18. Oktober 2021 – Unbekannt

Neues Forschungsprojekt prüft Speichermöglichkeiten von CO2 in ehemaligen Erdgaslagerstätten

Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie untersucht ein Team der TU Bergakademie Freiberg, wie Kohlenstoffdioxid aus Abgasen in Zukunft sicher unter der Erdoberfläche gespeichert werden könnte.

Dabei haben die Forschenden ehemalige Erdgasfelder unter der Nordsee im Blick. In diesem porösen Gestein könnte in Zukunft CO2 aus Industrie-Emissionen und der Atmosphäre gespeichert werden. Damit könnte das Treibhausgas nicht nur reduziert werden, sondern es könnte zusätzlich dazu beitragen, die unterirdischen Lagerstätten nach dem Ende der Erdgasförderung zu stabilisieren.

Wie dieses Konzept umgesetzt werden kann, untersuchen die Forschenden in den kommenden drei Jahren in einem internationalen Verbundprojekt des norwegischen Forschungsinstituts SINTEF gemeinsam mit der TU Bergakademie Freiberg, den Universitäten Cambridge (UK) und Utrecht (Niederlande) sowie den Industriepartnern Wintershall Dea, Shell und Equinor. Die Europäische Union fördert das Projekt ACT-RETURN mit insgesamt 7,41 Mio Euro.

Zwei zentrale Fragen im Mittelpunkt

Der Druck in den unterirdischen Lagerstätten ist zum Ende der Erdgasförderung sehr niedrig. „Aufgrund  besonderer thermodynamischer Eigenschaften von CO2 besteht zu Beginn der CO2-Injektion durch eine Bohrung darum stets das Risiko des Auftretens eines Phasenübergangs, zum Beispiel von flüssigem zu gasförmigem CO2 mit anschließender Zwei-Phasen-CO2-Strömung. Das führt zu enormen Schwankungen des Drucks und der Temperatur, was wiederum mit erheblichen Risiken für die Bohrungsintegrität (Sicherheitsproblem) sowie für das CO2-Injektionsverhalten (wirtschaftliches Problem) einhergeht“, erklärt Prof. Mohd Amro.

„Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass aktuell keine computergestützten Modelle existieren, welche dazu in der Lage wären, das komplexe Strömungsverhalten von CO2 ausreichend genau abzubilden“, ergänzt der Leiter des Instituts für Bohrtechnik und Fluidbergbau. Sicherheitstechnische und wirtschaftliche Risiken können somit nicht erfasst und die erforderlichen betrieblichen Optimierungen nicht durchgeführt werden. An dieser Stelle setzen die Forschungen am Institut an: „Gemeinsam mit dem Industriepartner Wintershall Dea AG entwickeln wir numerische und simultane Lösungen auf Basis existierender und zu optimierender Software.“

Die für die Softwarelösung benötigte Datengrundlage gewinnt das Team in einem ersten Schritt mit Hilfe von Untersuchungen im untertägigen Labor im Forschungs- und Lehrbergwerk der TU Bergakademie Freiberg. Dort herrscht ganzjährig eine konstante Temperatur. In einem speziellen Reaktor können die Forschenden zusätzlich den Druck in der untersuchten Lagerstätte simulieren und so den Einfluss der beiden Faktoren auf die Gesteinsproben mit dem injizierten CO2 in der Größenordnung von zirka 100 Millilitern analysieren. „Die in Freiberg erhobenen Daten liefern den Projektpartnern wichtige Grundlagen für die Erprobung des Vorhabens in realen Lagerstätten“, so Prof. Mohd Amro.

Zukunftsorientiertes Forschungsfeld für Geoströmungs- und Speichertechnik

„Wie das eben bewilligte Projekt zeigt, ergeben sich auch nach dem sogenannten Ende des Erdölzeitalters interessante und zukunftsorientierte Forschungsfragen im Bereich der Geoströmungs- und Speichertechnik“, sagt der Projektleiter. Doktorand Martin Kirch wird Prof. Mohd Amro in den kommenden drei Jahren bei der Umsetzung des Projekts unterstützen. „Unsere Ergebnisse werden außerdem in die anwendungsorientierte Ausbildung der Studierenden einfließen.“

14. Oktober 2021 – Unbekannt

Sind unsere Geh- und Fahrradwege bereit für die Zukunft der Lieferdienste?

