Chemo-Hydrodynamik an radialen Reaktionsfronten
Kontaktperson: Dr.-Ing. Karin Schwarzenberger
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Yorgos Stergiou
Finanzierung: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen 50WM2061, Projekt ChemFront)
Motivation
Reaktions-Diffusions-Advektions-Fronten (RDA) sind Phänomene, die in einer Vielzahl von Forschungsgebieten auftreten, von der Ausbreitung von Krankheiten bis zur Nanotechnologie und von der Bildverarbeitung bis zur CO2-Sequestrierung. Trotzdem ist der vollständige Mechanismus und die Dynamik solcher Systeme noch nicht verstanden. Um dies zu erreichen, werden die Auftriebseffekte in solchen Systemen in der Mikroskala untersucht und verschiedene experimentelle Mikrogravitationsplattformen verwendet.
Eine typische Reaktionsfront bei normaler Schwerkraft
Schematische Darstellung der untersuchten Reaktionsfront
Ziele
- Untersuchung von Strömungsmustern und Instabilitäten in Reaktions-Diffusions-Advektions-Fronten
- Vergleich der Ergebnisse mit bestehenden Theorien und Vorschläge für neue Modelle
- Übertragung der Erkenntnisse auf industrielle Anwendungen (Bodensanierung, Kunstrestaurierung, Rekalzifizierung)
Methoden
- Experimente in speziell angefertigten mikroskaligen Versuchsgeräten (wie Hele-Shaw-Zellen und ultradünne Kapillaren)
- Strömungsvisualisierungstechniken (z. B. μ-PIV, Stereo-PIV)
- Nutzung von Mikrogravitationsplattformen (TEXUS 57 Höhenforschungsraketenmission, 73. ESA-Parabelflug)
Ergebnisse
Für die Untersuchung solcher RDA-Fronten wurde eine optimierte Versuchsanordnung (radiale Hele-Shaw-Zelle) verwendet, um die Anfangsbedingungen zu verbessern und die Eintrittseffekte zu minimieren.
Erste Ergebnisse von Experimenten im Parabelflug deuten auf eine starke Abhängigkeit der RDA-Frontdynamik von Auftriebseffekten hin.
Eine auftriebsbedingte, dichtegetriebene Instabilität wird in solchen Systemen ebenfalls beobachtet und weiter untersucht.
Publikationen
Y. Stergiou, K. Eckert, K. Schwarzenberger, Entrance effects in a radial Hele-Shaw cell: Numerical and experimental study, Chemical Engineering Journal 428 (2022) 131146
Y. Stergiou, M.J. Hauser, A. Comolli, F. Brau, A. De Wit, G. Schuszter, P. Papp, D. Horváth, C. Roux, V. Pimienta, K. Eckert, K. Schwarzenberger: Effects of gravity modulation on the dynamics of a radial A+ B→ C reaction front. Chemical Engineering Science 257 (2022) 117703