24/01/2011 - Nano im Dienste der Energieeffizienz

Menéame

Ein wichtiger Teil der Forschung konzentriert sich auf die Auswirkungen von Nanofluiden auf Gesundheit und Umwelt. Im Forschungszentrum von Casaccia (Rom) steht eine Gruppe von ENEA-Forschern (Italienische nationale Agentur für neue Technologien, Energie und nachhaltige Wirtschaftsentwicklung) vor einer technologischen Herausforderung, die für die Entwicklung energieeffizienterer Instrumente von großer Bedeutung ist: die Schaffung und Charakterisierung von Nanofluidkühlmitteln (Nanofluid coolants).

Das NanoHex-Projekt ('Enhanced nano-fluid heat exchange'); Im Rahmen des 7. EU-Rahmenprogramms zielt HENIX darauf ab, zuverlässige Prozesse für die Herstellung von Hochleistungs-Nanofluiden zu entwickeln und zu optimieren, um sie bei der Wärmekontrolle durch Industriemaschinen zu verwenden.

In vielen industriellen Prozessen sendet die verwendete Maschine eine Menge Wärme aus, die die Leistung der Maschinen beeinflussen kann. "Mit einem Wärmetauscher wird Wärme aus der Wärmequelle extrahiert und verteilt, damit die Maschine, die in Betrieb ist, richtig arbeitet," so Dr. Mauro Falconieri, Leiter des Labors für Wraithoskopie von Funktionsmaterialien des Forschungszentrums von Casaccia. "Dies kann mit einer Flüssigkeit getan werden, die die Wärme von der heißesten zum kälteren Bereich leitet. Die thermische Leitfähigkeit (physischer Besitz eines Materials, das seine Wärmeleitfähigkeit bestimmt) der Flüssigkeit ist ein Parameter, der Ihnen sagt, ob Sie einen effizienteren Wärmetransfer haben können," fügt er hinzu. Um die Wärme aus der Quelle zu extrahieren, muss manchmal Energie aufgebracht werden (z. B. eine Pumpe, die die Flüssigkeit im Wärmetauscher kreist). "Wenn die Flüssigkeit nicht effizient ist, brauchst du wahrscheinlich eine sehr große Pumpe, um die Hitze zu zerstreuen und die Temperatur zu senken," erklärt Dr. Falconieri. "Aber wenn die Flüssigkeit effizienter ist, brauchst du eine kleinere Bombe. Deshalb brauchen wir einen effizienteren Wärmetauscher," fügt er hinzu. Und das wird durch die Einführung von Nanopartikeln in die Flüssigkeit erreicht.

Ein sehr wichtiger Teil dieses Projekts ist das, was man "Bewertung des Lebenszyklus" nennt. Es geht darum, die Sicherheit und die möglichen Auswirkungen von Kühlnanofluiden auf Gesundheit und Umwelt in allen Anwendungen genau zu bewerten. "Sobald Sie das Industrieprodukt haben, müssen Sie angeben, wie Ihr Lebenszyklus ist," sagt Falconieri. Das heißt, die Zeit, in der der Nanofluid in die Degradation gerät, die Art und Weise, wie dieser Nanofluid durch einen anderen im System verändert werden muss, die Schritte, um ihn loszuwerden... Wir können ihn nicht in den Abfluss gießen, da wir seine möglichen toxikologischen Wirkungen nicht kennen, sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt. "Das ist bei Nanotechnologie-Projekten sehr zu berücksichtigen. So wurde beispielsweise in den letzten Jahren festgestellt, dass Kohlenstoff-Nanoröhren gesundheitsschädlich sind, da sie, wenn sie inhaliert werden, in die Zellen eindringen und beschädigen können, da sie wie Nano-Nadeln wirken," erklärt er. Dies ist auch Teil der Gesamtkosten des Projekts, da bei der Bewertung der Energieeffizienz des Produkts der gesamte Lebenszyklus des Projekts berücksichtigt werden muss.

