THEA

Unsere Aufgabe besteht darin, ein Wärmeleitfähigkeits-messgerät für den gerade in industriellen Anwendungen und auch im Automobilsektor interessanten Temperaturbereich über 800 °C bis etwa 1000 °C zu entwickeln. Dabei können wir schon jetzt auf einem reichhaltigen Erfahrungsschatz aufbauen: Der Messbereich unserer GHP-Geräte geht bereits bis zu einer Temperatur von ca. 850 °C Warmseiten-temperatur, was kein kommerzieller Anbieter weltweit erreicht. Die Messung der Wärmedämmeigenschaften einer
Stoffschicht – bei Dämmstoffen meistens eine Platte – wird üblicherweise in einem Plattengerät (Guarded Hot Plate = GHP) oder einem Wärmestrom-Messplattengerät (Heat Flow Meter = HFM) durchgeführt. Das Verfahren mit dem Plattengerät ist dabei als Absolutverfahren die Referenzmethode. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit wird hier auf die Messung von Strom und Spannung, Abmessungen und Temperatur zurückgeführt.
Hierfür werden die Heizleistung der warmen Messzone und die Temperatur der Kaltseite konstant gehalten. Dann stellt sich – je nach Wärmedurchlasswiderstand der Probe – eine konstante Temperaturdifferenz an den Probenoberflächen ein. Damit ändert sich der Wärmestrom durch die Probe nicht mehr. Es handelt sich somit um ein stationäres Verfahren.
Streng genommen handelt es sich bei der Wärmeleit-fähigkeitsmessung um eine äquivalente Wärmeleitfähigkeit, welche die Wärmetransportpfade der Feststoff-Wärmeleitung, der Wärmestrahlung, der Wärmeleitung des in den Poren eingeschlossenen
Gases sowie der konvektiven Wärmeübertragung in einer Kenngröße zusammenfasst. Gemessen wird üblicherweise der Wärmedurchlasswiderstand einer Probe und damit die Eigenschaft einer Stoffschicht, den Wärmedurchgang zu reduzieren. Über die Umrechnung des Wärmedurchlass-widerstands auf die Dicke der Dämmschicht wird aus einem an einer Schicht gemessenen Wert eine dickenunabhängige Kenngröße für ein Material.

Im Gegensatz zum Gebäudebereich, bei dem in der Regel die (äquivalente) Wärmeleitfähigkeit für die Mitteltemperatur der Dämmschicht von 10 °C als fester Wert angegeben wird, benötigt man für praktisch alle technischen Anwendungen die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur – und das oftmals für einen sehr großen Temperaturbereich.

Da vor allem die Übertragung von Wärme durch Strahlung sehr stark von der Temperatur abhängig ist, nimmt die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes mit zunehmender Temperatur exponentiell zu. Bei Stoffen mit sehr niedriger Rohdichte und offenzelliger Struktur wird diese Zunahme noch überlagert durch einen nennenswerten Anteil der Konvektion in der betrachteten Stoffschicht an der Wärmeübertragung.

In diesem Vorhaben sollen Aerogele zu thermischen und akustischen Isolationszwecken für unterschiedliche Temperaturbereiche entwickelt werden. Im Bereich hoher Temperaturen bis zu 1000 °C liegt ihr Einsatzgebiet zur Isolation bzw. Abschirmung im Bereich von industriellen Hochtemperaturprozessen, Verbrennungsmotoren, Gasturbinen oder auch Hochtemperaturbrennstoffzellen, die nicht nur für die Mobilität an Wichtigkeit gewinnen. Weitere potenzielle Anwendungsfelder finden sich bei Öfen und Herden, beispielsweise bei Cerankochfeldern, bei denen hohe Temperaturen auftreten und auf engstem Raum große Temperaturdifferenzen überbrückt werden müssen.

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 03EN4002C startete im Dezember 2020 und ist eine Aktivität des Forschungsbereichs Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe und ist Teil des Themenverbunds "Aerogele: Anwendungsfelder und zukünftige Entwicklung am Standort Deutschland". Es wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.