Exzellenzakademie „Materialwissenschaften und Werkstofftechnik“
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Die beiden Lehrstühle „Anwendungsentwicklung“ und „Simulation“ forschen dadurch an Brennstoffzellen sowie der elektrisch steuerbaren Benetzung von Flüssigkeiten auf Oberflächen. Die vom Freiburger Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik iniziierte Akademie wird von der DFG gefördert.
Der Lehrstuhl Anwendungsentwicklung entwickelt neue Modelle für das Verständnis von Brennstoffzellen. Diese elektrochemischen Elemente sind eine umweltfreundliche Art elektrische Energie zu gewinnen. Nach ersten Anwendungen im Rahmen der Raumfahrtmissionen in den 60er Jahren sind Brennstoffzellen heute auch für Anwendungen bei Autos, Notebooks, Handys, MP3-Playern, sowie bei der Energieversorgung von Wohnhäusern in Diskussion.
Die verschiedenen Ausführungen der Zellen unterscheiden sich in der Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe (Wasserstoff, Methanol, etc.) sowie in weiteren Kriterien wie z.B. die Arbeitstemperatur, die verwendeten Elektrolyte oder auch die für chemische Reaktion erforderlichen, katalytisch aktiven Schichten. Gegenwärtig besteht eines der wichtigsten Forschungsziele darin, die in einer Brennstoffzelle ablaufenden, elektrochemischen und physikalischen Einzelprozesse besser zu verstehen. Mittelfristig sollen dadurch die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer entscheidend verbessert und die Kosten der Brennstoffzellen gesenkt werden.
Modelle, die die Mikrostruktur der in den Brennstoffzellen verwendeten Materialien beschreiben, stehen noch am Anfang. Dies betrifft insbesondere die katalytisch aktiven Schichten, welche als eine ihrer Komponenten teures Platin enthalten. Forschungsziel ist es, mit neuartigen Modellen optimale Eigenschaften für die katalytisch aktiven Schichten zu identifizieren und Wege zur Einsparung von Platin bei gleichzeitiger Leistungssteigerung aufzuzeigen.
Bisher werden Materialien für Brennstoffzellen überwiegend nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum hergestellt. Dies ist ein kostenintensiver und zeitraubender Prozess. Durch die neuartigen Simulationsmodelle soll dieser Prozess mittelfristig durch das schnelle und kostengünstige virtuelle Design von Materialien am Computer abgelöst werden.
Elektrische gesteuerte Benetzung von Flüssigkeiten auf Oberflächen
Der Lehrstuhl für Simulation erhält Fördermittel für die Computersimulation von elektrisch gesteuerter Benetzbarkeit und deren Anwendung. Betrachtet man einen Tropfen auf einer ebenen Fläche genauer, stellt man fest, dass dessen Oberfläche stets in einem bestimmten Winkel auf die Unterlage trifft -- dem Kontaktwinkel. Über elektrische Spannungen kann man diesen Kontaktwinkel verringern -- der Tropfen wird flacher, die Benetzbarkeit der Oberfläche hat sich erhöht. Es ist sogar möglich, den Tropfen wie von Geisterhand über eine Oberfläche zu bewegen, ohne ihn zu berühren.
Dieses Verfahren hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Medizin und Chemie, wo Flüssigkeiten gemischt und wieder aufgeteilt und analysiert werden müssen. Aber auch andere Anwendungen sind in der Entwicklung oder gar schon zur Marktreife gebracht, die auf den ersten Blick überhaupt nichts mit Flüssigkeiten zu tun haben -- Autofokus-Linsen in Handykameras, die aus einem Tropfen bestehen und deren Brennweite so ohne Motor reguliert werden kann, oder Lichtschalter für große Bildschirme sind solche Beispiele.
Gerade weil die Kräfte, die diese Bewegung verursachen, nicht unmittelbar sichtbar gemacht werden können, ist eine Modellierung am Rechner für den Entwurf und die Optimierung eines Systems unabdingbar. Damit kann schon vor der Herstellung eines Prototyps abgeschätzt werden, wie das endgültige System sich verhält und unter welchen Randbedingungen es seinen Zweck erfüllt.
Die bisherigen dafür verwendeten Methoden sind entweder sehr aufwändig oder können nur einfache Fälle erfassen, wodurch die Entwicklung neuartiger Komponenten und Ideen gebremst wird. Durch eine neuartige Methode soll die Simulation wesentlich vereinfacht werden.
Kontakt „Brennstoffzellen“
Dr. Christoph Ziegler
Leiter der Arbeitsgruppe „Mikrofluidik Simulation & Applikation“
Lehrstuhl Anwendungsentwicklung (Prof. Dr. Roland Zengerle)
Institut für Mikrosystemtechnik
Universität Freiburg
Tel: 0761-203-7447
e-mail: christoph.ziegler@imtek.de
Kontakt „Elektrische gesteuerte Benetzung“
Dr. Jan Lienemann
Lehrstuhl Simulation (Prof. Dr. Jan Korvink)
Institut für Mikrosystemtechnik
Universität Freiburg
Tel: 0761-203- 7387
e-mail: jan.lienemann@imtek.de
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