Die Nanotechnologie steigt

Aber was ist ein Nanomaterial? Was macht Nanotechnologie so interessant? "In so kleinen Größen (1 nm = 10-9 m)," sagt Dr. Méndez, Direktor des Zentrums für Nanomaterialien des Brookhaven National Laboratory (USA), "die Eigenschaften der Materialien sind unterschiedlich (Farbe, Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit usw.); die Quantenmechanik kommt ins Spiel, so dass die Eigenschaften nicht nur von der Chemie der Atome der Elemente abhängen, sondern auch vom Quantenverhalten abhängen." Ein weiteres entscheidendes Merkmal ist, dass die Oberflächen mit der Verringerung der Partikelgröße eine größere Rolle spielen, da die Anzahl der Atome an der Oberfläche dramatisch zunimmt. "Wie bei einem Stück Zucker, wenn wir es lösen: das Gesamtvolumen ändert sich nicht, aber die Gesamtfläche aller gelösten Körner ist viel größer als die des ursprünglichen Prismas (Terrón), erklärt er.

Seit ein Genie namens Richard Feynman 1959 das Thema "Es gibt genug Platz im Hintergrund" ("There's plenty of room at the bottom" war der Titel der Konferenz, die er am Caltech Institut in Kalifornien anbot und die für viele den Beginn der Nanotechnologie als Wissenschaft darstellte) hat viel geregnet. Diese schüchternen Anfänge erreichten ihren Höhepunkt in den 80er Jahren, dank der Erfindung des Tunneleffektmikroskops (1981) und des Atomkraftmikroskops (1986) und der Entdeckung der Kohlen-, Grafen- und Quantenpunkte." (1985). Aber erst vor relativ kurzer Zeit hat diese Technologie wirklich begonnen zu starten. Warum jetzt? Ein wichtiger Grund ist der Impuls der Mikroelektronik. "Heute hat die Miniaturisierung die Größe der Transistoren auf unseren Computern in der realen Reihenfolge von 60 nm ermöglicht," erklärt Dr. Mendez. "Darüber hinaus hat die Entwicklung neuer Methoden für die Synthese von Materialien eine gründliche Untersuchung der

Das Projekt NanoHex

Hauptziel des Projekts ist die direkte Anwendung von Kühlnanofluiden in zwei Systemen: den Rechenzentren (Data Centers) und den elektronischen Leistungswandlern (Power electronics) für elektrische Züge. Ein Rechenzentrum ist im Grunde ein Raum, in dem viele CPUs arbeiten, also brauchen sie eine Temperaturkontrolle. Außerdem werden die Elektromotoren der Züge mit elektronischen Geräten gesteuert, die gekühlt werden müssen. Das heißt, wenn das Gewicht und die Abmessungen des Austauschers verringert werden, wird es wahrscheinlich Energie und Raum sparen. "In diesem Projekt haben wir zwei große Unternehmen, die an diesem Wärmetauscher interessiert sind. Eine davon ist Thermacore Europe Ltd, die Rechenzentren herstellt (und darüber hinaus das gesamte Projekt koordiniert) und Siemens, das an Kühlsystemen für elektronische elektrische Züge interessiert ist," erklärt Dr. Falconieri. "Da unser Projekt ein Industrieprojekt ist (wir müssen letztendlich eine Menge an Nanofluid produzieren, die auf die industrielle Anwendung ausgerichtet ist), sind diese beiden Unternehmen wirklich die Leiter des Konsortiums, da sie die Anforderungen kennen, die die Flüssigkeiten erfüllen müssen. Wenn man einen Zug abkühlen muss, der, wie wir annehmen, durch Sibirien fährt, dann ist es unerlässlich, dass die Flüssigkeit nicht bei -40 °C eingefroren wird; das ist eine Anforderung, die wir berücksichtigen müssen, denn sonst wäre unser Produkt für den Endverbraucher nicht nützlich," fügt er hinzu.

Kühlmittel wurden immer in Wärmetauschern verwendet. Die Neuheit dieses Projekts besteht darin, keine homogene Flüssigkeit (wie Wasser oder Ethylglycol, die normalerweise verwendeten Flüssigkeiten, die eine gewisse Wärmeaustauschfähigkeit haben) zu verwenden, sondern eine unhomogene Flüssigkeit, wo die thermischen Eigenschaften unterschiedlich sind. Vor Hunderten von Jahren wurde bereits untersucht, wie sich eine Flüssigkeit verhalten würde, indem sie Partikel in sie einbringt; aber in den letzten Jahren, mit dem Boom der Nanotechnologie, haben viele Forschungsgruppen versucht, Flüssigkeiten mit Nanopartikeln in sich zu machen, ohne viel Erfolg. Es besteht ein besonderes Interesse an der Veränderung der Form und Zusammensetzung dieser Nanopartikel, da es nicht einfach ist, die Kombination von Formen und die Zusammensetzung der Oberfläche zu kontrollieren; in der Tat sind viele Ergebnisse wenig produktiv. "Das ist also unser Projekt; mit dieser Vorgeschichte interessanter, aber nicht reproduzierbarer Ergebnisse, ohne großmaßstäbliche Fertigung, untersuchen wir, wie wir die Eigenschaften von Nanofluiden in der Großproduktion kontrollieren können. Das ist das Projekt. Es handelt sich um eine Art industrielle Entwicklung, die auf Grundlage einer Grundlagenforschung entwickelt wurde," erklärt Dr. Falconieri.

