Gymnasium Herzogenrath

MINT | Physikleistungskurs im Forschungszentrum Jülich (16.06.2011)

Einblicke in Forschungsarbeiten
forschungslabor

Bild 1: Forschungslabor

grundlagen

Bild 2: Grundlagen

steuerung_plasmakanone

Bild 3: Steuerung Plasmakanone

inneres_zelle

Bild 4: Inneres der Zelle

plasmakanone

Bild 5: Plasmakanone

messung_kruemmung

Bild 6: Messung der Krümmung

hochtemperaturzelle

Bild 7: Hochtemperaturzelle

Im Rahmen der Abiturvorbereitung besuchte im Juli 2011 der Physikleistungskurs des Städtischen Gymnasiums Herzogenrath unter der Leitung von Herrn Klein das Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich.

Der Leiter der Abteilung für Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren Prof. Dr. Robert Vaßen ermöglichte es uns, Einblicke in die Forschungsarbeiten zur Innovation von Bestandteilen moderner Energieumwandlungs- und Energie-speichersysteme zu bekommen.

Die Abteilung arbeitet, entwickelt und erforscht unter anderem pulverbasierte Formgebungs- und Beschichtungsverfahren, gasphasenbasierte Dünnschichttechnologien, Hochtemperaturbrennstoff-zellen, Wärmedämmschichten und Gastrenn-membranen. Bei unserer Exkursion beschäftigten wir uns hauptsächlich mit Wärmedämmschichten für Gasturbinen, die auch bei Flugzeug- und Kraftwerksturbinen verwendet werden.

Nach der Ankunft im Institut wurden wir zunächst durch die Bereiche der Hochtemperatur-Brennstoffzellen und durch verschiedenste Labore zur Erforschung der Eigenschaften und Beschaffenheit von Wärmedämmschichten und den Werkstoffen, aus denen sie gefertigt werden, geführt (Bild 1).

Im Folgenden bekamen wir eine allgemeine Einführung in die theoretischen Grundlagen und Formeln zu Wärmedämmschichten und dem Prinzip der Herstellung durch das Verfahren des Plasmaspritzens (Bild 2).

Wärmedämmschichten bestehen aus drei grundlegenden Bestandteilen: dem Substrat (meist Metall), einer Haftvermittlerschicht und der eigentlichen Wärmedämmschicht, die aus Zirkonoxid besteht. Zirkonoxid ist ein keramik-ähnlicher Stoff mit idealen Eigenschaften für Wärmedämmung in sehr hohen Temperaturbereichen.

Nach der Theorie wurde der Kurs für den praktischen Teil der Exkursion in zwei Gruppen aufgeteilt. Während die eine Hälfte erst selbst eine Schicht herstellte, testete die zweite Hälfte die Temperaturbeständigkeit fertiger Schichtproben.

Es gibt zwei Methoden Wärmedämmschichten herzustellen. Wir arbeiteten unter der Anleitung von Alexandre Guignard mit dem Atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) (Bild 3/4). Hierbei wird das Zirkonoxid in Pulverform in die Heißgasfackel einer Plasmakanone (Bild 5) geleitet. In der Plasmafackel werden die Pulverpartikel beschleunigt und stark erhitzt. Im geschmolzenen Zustand treffen die Zirkonoxidpartikel auf ein dünnes Blech, wo sie schnell abkühlen und eine Schicht mit vielen Poren bilden. Bei diesem Vorgang bewegt sich die Plasmakanone gleichmäßig am Substrat entlang um eine konstante Dicke der Schicht zu erhalten. Dieser Prozess wird einige Male wiederholt.

Nachdem die Probe abgekühlt war, nahmen wir Messungen der entstandenen Krümmung des Blechs vor, um später mit den ermittelten Werten Berechnungen zu Spannungen in den Schichten anstellen zu können (Bild 6).

In der Mittagspause wurden wir zum Essen in die Kantine des Forschungszentrums eingeladen.

Anschließend wechselten die beiden Gruppen und wir führten unter der Leitung von Dr. Daniel Emil Mack und Nicole Adels Messreihen zu den Keramik- und Metalloberflächentemperaturen durch (Bild 7). Hierfür wird eine runde Schichtprobe (Bild 8) mit einem Hochtemperaturbrenner erhitzt (Bild 9). Über Sensoren wird sowohl die Temperatur des Metalls, als auch die der Keramikschicht erfasst. Mit den ermittelten Werten wird später die Temperatur der Haftmittlerschicht errechnet. Dies dient unter anderem zur Ermittlung der Maximaltemperatur, der die Wärmedämmschicht ausgesetzt werden kann ohne Wirkungskraft einzubüßen oder zerstört zu werden.

Am Schluss kamen alle noch einmal zusammen, um die Ergebnisse zusammenzutragen, einige Berechnungen durchzuführen und die Werte und Erfahrungen auszutauschen und zu diskutieren.

Ein Ausflug, der uns Einblicke in Anwendungsmöglichkeiten für den in der Schule gelernten Unterrichtsstoff verschaffte und Interesse an der modernen Forschung und Physik weckte.

Wir danken Prof. Dr. Vaßen, Alexandre Guignard, Dr. Mack und Nicole Adels für ihre Mühe, ihre Erklärungen und Antworten und dem gesamten Institut für diese einmalige Möglichkeit.

[Text by Nadine Paersch, Jg. 13, page created by Marvin K.(9B)]