Unser Verständnis disperser Mehrphasenströmungen als Schlüssel zu zukunftsweisenden Technologien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Fabian Sewerin
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443546539

In diesem Projekt verfolge ich das Ziel, unser Verständnis von reagierenden, turbulenten Mehrphasenströmungen zu erweitern und, auf dieser Basis, die Umsetzung von zwei aufkommenden Technologien zu ermöglichen: Die Verbrennung von metallischen Treibstoffen im Rahmen einer nachhaltigen Energiewirtschaft und die industrielle Kultivierung mesenchymaler Stammzellen (MSZn) für regenerative Therapieformen. Metallische Treibstoffe sind Pulver, die aus µm großen Partikeln bestehen und zurzeit als Alternativen für energetisch dichte, wiederverwendbare Energieträger untersucht werden. Ähnlich wie fossile Brennstoffe, können metallische Pulver in Luft verbrannt werden, liefern jedoch feste Verbrennungsprodukte, die aus den Abgasen extrahierbar sind. Im Einklang mit dem Bestreben unserer Gesellschaft, dem Klimawandel entgegen zu wirken und zu einer kohlenstofffreien Energiewirtschaft überzugehen, können metallische Treibstoffe die Basis für einen nachhaltigen Kreislauf bilden, in dem primäre Energie aus regenerativen Quellen gebunden, verteilt und freigesetzt wird. Die physikalischen Vorgänge in turbulenten Flammen metallischer Treibstoffe werden von einer komplizierten Wechselwirkung zwischen Turbulenz, chemischen Reaktionen und Partikeln bestimmt, für die unser gegenwärtiges Verständnis noch unvollständig ist und die Entwicklung von Vorhersagemodellen herausfordernd bleibt. Ganz ähnliche Schwierigkeiten treten in einer anderen Anwendung auf, der Kultivierung von MSZn auf kolonisierten Mikroträgern in Rührreaktoren. MSZn können aus dem Knochenmark isoliert werden und im Rahmen regenerativer Therapien nicht nur zur Instandsetzung von Skelettgewebe, sondern auch als transplantierbare Apothekerzellen eingesetzt werden.Um die Entwicklung von Motoren für metallische Treibstoffe und die Industrialisierung regenerativer Therapien zu unterstützen, betrachte ich die dispersen Mehrphasenströmungen, die hier auftreten, aus einem einheitlichen Blickwinkel und entwickle ein Modell, das die physikalischen und mathematischen Approximationen in bisherigen Ansätzen umgeht. Dabei wird die partikuläre Phase über eine Populationsbilanzgleichung beschrieben, die ich mit Hilfe eines probabilistischen Ansatzes zur Auflösung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz, Chemie und Partikeln in eine Grobstruktursimulation einbette. Die neuartige Modellformulierung liefert uns ein kostengünstiges Werkzeug für die Untersuchung elementarer Phänomene, die die Wiederverwertbarkeit metallischer Treibstoffe und das Wachstum von MSZn beeinflussen, und leistet einen Beitrag zur Energiewende und dem Ausbau der pharmazeutischen Infrastruktur.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen