Mikro-explodierende Metallpartikel und Bildung von Oxid-Nanopartikeln: Entwicklung von in situ Visualisierung und morphologischer Bildanalyse

• Antragsteller: Dr. Niklas Jüngst
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517038121

Die Verbrennung von Metallpulvern und die anschließende Reduktion werden einen Beitrag zur kohlenstoffneutralen Erzeugung und Speicherung von Wärme und Strom leisten. Metallpulver haben eine hohe volumetrische Energiedichte, was den Transport wirtschaftlicher macht als von Batterien oder Wasserstoff. Experimente im Labormaßstab zeigen jedoch, dass Metallpartikel bei der Verbrennung fragmentieren (auch als Mikroexplosion bezeichnet). Dabei können Metall- und Metalloxiddampf sowie Metalloxid-Nanopartikel entstehen. Letztere gehen leicht in die Umwelt verloren, stellen ein Gesundheitsrisiko dar und erschweren das Recycling. Um diese Prozesse besser zu verstehen und zu beherrschen, sind Messtechniken notwendig, die mit sehr hoher Orts- und Zeitauflösung in situ die mit der Metallpartikel-Mikroexplosion assoziierten Phänomene abbilden können. In diesem Projekt werden optisch abbildende Verfahren und Bildanalyse-Verfahren entwickelt und für zwei Ziele eingesetzt: (1) eine detaillierte Analyse der Mikroexplosion selbst und (2) die Visualisierung der dabei möglicherweise entstehenden Metalloxid-Nanopartikel. Im ersten Schritt wird ermittelt, unter welchen Bedingungen (z. B. umgebende Sauerstoffkonzentration, Partikelgröße und Gastemperatur) Mikroexplosionen auftreten, und wenn sie auftreten, wie oft, wo und wann sie in der Flamme stattfinden. Der zweite Schritt besteht in der Entwicklung einer bildgebenden Messtechnik zur Visualisierung von Oxid-Nanopartikeln in der Nähe der fragmentierenden Metallpartikel. Zu den in Frage kommenden Verfahren gehören elastische Lichtstreuung (ELS), laserinduzierte Inkandeszenz (LII) und die phasenselektive laserinduzierte Plasmaspektroskopie (ps-LIBS). Ein wichtiges Kriterium bei der Entwicklung ist, wie gut Signal-Beiträge durch das große Metallpartikel und seine Fragmente unterdrückt werden können. Die Untersuchungen werden in einem modifizierten Sintermatrix-Brenner durchgeführt. Eine Dispersion aus Metallpulver und Wasserstoff strömt durch eine zentrale Öffnung der Sintermatrix und entzündet sich in einer nicht vorgemischten Flamme. Ein Mikroskop bildet die Schattenwürfe der fragmentierenden Partikel auf einer Hochgeschwindigkeitskamera ab. Bildanalyse, explizit programmiert und durch neuronale Netzwerke, wird verwendet, um die Bilder zu verarbeiten, zwischen fragmentierenden und nicht fragmentierenden Partikeln zu unterscheiden und deren Größe, Form und Geschwindigkeit zu extrahieren. Bei ELS werden ausgewählte geometrische Beleuchtungs/Detektions-Anordnungen getestet, um das Streulicht der großen Metallpartikels bestmöglich zu unterdrücken. Für LII sind das spektrale Schema aus Anregung und Detektion sowie die Wahl der Laserfluenz entscheidend. Ps-LIBS muss so optimiert werden, dass die Laseranregung nicht zu einer signifikanten Ablation des Metallpartikels oder einem Durchbruch der Gasphase führt und gleichzeitig Oxid-Nanopartikel mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis detektiert werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Schweden
• Gastgeber: Professor Dr. Zhongshan Li