Aber wie produzieren sie dieses Kühlmittel Nanofluid? Rosaria D'Amato, Forscherin im selben Labor, erklärt: "Wenn man eine Flüssigkeit wie Wasser oder Glycol verwendet, wo es zerstreute Nanopartikel gibt, verbessert diese Flüssigkeit ihre Eigenschaften als Kühlmittel. Wir befinden uns jetzt am Anfang der Forschung, untersuchen das Phänomen und versuchen herauszufinden, welche Art von Nanopartikeln am besten geeignet sind und welche Parameter für diese Studie wichtig sind."

"Wir produzieren Nanopartikel aus verschiedenen Materialien durch Laserpyrolyse (ein Mechanismus, durch den ein Gas, das einem Laserstrahl ausgesetzt ist, in reaktive Verbindungen zerfällt, die untereinander interagieren und zu Nanopartikeln führen). Diese Nanopartikel werden dann je nach Bedarf in eine Lösung oder in Wasser zerstreut." So entsteht eine Streuung, in der Nanopartikel "nichts" sind. Es ist wichtig, dass die Nanopartikel sehr klein sind (in der Größenordnung von 5-10 nm), damit die Zerstreuung gut genug ist und die Nanopartikel nicht durch Schwerkraftwirkung im Boden des Behälters abgelagert werden. "Nanopartikel sind jedoch nicht isoliert, sondern bilden Aggregate; selbst in diesem Fall werden bestimmte Eigenschaften von Nanopartikeln gewonnen. In unserem Projekt verwenden wir TiO2 (Titandioxid) und SiO2 (Siliciumdioxid) als Nanopartikel, deren thermische Eigenschaften bei der Auswahl als Bestandteile von Kühlnanofluiden wichtig sind," fügt er hinzu.

Aber das ist noch nicht alles; sie müssen Nanopartikel charakterisieren, sie müssen ihre thermischen Eigenschaften kennen, ihre Größe, ihre Zusammenfassung, einige optische Eigenschaften (wenn nötig),... Dazu wird Laserspektroskopie verwendet, indem sie auf Proben einer sehr geringen Konzentration von Nanopartikeln aufgetragen wird; das heißt, man nimmt die Lösung von Nanoteilchen, löst sich in Wasser oder Ethanol 1%, und wird in eine Halterung gelegt, die zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenzen auf sie strömt, um ein Streuungsspektrum zu erhalten. Die Wirkung der Lichtstreuung beobachten wir jedes Mal, wenn wir die Gelegenheit haben, einen Regenbogen zu betrachten; der Unterschied zwischen dem Regenbogen und dem Streuungsspektrum, das durch die Laserspektroskopie erreicht wird, ist, dass in diesem Fall das einfallende Licht eine 'Konglomerat" von Frequenzen ist (jede Farbe entspricht einer Lichtfrequenz) und in diesem Licht eine bestimmte Frequenz hat. "Auf diese Weise können wir die thermische Verbreitung der Zerstreuung von Nanopartikeln (von TiO2 oder SiO2) mittels optischer Techniken untersuchen," erklärt Flaminia Rondino, junge Forscherin, die ebenfalls diesem Projekt zugewiesen wurde. Dazu verwendet er einen Femtosekunde-Laser (1 fs = 10-15 s), der es ihm ermöglicht, Phänomene zu untersuchen, die sehr schnell im Material auftreten, wie es bei Nanomaterialien der Fall ist. Das ist jedoch erst der Anfang. Nach diesen Basisforschungen, sobald das "perfekte" Nanofluid gefunden wurde, sollte es in großen Mengen für den industriellen Einsatz hergestellt werden.

Seit dieser Konferenz in Feynman sind 50 Jahre vergangen, aber ich glaube, wir irren uns nicht, wenn wir sagen, dass dies erst begonnen hat.

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