Microstructure – Diffusion
Ansprechpartnerin: Dr. rer. nat. Anastasia August
Forschung
Die Forschungsaktivitäten der Gruppe "Microstructure – Diffusion" umfassen die Modellierung der flüssigen und festen Schäume, sowie simulative Untersuchung des Wärmetransports in porösen Strukturen unter Anderem unter dem Einfluss von Strömungen. Ziel ist es, die Effizienz von Wärmetauschern, -kollektoren und -speichern abhängig von der Gefügestruktur und den Materialeigenschaften zu verbessern. Bei der Modellierung der Prozessabläufe werden Phasenumwandlungsprozesse des fluiden Mediums berücksichtigt. Die Forschungsgruppe entwickelt optimale Strukturen der beteiligten porösen Stoffe, beispielsweise eines Metallschaums.
Metallschäume
Metallschäume sind Materialien mit ausgezeichneten Eigenschaften. Sie sehen aus wie Bierschäume, nur ohne Bier und im Wesentlichen ohne die Zwischenwände zwischen den einzelnen Bläschen. Nur wo sich drei oder mehr Bläschen zusammentreffen, ist noch Material. Diese so genannten Stege bilden ein unregelmäßiges festes Netz, das viele Eigenschaften des Grundmaterials – Metall – nach wie vor weitgehend besitzt: Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, elektrische Leitfähigkeit. Darüber hinaus bieten sie noch viel mehr: Die Leichtigkeit, der geringere Grundmaterialbedarf und – ganz besonders – die große Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Über diese Oberfläche kann zum Beispiel die Wärme mit der Luft, die sich um die Stege herum befindet, ausgetauscht werden. Diese Eigenschaft, verbunden mit der guten thermischen Leitfähigkeit von Metall, macht Metallschäume zu beliebten Gegenständen unserer Forschung im Rahmen des KIT-Programms Energieeffizienz, Materialien und Ressourcen.
Solarthermie
Die Sonnenenergie kann von schwarzen Gegenständen besonders gut absorbiert werden. So ist die Haut eines Polarbären schwarz, damit er aus dem Sonnenlicht am Nordpol so viel Energie wie möglich rausholen kann. Die weißen Fellhaare, die das Sonnenlicht durchlassen, dienen der Isolation der eigenen Körperwärme. Nach diesem Prinzip wurden im Projekt Solarthermie – zusammen mit dem Projektpartner Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf – Wärmekollektoren aus textilem Abstandsgewirk entwickelt. Neben der Energiegewinnung spielt natürlich auch ihre Speicherung eine große Rolle. Im zweiten Projektschritt wurden neue Speicheranlagen geprüft: Etwa kleine, mit Paraffin gefüllte Fingerhut-große Eimerchen, die unmittelbar unter den textilen Kollektor platziert werden sollen. Paraffin speichert latente Wärme beim Aufschmelzen und setzt sie beim Erstarren wieder frei. Wir am CMS prüfen verschiedene Systeme mit Hilfe von Computersimulationen und machen Verbesserungsvorschläge für ihre Geometrie.
Poröse Wasserrohre
Der möglichst effiziente Umgang mit Energieressourcen ist eine wichtige Herausforderung der Zukunft. Daraus ergibt sich die Suche nach effizienten, günstigen und praktischen Stoffen zur Wärmeleitung und -Speicherung in den Materialwissenschaften. Metallische Schäume stellen einen vielversprechenden Lösungsansatz für Probleme der Energieübertragung und -Speicherung dar, da sie sowohl die Eigenschaft der Durchlässigkeit für Fluide als auch die der großen Oberfläche besitzen. Das ermöglicht das effizientere Erwärmen von Flüssigkeiten und anderen möglichen Füllungen. Ziel ist hierbei eine möglichst große Wärmeübertragung bei einem gleichzeitig möglichst geringen Druckverlust. Die Herstellung dieser Schäume geschieht zunächst in Computersimulationen, in denen der Werkstoff auf verschiedene Bedingungen, wie Temperatur- oder Druckveränderungen und den Einfluss verschiedener Porengrößen getestet wird. Anschließend wird mithilfe eines 3D Druckers ein Modell für den Feinguss des optimalen Schaums hergestellt.
Anwendung finden Metallschäume beispielsweise in der Konzeption von Wasserrohren, die ihre Energie effizienter an das Wasser abgeben.
InSeL
Das Forschungsprojekt InSeL (Innovative Schaumstoffstrukturen für den effizienten Leichtbau) ist eine Forschungsinitiative zur Leichtbauforschung in Baden-Württemberg, bestehend aus dem Zusammenschluss verschiedener Universitäten, außeruniversitären Einrichtungen und Unternehmen, an denen das IAM des KIT beteiligt ist. Es beinhaltet die gemeinsame Forschung, aber auch die Wissenskommunikation der Forschungsergebnisse an Unternehmen, sowie die Vernetzung der InSel Mitglieder zu weiteren Forschungsprojekten. Wir am CMS beteiligten uns an diesem Projekt mit Computersimulationen im Bereich flüssige Seifenschäume, feste Polymerschäume, welche als Vorform beim Gießen von besonders feinporigen und monodispersen Metallschäumen dienen. Die mechanischen Eigenschaften der so entwickelten metallischen Leichtbauwerkzeuge werden von uns mit Hilfe von Computersimulationen untersucht.
PoroSan
Auch Granulate, wie z.B. Erdbodenmaterialien, sind poröse Medien. Sind sie verunreinigt und sollen sie mit Hilfe strömender Medien gereinigt werden, so ist das Verständnis der Strömungs- und Stofftransport-Eigenschaften durch sie von großer Bedeutung. Wir versuchen, diesen Phänomenen mit Hilfe der Simulationen der durchströmten Kugelschüttungen auf den Grund zu gehen.
Reder, M.; Holland-Cunz, J.; Lorson, P.; August, A.; Nestler, B.
2023. Advanced Engineering Materials. doi:10.1002/adem.202300340
Jamshidi, F.; Kunz, W.; Altschuh, P.; Lu, T.; Laqua, M.; August, A.; Löffler, F.; Selzer, M.; Nestler, B.
2023. Materials Today Communications, 34, Art.-Nr.: 105413. doi:10.1016/j.mtcomm.2023.105413
Holland-Cunz, J.; Laqua, M.; Wagner, F. N. P. H.; August, A.; Nestler, B.
2023. Forschung aktuell / Hochschule Karlsruhe
Holland-Cunz, J.; August, A.; Reder, M.; Nestler, B.
2022. Forschung aktuell, 2022 (Juni), 16–19
Kneer, A.; August, A.; Wirtz, M.; Herrmann, C.; Schneider, D.; Nestler, B.
2021. Forschung aktuell, 44–51
August, A.; Jamshidi, F.; Kneer, A.; Wolf, R. H.; Wirtz, M.; Nestler, B.
2020. International journal of heat and mass transfer, 159, Article No.: 120071. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120071
August, A.; Nestler, B.
2020. Engineering Research Express, 2 (2), Art. Nr.: 025029. doi:10.1088/2631-8695/ab8c94
August, A.; Nestler, B.
2020. Engineering Research Express, 2 (1), Article No.015021. doi:10.1088/2631-8695/ab6ac6
Kneer, A.; Wirtz, M.; Yurtsever-Kneer, S.; Barbe, S.; August, A.
2019. Galvanotechnik, 2019 (4), 712–719
August, A.; Kneer, A.; Reiter, A.; Wirtz, M.; Sarsour, J.; Stegmaier, T.; Barbe, S.; Gresser, G. T.; Nestler, B.
2019. Energy, 168, 1017–1030. doi:10.1016/j.energy.2018.11.143
August, A.; Reiter, A.; Kneer, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2018. Heat and Mass Transfer Research Journal, 2 (1), 33–45
August, A.; Kneer, A.; Nestler, B.
2018. Forschung aktuell, 2018 (März), 56–58
Nestler, B.; August, A.; Selzer, M.; Hötzer, J.; Kellner, M.; Prajapati, N.; Rehn, V.; Seiz, M.
2018. Ceramic applications, 6 (1), 73–77
August, A.; Matz, A. M.; Mocker, B. S.; Heimann, J.; Nestler, B.; Jost, N.; Krug, P.
2017. Horizonte, 49, 3–5
August, A.; Matz, A. M.; Nestler, B.; Jost, N.
2016. Multidiscipline modeling in materials and structures, 12 (4). doi:10.1108/MMMS-03-2016-0012
August, A.
2015. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 24.-28.Mai 2010
Jainta, M.; Reiter, A.; August, A.; Moik, F.; Nestler, B.
2015. Forschung aktuell, 2015, 13–15
August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2015. Horizonte : Forschung an Fachhochschulen in Baden-Württemberg, (45), 68
August, A.; Ettrich, J.; Rölle, M.; Schmid, S.; Berghoff, M.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. International Journal of Heat and Mass Transfer, 84, 800–808. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.052
Hötzer, J.; Jainta, M.; Vondrous, A.; Ettrich, J.; August, A.; Stubenvoll, D.; Reichardt, M.; Selzer, M.; Nestler, B.
2015. High Performance Computing in Science and Engineering ’14 : Transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS), 2014. Hrsg.: W. E. Nagel, 629–644, Springer. doi:10.1007/978-3-319-10810-0_41
Ettrich, J.; August, A.; Roelle, M.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
Ettrich, J.; August, A.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
August, A.; Kneer, A.; Janßen-Tapken, K.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, October 22-24, 2014
Ettrich, J.; August, A.; Roelle, M.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, 22.-24. Oktober 2014, CD-ROM
Ettrich, J.; August, A.; Nestler, B.
2014. Cellular Materials (CellMAT 2014), Dresden, 22.-24. Oktober 2014, CD-ROM
Wesner, E.; August, A.; Nestler, B.
2014. Horizonte : Forschung an Fachhochschulen in Baden-Württemberg, (43), 29–31
Ettrich, J.; Choudhury, A.; Tschukin, O.; Schoof, E.; August, A.; Nestler, B.
2014. Modelling and simulation in materials science and engineering, 22 (8), Art.Nr. 085006/1–29. doi:10.1088/0965-0393/22/8/085006
Kneer, A.; Janssen-Tapken, K.; Reimann, K.; August, A.; Nestler, B.
2013. 5th International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Sciennce and Engineering, Santa Eulalia, Ibiza, E, June 17-19, 2013
Kneer, A.; August, A.; Nestler, B.; Martens, E.
2013. 2nd International Conference on Materials for Energy (EnMat 2013), Karlsruhe, 12.-16. Mai 2013
August, A.; Nestler, B.; Rölle, M.; Schmid, S.; Ettrich, J.
2013. 2nd International Conference on Materials for Energy (EnMat 2013), Karlsruhe, 12.-16. Mai 2013
Römmelt, M.; August, A.; Kneer, A.; Stegmaier, T.; Nestler, B.
2012. Forschung aktuell, 2012, 21–24
August, A.
2012. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 23.-24.April 2012
August, A.; Nestler, B.; Rölle, M.; Schmid, S.; Ettrich, J.
2012. Biannual Internat.Conf.on Materials Science Engineering (MSE 2012), Darmstadt, September 25-27, 2012
Schoof, E.; Römmelt, M.; Selzer, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.; Stegmaier, T.
2012. International School and Conference on Biological Materials Science, Potsdam, March 20-23, 2012
Wesner, E.; Choudhury, A.; August, A.; Berghoff, M.; Nestler, B.
2012. Journal of crystal growth, 359 (1), 107–121. doi:10.1016/j.jcrysgro.2012.08.036
Vondrous, A.; Nestler, B.; August, A.; Wesner, E.; Choudhury, A.; Hötzer, J.
2012. High performance computing in science and engineering ’ 11 : transactions of the High Performance Computing Center, Stuttgart (HLRS) 2011. Ed.: W.E. Nagel, 595–606, Springer Verlag. doi:10.1007/978-3-642-23869-7_43
Choudhury, A.; Reuther, K.; Wesner, E.; August, A.; Nestler, B.; Rettenmayr, M.
2012. Computational materials science, 55, 263–268. doi:10.1016/j.commatsci.2011.12.019
Vondrous, A.; Nestler, B.; August, A.; Wesner, E.; Choudhury, A.; Hötzer, J.
2011. High Performance Computing in Science and Engineering, Stuttgart, October 4-5, 2011
August, A.
2011. Euromat 2011 : European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, Montpellier, F, September 12-15, 2011
August, A.
2011. Materials Research Society Spring Meeting, San Francisco, Calif., April 25-29, 2011
Wesner, E.; Choudhury, A.; August, A.; Berghoff, M.; Nestler, B.
2011. Euromat 2011 : European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes, Montpellier, F, September 12-15, 2011
Rölle, M.; August, A.; Selzer, M.; Nestler, B.
2011. Forschung aktuell, 2011, 21–23
Römmelt, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2011. 5th Internat.Conf.on Textile Composites and Inflatable Structures (Structural Membranes 2011), Barcelona, E, October 5-7, 2011
Römmelt, M.; August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.
2011. 5th Internat.Conf.on Textile Composites and Inflatable Structures (Structural Membranes 2011), Barcelona, E, October 5-7, 2011. Ed.: E. Onate, 614–626
August, A.; Nestler, B.; Kneer, A.; Wendler, F.; Rölle, M.; Selzer, M.
2011. Werkstoffe in der Fertigung, 2011 (6), 45–46
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. CELLMAT 2010 : Proceedings of the International Conference on Cellular Materials, Dresden, Germany, October 27 - 29, 2010. Ed.: G. Stephan, 148–151, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. Gumbsch, P. [Hrsg.] Proc.of the 5th Internat.Conf.on Multiscale Materials Modeling (MMM 2010), Freiburg, October 4-8, 2010 Stuttgart : Fraunhofer Verl., 2010, 355–358
August, A.
2010. International Conference on Cellular Materials (CellMat 2010), Dresden, October 27-29, 2010
August, A.
2010. Nachwuchsakademie ’Analyse und Bewertung von Eigenspannungen auf unterschiedlichen Längenskalen’, Kassel, 15.Oktober 2010
August, A.; Nestler, B.; Wendler, F.; Selzer, M.; Kneer, A.; Martens, E.
2010. 5th Internat.Conf.on Multiscale Materials Modeling (MMM 2010), Freiburg, October 4-8, 2010
August, A.
2007. Universität Karlsruhe (TH). doi:10.5445/IR/1000007160