Atomkraftwerk bekommt Kühlung aus dem Drucker

Amerikanische Forscher haben Wärmetauscher entwickelt, die aus dem 3D-Drucker stammen. Diese spielen die Hauptrolle beim Kühlen von Atomkraftwerken. Ein spezielles Schichtverfahren verbindet Formen und Materialen mit idealen Eigenschaften, die mit bisherigen Produktinonsverfahren undenkbar waren.

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Atomkraftwerke werden mit einer Temperatur von etwa 300 Grad Celsius betrieben. Bei Gas- und Dampfkraftwerken sind es sogar 1200 Grad Celsius. Zwar werden je nach Art des Kraftwerks von dieser Energie 35 bis 90 Prozent in Strom umgewandelt. Dennoch bleibt eine große Hitze übrig, die irgendwie aus dem Kraftwerk gelangen muss.

Eine Schlüsselrolle spielen bei diesem Kühlkreislauf die Wärmetauscher. Über sie gelangt die Hitze aus den Brennkammern in das Kühlwasser und schließlich in die Atmosphäre. Die Effizienz dieser Wärmetauscher wird dabei durch zwei Eigenschaften bestimmt. Zunächst die Form und Beschaffenheit des Tauschers und zum anderen durch das gewählte Material.

Wärmetauscher werden in der Regel aus Metallen gefertigt. Diese weisen hervorragende Wärmeleiteigenschaften auf, lassen sich aber aufgrund ihrer Eigenschaften nicht zu den für den Wärmetausch optimalen Formen fertigen. Phsy.org berichtet, dass diese Teile in Zukunft per 3D-Drucker hergestellt werden könnten. Natalie Rudolph ist Juniorprofessorin der Fakultät für Maschinenbau an der Universität von Madison im amerikanischen Wisconsin. Außerdem gilt sie als Expertin für 3D-Drucker und Polymerphysik. Sie ist davon überzeugt, dass 3D-Drucker künftig eine wichtige Rolle spielen werden. „Die aktuelle Generation muss lernen, was möglich wird, wenn wir die Restriktionen herkömmlicher Produktionsprozesse umgehen können.“

Beim Design von Wärmetauschern kommt es darauf an, einen möglichst großen Luftfluss an der Oberfläche des Tauschers zu erreichen. Am besten dafür geeignet wären Formen, die mit den herkömmlichen Herstellungsverfahren und Materialien schlicht nicht umsetzbar sind. „3D-Drucker erlauben es uns, ein wenig anders zu denken.“, sagt Rudolph. Sie ermöglichen unzählige Formen und Varianten, sodass es nahezu alles keine Grenzen gibt.

Der Haken ist jedoch, dass die Drucker mit Kunststoffen arbeiten, die nur bedingt hitzebeständig sind und schlechte Wärmeleiter sind. Der Betrieb der Drucker mit Metall ist enorm aufwändig und wahnsinnig teuer, weshalb Rudolph sich etwas einfallen lassen musste.

Im Jahr 2014 bewies ihr Kollege Tim Shedd gemeinsam mit einem Team von Studenten bereits, dass die Formen sich realisieren lassen. Rudolph möchte diesen Prototypen nun weiter optimieren und die Wärmeleiteigenschaften weiter verbessern. Dazu sollen Kunststoffpolymere mit einem Füllmaterial wie Keramik oder Graphen zur Anwendung kommen.

Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern möchte sie nun die Form weiter optimieren und an der perfekten Materialmischung arbeiten. Ziel der Forscher ist es, in den nächsten 18 Monaten einen Prototypen vorzustellen, der mit einem 3D-Drucker gefertigt wurde. Genutzt wird dabei das Schmelzschichtverfahren, bei dem Stück für Stück eine Schicht aufgetragen wird, die dünner als ein Fingernagel ist. Dadurch entsteht ein Muster, ähnlich der Struktur eines Baums. Bei einem Wärmetauscher würde diese Technologie bewirken, dass die Wärme entlang jeder Faser in den Schichten abgeleitet werden kann.

Die Schmelzschichtung hat sich bisher sehr gut für die Fertigung von Prototypen bewährt. Für einen  industriellen Einsatz erscheint sie aber untauglich. Rudolph ist dennoch davon überzeugt, dass das Verfahren in naher Zukunft Standard sein wird. Sie denkt dabei aber auch nicht an große Mengen. Ihr schwebt eine dezentrale bedarfsgerechte Fertigung der Teile vor.

Ein Kraftwerk beispielsweise könnte vor Ort einen Drucker betreiben und bei Bedarf selbst die Teile fertigen. Da so der Aufwand für die Einzelteilfertigung in einer Fabrik und den Transport zum Einsatzort entfallen, könne zugleich die Umwelt geschont und Kosten gesenkt werden. Außerdem würde der Wasserverbrauch von Kraftwerken erheblich sinken.

Um die Ziele zu erreichen, erhält das Team Fördermittel von der Forschungsbehörde ARPA-E. Außerdem gingen sie eine Kooperation mit Oak Ridge National Laboratory ein und erwarben so eine Menge Expertise für 3D-Drucker. Das Laboratorium ist dem amerikanischen Energieministerium direkt unterstellt. Vor kurzem ist dort ein Auto vorgestellt worden, das komplett von einem 3D-Drucker gefertigt wurde.

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