Laser im Reaktor

Gemeinsam haben die Wissenschaftler des Verbundprojekts „HITECOM" einen völlig neuen technischen Aufbau entwickelt, mit dem sie die Reaktionen einzelner Kohlepartikel unter hohen Drücken und Temperaturen genau beobachten können.

Statt die Umsetzung winziger Kohlepartikel wie bisher nur indirekt zu erfassen, können die Ingenieure und Physiker des Verbund-ZIKs HITECOM die Reaktionen nun direkt analysieren. Das ermöglicht detaillierte Erkenntnisse darüber, was geschieht, wenn Kohle mit Kohlendioxid und Wasserdampf zu Synthesegas reagiert. Dieser Vergasungsprozess ist industriell äußerst relevant, beispielsweise für die großtechnische Herstellung von Basischemikalien wie Ammoniak oder Methanol, bis hin zu Kraftstoff.

Die Freiberger und Jenaer haben einen Hochdruckreaktor mit modernsten Laserspektroskopie-Methoden kombiniert. Die größte Herausforderung dabei war, die sensible, hochauflösende Laseroptik so zu integrieren, dass trotz der hohen Temperaturen und Drücke stabil gemessen werden kann.

Modelle für die Praxis

Grafische Darstellung des Temperaturprofils eines Kohlepartikels. Eine Figur aus grauen Rastern bildet den Hintergrund. In der Mitte ist ein kleiner Ball zu sehen, der das Farbspektrum zeigt.

So sieht die grafische Darstellung des Temperaturprofils eines Kohlepartikels im HITECOM-Reaktor aus, das die Freiberger berechnet haben.

Stefan Guhl, TUB Freiberg

Genau das haben sie geschafft. Die Ingenieure konnten die Temperaturen und die Stoff-Konzentration während der Reaktion am Kohlepartikel exakt vermessen. Ein großer Erfolg, den sie nur gemeinsam mit den Jenaer Physikern erlangen konnten. Erst die optischen Technologien ermöglichten den genauen analytischen Blick. „Mit diesen Messergebnissen können wir jetzt unsere mathematischen Simulationsmodelle überprüfen und verbessern“, sagt Stefan Guhl, Projektkoordinator von HITECOM. Die Modelle werden zur Simulation von Vergasungsprozessen in großtechnischen Anlagen eingesetzt. Sie sind für die Industrie von enormer Bedeutung. Schließlich helfen sie, bei der Prozessoptimierung und Neuentwicklung Zeit und Geld zu sparen. Aufwendige Pilotanlagen werden überflüssig. Mit solchen mathematischen Modellen wird in der Praxis zwar schon gearbeitet, doch die Freiberger Forscher haben sie im Rahmen von HITECOM auf eine qualitativ höhere Stufe gehoben. Und zwar nicht nur theoretisch, sondern sofort anwendungsbereit, beispielsweise für die Optimierung von Industriereaktoren.

Optische Hilfe für genauere Erkenntnisse

Foto eines großen Gerätes dem Jenaer Lasersystem, ähnlich wie ein Tisch aus Metall.

Mit diesem Jenaer Lasersystem werden Femtosekundenpulse erzeugt, um Reaktionen zu analysieren, bei denen unter hohem Druck und hoher Temperatur Gase entstehen.

Roland Ackermann, FSU Jena

Gleichzeitig haben die Jenaer neue optische Technologien entwickelt, mit denen auch andere Reaktionen unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen untersucht werden können, bei denen Gase entstehen. Ihre Methoden beruhen auf der so genannten Raman-Streuung. Dabei werden Gasmoleküle mit intensiven Laserpulsen angeregt. Sie senden daraufhin Licht mit einer für das Gas charakteristischen Wellenlänge aus, das gemessen werden kann. Die Physiker nutzen dafür Laserpulse, die nur wenige Femtosekunden dauern, das sind gerade mal 10-15 Sekunden. Der Vorteil: In dieser kurzen Zeit spielen störende Einflüsse von Molekülstößen keine Rolle, die bei hohen Drücken und Temperaturen vorherrschen. Das eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten. Deshalb denken die Forscher keinesfalls ans Aufhören, auch wenn sich das Verbundprojekt HITECOM dem Ende nähert. „Wir haben einen einmaligen Versuchsaufbau, der viel Kraft und Geld gekostet hat“, sagt Guhl. „Das Team ist eingespielt, die Zusammenarbeit funktioniert wunderbar. Jetzt geht es darum, die Technik für neue Aufgabenstellungen zu nutzen.“

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