Forschende der TU Bergakademie Freiberg und der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg untersuchten, wie Lieferroboter und autonome Mikromobile künftig auf Gehwegen navigieren könnten und auf welche Hürden die autonomen Kleinstfahrzeuge dabei stoßen.

Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) ermöglicht und fördert das Projekt.

„Wenn Post, Pakete oder Pizza in der Zukunft statt vom klassischen Lieferwagen von autonomen Robotern bis vor unsere Haustür geliefert werden, wird es auf den Geh- und Radwegen in Städten zu einer Konkurrenz-Situation kommen“, sagt Prof. Sebastian Zug von der Professur für Softwaretechnologie und Robotik der TU Bergakademie Freiberg. In einer einjährigen Studie untersuchte er mit seinem Team sowie Forschenden der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, inwiefern sich Geh- und Radwege in typischen deutschen Städten dafür eigenen und wie sich zur Beantwortung dieser Frage die notwendigen Daten generieren lassen. Das Projekt AK_hoch_2 wurde im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND mit insgesamt 98.000 Euro durch das BMVI gefördert.

Wie Roboter Gehwege nutzen könnten

Auch Dr. Tom Assmann vom Institut für Logistik und Materialflusstechnik der Otto-von-Guericke-Universität  sieht in den potenziellen Anwendungen eine zukunftsweisende Alternative zu klassischen Lieferdiensten, die mit einem Auto zu den Kunden fahren: „Ist kein Parkplatz frei, wird auch mal in der zweiten Reihe geparkt und damit die verkehrliche Situation zusätzlich belastet. Autonome Kleinstfahrzeuge könnten eine deutliche Entlastung bewirken. Gleichzeitig können auf der Basis von autonom operierenden Systemen effizientere Verleihsysteme für Fahrräder entworfen werden, die damit einen Beitrag zur Verkehrswende liefern.“

Neben den potenziellen Vorteilen ergeben sich für eine Umsetzung solcher Lieferdienste aber auch eine Vielzahl von Fragen. „Welche Gehwege lassen von ihrer Beschaffenheit und Breite überhaupt ein Nebeneinander von Passanten, Radfahrenden und Robotern zu? Kann eine autonom operierende Plattform die Lieferzeiten auch einhalten, wenn viele Fußgänger den Gehweg frequentieren?“, nennt Prof. Sebastian Zug als Beispiele. Für eine faktenorientierte Evaluation bedarf es laut der Forschenden detaillierte Karten der Umgebung, die die Untergründe eines Gehweges, die Position von Poldern oder Absätzen genauso umfassen, wie das Passantenaufkommen oder die übliche Fahrgeschwindigkeit von Radfahrenden. „Bisherige öffentlich verfügbare Datensätze, wie zum Beispiel Open Street Map, decken diese spezifischen Informationen nicht ab. Vielmehr müssen die Daten an jedem Standort aufwändig manuell erhoben werden“, erklärt Dr. Tom Assmann.

Daten gezielt sammeln und auswerten

Das Forschungsprojekt AK_hoch_2 zielte darauf, diese Lücke durch die Erfassung von Umgebungsparametern anhand von Datensätzen zu schließen. Dazu schickte das Forschendenteam Mitarbeitende und Studierende mit ihren Fahrrädern über die Radwege der mitteldeutschen Städte Freiberg und Magdeburg. Zwei eigens entwickelte Messboxen, die auf die Erfassung von Beschleunigungswerten und Drehraten beziehungsweise Kamerabildern ausgerichtet waren, hatten sie dafür an Bord. Die Radfahrenden speicherten die Datensätze über ein Webportal in einer Datenbank, für die im Hintergrund eine umfangreiche Verarbeitungskette startete. „So wurden die Datensätze zum Beispiel durch das Entfernen von Ziel- und Anfangspunkten anonymisiert und die individuellen Messdaten einzelnen Wegsegmenten zugeordnet“, erklärt Prof. Zug.

