Autos, die Metallnanopartikel schlucken
Verbrennungsmotoren (Internal Combustion Engine, ICE) dominieren den Marktsektor Transport und Verkehr. Mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Gegenwart eines Oxidationsmittels (üblicherweise Luft) verwandelt man die chemische Energie molekularer Bindungen in nützliche mechanische Energie, aber eben auch in schädliche Treibhausgasemissionen (THG). Unter den vielen umweltfreundlichen Mobilitätslösungen, die am Horizont auftauchen, sind mit Wasserstoff betriebene und Lithium-Ionen-batteriebetriebene Fahrzeuge zu finden. Zum ersten Mal haben nun Wissenschaftler die Möglichkeiten von metallischen Nanopartikeln, d. h. von Metallteilchen untersucht, die zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaars sind. Dabei ging es um umweltfreundlichen Treibstoff für Verbrennungsmotoren; es standen die EU-Finanzmittel des Projekts COMETNANO (Technologies for synthesis, recycling and combustion of metallic nanoclusters as future transportation fuels) zur Verfügung. Idealerweise erzeugt die Verbrennung von Metallen Energie und Metalloxide, ohne dass es zu schädlichen Emissionen kommt. Das Konsortium untersuchte die grundsätzliche Realisierbarkeit einer umweltfreundlichen Verbrennung in Kombination mit dem Recycling des abgebrannten Brennstoffs mittels erneuerbarer Technologien. Auf Grundlage von Studien über Verfügbarkeit, Toxizität, Marktpreis und Leistungsdichte wählten die Forschenden Eisen, Aluminium und Bor zur weiteren Untersuchung aus. Die Resultate vorläufiger motorähnlicher Versuche unterstützten die Hoffnung auf eine Eisen-Luft-Verbrennung. Auch die Aluminium-Luft-Verbrennung wurde aufgrund des weitreichendenden wissenschaftlichen Interesses untersucht, obgleich man bei Aluminium feststellte, dass es weniger günstige Verbrennungsparameter sowie stärkere Umweltauswirkungen und höhere Produktionskosten aufweist. Großangelegte Untersuchungen, die während des Projekts durchgeführt wurden, legten den grundlegenden Mechanismus der Eisennanopartikelverbrennung offen. COMETNANO entwickelte maßgeschneiderte Simulationsmodelle der Eisen-Luft-Verbrennung auf Basis experimenteller Daten, welche die Dispersionsströmung, Einspritzung und Verbrennungsprozesse steuernden Hauptprinzipien beschreiben. Gleichzeitig entwickelten die Wissenschaftler einen Prozess zur Aufrüstung von Eisenabfällen aus der Stahlindustrie für die Synthese von Eisennanopartikeln und führten das Syntheseverfahren mit Erfolg unter Laborbedingungen ein. Zudem gelang es, als Machbarkeitsnachweis ein neuartiges System zur Herstellung von metallischen Nanopartikeln zu erproben. COMETNANO bewertete außerdem das Gefahrenpotenzial der Nanopartikelbelastung für die Gesundheit des Menschen. Das Konsortium demonstrierte eine Technik zur 100 %igen Rückgewinnung der eingesetzten Nanopartikel unter Einsatz maßgeschneiderter Ansätzen der gut eingeführten Dieselpartikelfiltertechnologie. Es wurde eine Untersuchung der Nanopartikeltoxizität eingeleitet, die Studien zu Teilversagensszenarien hinsichtlich der Verbrennung und die Einbindung einfacher fehlersicherer Module beinhaltete. Kostenanalysen ergaben, dass unter bestimmten Voraussetzungen metallische Brennstoffe konkurrenzfähig gegenüber CO2-besteuerten fossilen Brennstoffen und weniger teuer als einige andere alternative „erneuerbare“ Brennstoffe werden könnten. COMETNANO ist es gelungen, die grundsätzliche Realisierbarkeit des Einsatzes metallischer Nanopartikel als Brennstoff in Verbrennungsmotoren nachzuweisen. Diese Resultate ebnen den Weg für die weitere Forschung und Entwicklung, aus der sich wichtige potenzielle Vorteile für die Fahrzeug- und Metallindustrie sowie für die Umwelt ergeben werden.
Schlüsselbegriffe
Metallnanopartikel, abgebrannter Brennstoff, Verbrennungsmotoren, COMETNANO, Eisen-Luft-Verbrennung
