Rund ein Viertel des Energieverbrauchs in Deutschland entfällt auf die Industrie. Für Unternehmen ist der Einsatz energiesparender Produktionsmethoden nicht nur wirtschaftlich lohnenswert, sie können auch, gerade in den energieintensiven Branchen, auf diese Weise einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. In der Glasindustrie etwa werden Temperaturen von bis zu 1.700 °C benötigt, in der Regel kommen dabei Gasbrenner zum Einsatz.
„Die Industrie arbeitet daran, fossile Brennstoffe in der Zukunft durch Wasserstoff zu ersetzen. Bis zu einem flächendeckenden Einsatz werden aber noch Jahre vergehen“, sagt Prof. Dr. Holger Heuermann vom Institut für Mikrowellen- und Plasmatechnik (IMP) der FH Aachen, und fügt hinzu: „Mit der von uns entwickelten Plasmatechnik können wir schon jetzt einen wichtigen Beitrag dazu leisten, den Energieverbrauch in der Glasproduktion zu senken.“
Energiesparender Plasmastrahler
Konkret hat der FH-Forscher dabei im ersten Schritt die Konfektionierung von Endprodukten im Blick, etwa das Formen von Flaschen. Bei diesem Verarbeitungsschritt komme es darauf an, die Hitze punktgenau aufzubringen, um die Glasteile zu bearbeiten. „Für solche Rapid-Heating-Anwendungen ist der von uns entwickelte Plasmastrahler prädestiniert“, betont er, weitere Vorzüge seien die Prozesssicherheit und die Vermeidung von Verschmutzungen.
Der Plasmastrahler, den das IMP entwickelt und zur Produktionsreife geführt hat, sieht aus wie ein dicker Edding-Stift. An der Spitze tritt das Plasma in Form eines schmalen, gelblichen Strahls aus. „Im Vergleich zur herkömmlichen Technik haben wir einen sehr hohen Wärmeeintrag und dadurch viel weniger Wärmeverluste“, betont Prof. Heuermann.
Die Energie werde zum größten Teil erst dann frei, wenn das Plasma auf ein anderes Material treffe, in diesem Fall das zu bearbeitende Glas; somit werde deutlich weniger Wärme in die Umgebung abgegeben. Zudem könne der Plasmajet mit einer Kupferelektrode betrieben werden, in vergleichbaren Bogenentladungsgeräten müsse das teurere Material Wolfram verbaut werden. Diese schon länger bekannten Bogenentladungsstrahler kontaminieren zudem Glas mit Wolfram und erzeugen viel Ozon, weshalb diese in dieser Industrie nie zum Einsatz kamen.
Produkte sollen zur Marktreife kommen
Die am IMP entwickelte Plasmatechnologie lässt sich vielfältig einsetzen, zum Beispiel bei der Vorbehandlung von Verklebungen, bei der Luftreinigung, für Zündkerzen in Verbrennungsmotoren oder bei der Reinigung von Oberflächen in industriellen Produktionsprozessen. 3-D-Druck von Metallen und Keramik, Beschichten von Oberflächen, Schweißen, Skalpelle, Lampen, das Polieren von Glas, Umwandlung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff (Plasmalyse) – die Liste möglicher Einsatzbereiche ist lang.
Derzeit laufen mehrere Forschungsprojekte am IMP, die weitere plasmabasierte Produkte zur Marktreife bringen sollen. Prof. Heuermann ist optimistisch, was den Einsatz der Plasmatechnologie in der industriellen Produktion angeht. „Wir führen bereits Gespräche mit einem führenden Spezialglashersteller“, sagt er.
Hintergründe und Auszeichnung
Für seine wissenschaftliche Arbeit ist Prof. Heuermann 2019 mit dem Forschungspreis der FH Aachen ausgezeichnet worden. Mit dem Begriff Plasma bezeichnet man in der Physik ein Gas, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern besteht, also aus Ionen oder Elektronen. 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum besteht aus Plasma. Natürliche Plasmen auf der Erde findet man etwa in Blitzen, auch Flammen sind plasmaähnlich.
Bei der am IMP entwickelten Technologie werden Mikrowellen – überwiegend im Frequenzbereich von etwa 2,4 Gigahertz – genutzt, um ein Plasma zu erzeugen. Der Kern der Entwicklung ist die Ansteuerelektronik, die dafür sorgt, dass das Plasma kontrolliert, konstant und mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird.
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