Um die Bewegungsdaten hinsichtlich tatsächlicher Höhenunterschiede im Untergrund abzubilden, erstellten die Forschenden ein Referenzmodell. Ausgehend von den Fahrradkonfigurationen konnten sie so die Geschwindigkeit und die Rauheit des Untergrundes quantifizieren. Die Wegbreiten und das Passantenaufkommen erfassten die Forschenden mit prototypischen Applikationen an den Fahrrädern. Mehr als 10.000 Kilometer wurden auf diese Weise im Rahmen des Projekts erfasst. „Das Vorhaben definiert mit der evaluierten Verarbeitungskette wichtige Grundlagen für die Diskussion möglicher Regularien für den Einsatz von Robotern in urbanen Szenarien“, schlussfolgert Prof. Zug.

Die Forschung der Arbeitsgruppe Softwareentwicklung und Robotik an der TU Bergakademie Freiberg zielt auf autonome Mikromobile in verschiedenen Einsatzszenarien. Unter Einbeziehung der Studierenden des entspre-chenden Studienganges werden Methoden zur fehlertoleranten Umgebungserfassung, der Pfad- und Energiepla-nung sowie der Evaluation ganzer Szenarien entworfen.

Über das Förderprogramm mFUND des BMVI

Im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND fördert das BMVI seit 2016 datenbasierte Forschungs- und Entwicklungsprojekte für die digitale und vernetzte Mobilität 4.0. Die Projektförderung wird ergänzt durch eine aktive fachliche Vernetzung zwischen Akteuren aus Politik, Wirtschaft, Verwaltung und Forschung sowie durch die Bereitstellung von offenen Daten auf dem Portal mCLOUD. Weitere Informationen.

13. Oktober 2021 – Unbekannt

Was besser haftet, schützt länger: Mikrostruktur innerer Grenzflächen in Hartstoffschichten geklärt

Forschende der TU Bergakademie Freiberg entwickeln gemeinsam mit dem Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und der tschechischen Niederlassung der Firma Dormer Pramet neuartige Hartstoffschichten zum nachhaltigen Einsatz in Zerspanungswerkzeugen.

Indem sie die Grenzflächen zwischen den hauchdünnen Werkstoff-Schichten auf der Nanoskala untersuchen und gezielt modifizieren, sorgen sie dafür, dass die Schichten besser aneinander haften. Werden die Bohrspitzen mit den innovativen Beschichtungen überzogen, verlängert sich die Standzeit der Werkzeuge zum Bohren, Drehen oder Fräsen um bis zu 30 Prozent.

Die untersuchten Bohrspitzen bestehen aus Stapeln zweier extrem dünner Hartstoffschichten, die vom Industriepartner Dormer Pramet in einem Hochtemperaturreaktor hergestellt werden. Die Deckschicht besteht aus Aluminiumoxid; die darunter liegende Schicht aus Titancarbonitrid. Als Beschichtung von Bohrspitzen in Zerspanungswerkzeugen sorgen die Dünnschichtstapel für weniger Verschleiß und längere Standzeiten. Verwendet werden sie deshalb insbesondere bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung von Metallen, bei denen hohe Temperaturen an den Schneidwerkzeugen entstehen. “Die Schwachstelle der Dünnschichtstapel ist die innere Grenzfläche zwischen den beiden Schichten – dort fügen sich die Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen nicht ideal ineinander ein“, erklärt Werkstoffwissenschaftler Prof. David Rafaja von der TU Bergakademie Freiberg.

Beim Bohren entstehen Risse in der Oberfläche der Deckschicht aus Aluminiumoxid und diese platzt ab. Da die Deckschicht die Oxidation der Titancarbonitrid-Schicht verhindert, kommt es zur Korrosion der Werkzeugteile und die Schneide- und Bohreinsätze müssen erneuert werden. „Wer dafür sorgen möchte, dass die Werkzeuge länger im Einsatz bleiben können, muss also zunächst verstehen, wie die beiden Schichten, die jeweils wenige Mikrometer dick sind, an ihrer Grenzfläche beschaffen sind und warum sie noch nicht ideal angebunden sind“, ergänzt Prof. David Rafaja.

