forschenden. Nach einem produktiven Jahr mit ENSAM und dessen Partnerschaft mit der Abteilung für Energieträgerflüssigkeiten am Institut für Mechanik und Ingenieurwesen an der Universität Bordeaux, wurde Lachaud eine außerordentliche Professur angeboten, welche er auch annahm. Obwohl dies die Laufzeit des Projekts PATO verkürzte, geht die bahnbrechende Arbeit weiter. Lachaud abschließend: „Die PATO-Plattform wird weiterhin aktualisiert, ebenso wie die Simulationen des Pyrolysereaktors. Wir erwarten, dass die Verbesserungen des Reaktorprototyps zur Kommerzialisierung des Pyrolysereaktors führen. Dies bringt bedeutende Auswirkungen sowohl für Anwendungen poröser Materialien in der Forschung und der Industrie mit sich.“

Schlüsselbegriffe

PATO, Pyrolyse, poröse Materialien, Pyrolysereaktor, NASA, Holzbiomasse, Hitzeschild, Harz, Thermalschutzsystem

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