Fraunhofer ISE: Solarforscher holen neuen Stern vom Materialhimmel

Freiburg - Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ist es gelungen, verschiedene Bauteile mit hochporösen Metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks / MOFs) zu beschichten.

Diese MOFs verfügen über die höchsten inneren Oberflächen sämtlicher bisher bekannter Materialien. Das Material kann für Anwendungen beim Heizen und Kühlen, bei der katalytischen Herstellung chemischer Stoffe oder in der Medizintechnik eingesetzt werden.

4.000 Quadratmeter Oberfläche pro Gramm

„Metallorganische Gerüstverbindungen bestehen aus einem Metallkomplex und einem organischen Teil. Sie haben typische innere Oberflächen von bis zu 4.000 Quadratmetern pro Gramm und können bis zu 1,4 Gramm Wasser pro Gramm Material binden“, so Dr. Stefan Henninger, Leiter der Gruppe Sorptionsmaterialien am Fraunhofer ISE. „Dazu sind sie modular einsetzbar wie Legobausteine – man kann damit z. B. solare Kühlanlagen oder kompakte thermische Wärmepumpen ausrüsten. Bisher wurden die Stoffe als Schüttung verwendet. Wir haben zwei zum Patent angemeldete Verfahren entwickelt, durch die wir verschiedene MOFs oder andere Adsorbentien z. B. auf Wärmetauscherstrukturen aufbringen können. Das steigert die Leistungsfähigkeit beim Kühlen oder Heizen und macht die Geräte deutlich kompakter.“

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für neue Verfahren

So arbeiten viele Verfahren zur Entfeuchtung von Luft oder anderen Gasen mit Sorption, der Anlagerung von Wasserdampf an die inneren Oberflächen. Dabei entsteht Wärme, die genutzt werden kann oder abgeführt werden muss. In einer Schüttung aus MOF-Granulat ist die Wärmeleitung stark behindert und damit die Geschwindigkeit des Prozesses stark limitiert. Wird das MOF-Material hingegen in einer dünnen Schicht auf Metall-Lamellen aufgebracht, vervielfacht das die Wärmeableitung und damit die Leistungsfähigkeit des Geräts. Waren bis heute thermisch angetriebene Wärmepumpen so groß wie Gefrierkombinationen, könnte zukünftig die Wandmontage wie bei einer kompakten Gastherme möglich sein. Bei der Gasdetektion können winzige Mengen eines unerwünschten Gases durch Farbumschlag oder Temperaturerhöhung einfach gemessen werden. In der Medizintechnik kann man z. B. Beschichtungen zum Schutz vor Keimen einsetzen.

Preis für Forscher

Die besondere Herausforderung für die Fraunhofer-Forscher war, die zunächst als Pulver vorliegenden Stoffe auf wärmeleitende Oberflächen aufzubringen. Felix Jeremias entwickelte eine Methode, in der eine direkte Aufkristallisation eines MOFs ohne zusätzliche Haftvermittler (Binder) auf einem Metallträger gelang. Harry Kummer entwickelte im Rahmen seiner Diplomarbeit eine vielseitige, binderbasierte Beschichtung, die auch im einfachen Tauchverfahren angewendet werden kann. Für diese Entwicklung erhielt er 2012 den 2. Hugo-Geiger Preis der Fraunhofer-Gesellschaft.

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