Grenzflächen auf Nanoebene untersuchen

Die Bildung dieser Zwischenschicht an der Grenzfläche der beiden Hartstoffschichten hat das Team um Prof. David Rafaja nun erstmals auf der nanoskopischen Ebene genauer unter die Lupe genommen. An den Berührungsflächen der beiden Schichten bilden sich Übergangsphasen und nanoskalige Strukturen, in denen auf der atomaren Ebene die beiden Materialien, wie in einem Reißverschluss, ineinander fallen. Die Bildung dieser Übergangsphasen können die Forschenden durch chemische Reaktionen verändern: Durch die Anpassung von Druck und Temperatur im Reaktor sowie der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe erreicht das Team, dass die Kristallstrukturen an den Grenzflächen besser ineinanderpassen. Außerdem erzeugen die Forschenden gezielt eine leichte Verspannung des Kristallgitters.

Die modifizierte Zwischenschicht, die unter Laborbedingungen am IKTS hergestellt wird, fungiert dann als Barriere für die Rissausbreitung und gleichzeitig als Diffusionsbarriere. „Damit wird das Abtrennen der Schichten blockiert“, erklärt Dr. Christina Wüstefeld, Leiterin der Arbeitsgruppe „Dünne Schichten“ am Institut für Werkstoffwissenschaft. „Die größte Herausforderung ist es, eine Zwischenschicht mit einer Dicke von maximal einem Mikrometer herzustellen, die aber gleichzeitig in der Lage ist, große Unterschiede in den Kristallstrukturen des Titancarbonitrids und des Aluminiumoxids auszugleichen“ verdeutlicht Dr. Christina Wüstefeld. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat eine Dicke von zirka 50 Mikrometer.

Hochauflösende Mikrostrukturanalytik erlaubt neue Einblicke in atomare Struktur

Um die Grenzflächen gezielt zu analysieren, bereitet Dr. Christiane Ullrich die Proben in einem aufwendigen Verfahren vor. „Von der Oberfläche der Hartstoffprobe wird mit einem fokussierten Ionenstrahl eine Lamelle mit der Dicke von weniger als hundert Nanometern herausgeschnitten und dann mithilfe eines Ionenpolierprozesses hauchdünn in die finale Form präpariert“, veranschaulicht die wissenschaftliche Mitarbeiterin. Mit einem hochauflösenden analytischen Transmissionselektronenmikroskop untersucht und vergleicht das Team die Proben. Dabei wird die Abbildung bei atomarer Auflösung mit lokalen spektroskopischen Methoden kombiniert.

Zerspanungswerkzeuge mit längerer Einsatzzeit

Im tschechischen Šumperk werden die neuen Hartstoffbeschichtungen bei der Firma Dormer Pramet auf ihre Praxistauglichkeit geprüft. „Die ersten Ergebnisse zeigen, wie die einzelnen Parameter des Herstellungsprozesses die Beschaffenheit der Zwischenschicht beeinflussen und wie wir die Eigenschaften der Hartstoffschichten im Beschichtungsprozess maßgeschneidert einstellen können“, freut sich Teilprojektleiter Dr. Michal Šíma über den Transfer der Forschungsergebnisse aus dem Labor in die Produktion.

Hintergrund EU-Netzwerk M-era.net

Das mit insgesamt einer Million Euro geförderte Projekt „Microstructure Design of Innovative Interfaces of CVD Hard Coatings (MiDiCoat)“ gehört zum Netzwerk M-era.Net. M-era ist ein durch die Europäische Union finanziertes Netzwerk, das seit 2012 europäische Forschungs- und Innovationsprogramme – insbesondere auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie – unterstützt und koordiniert. Das Konsortium M-era.Net trägt zu einer andauernden Restrukturierung des Europäischen Forschungsraumes (ERA) bei. Es fördert die wissenschaftliche Exzellenz und die Übertragung der Ergebnisse der Grundlagenforschung in die Praxis als Basis für industrielle Innovationen. Das M-era.Net bemüht sich um die Entwicklung einer langfristigen Zusammenarbeit zwischen Forschungsförderungsorganisationen in einzelnen Regionen, in Europa und weltweit.