Neues Internationales Graduiertenkolleg: Wie Klimagase gespeichert werden und Brennstoffzellen mehr Leistung bringen

Sie sind das Thema eines neuen Internationalen Graduiertenkollegs unter Federführung des Lehrstuhls für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung (Prof. Rainer Helmig) am Institut für Wasserbau (IWS) der Universität Stuttgart. Unter dem Titel „Nichtlinearitäten und Upscaling in porösen Medien“ wird sich das Graduiertenkolleg, dem neben Stuttgart die Universitäten Delft, Eindhoven und Utrecht angehören, mit Modellkonzepten und numerischen Verfahren zur Beschreibung von Mehrphasenprozessen in porösen Medien beschäftigen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft bewilligte für die neun deutschen Projekte zunächst 3,5 Millionen Euro für einen Zeitraum von 4,5 Jahren. „Die Modellbeschreibung und Simulation dieser hochkomplexen Prozesse gehören zu den größten derzeitigen Herausforderungen in den Ingenieur- und Naturwissenschaften“, betont Helmig.

In porösen Medien können eine Vielzahl von räumlichen Skalen identifiziert werden, die auf die Entstehung des Mediums und die verschiedenen Grundsubstanzen (beispielsweise Sand oder Ton) zurückzuführen sind. Dabei entstehen Gebiete unterschiedlicher Eigenschaften, die großen Einfluss haben. Da für die genaue Beschreibung der Heterogenitäten die derzeitige Rechnerleistung nicht immer ausreicht, beschäftigen sich die Stuttgarter Wissenschaftler unter anderem mit Mittelungsansätzen (upscaling). Diese liefern effektive Parameter, mit deren Hilfe die Systemantwort auf einer größeren Skala berechnet werden kann, ohne die kleinskaligen Strukturen auflösen zu müssen. So können beispielsweise bestimmte Strukturen mit geostatistischen Ansätzen beschrieben werden. Für die damit getroffenen Annahmen kann dann eine Mittelwertbeschreibung für bestimmte Prozesse entwickelt werden. Allerdings können nicht alle natürlich vorkommenden Strukturen so quantifiziert werden. Deshalb steht in einem Teil des Kollegs die Entwicklung von effizienten numerischen Verfahren im Vordergrund, mit denen dann hochkomplexe Strömungsprozesse in stark heterogenen Medien simuliert werden können.

Grundlagenforschung und vielfältige Anwendungsfelder

Ziel des Graduiertenkollegs ist es, Modelle für Strömungs- und Transportprozesse zu entwickeln, die nicht auf bestimmte Anwendungen beschränkt sind. Um die Fragestellungen sinnvoll bearbeiten zu können, kooperieren in dem interdisziplinär angelegten Forschungsprojekt Wissenschaftler aus dem Umwelt- und Bauingenieurwesen, der Physik, Informatik, chemischen Verfahrenstechnik und der angewandten Mathematik. Grundlagenforschung soll dabei mit angewandter Forschung kombiniert werden. Mögliche Felder sind die Speicherung von Klimagasen wie Kohlendioxid im Untergrund oder die Vorhersage von Hangrutschungen. Auch Anwendungen in der Papierherstellung oder in der Biomechanik sind denkbar.

Beispielhaft kann man die Optimierung von Brennstoffzellen aufführen. Hierbei sollen die Strömungsprozesse in einer solchen Zelle simuliert und experimentell untersucht werden. Ein großes Problem der heutigen PEM Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane) ist das Beherrschen der Wasser(dampf)strömungen. So muss in solchen Zellen eine Membran befeuchtet werden, um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit sicherzustellen. Andererseits behindert zu viel Wasser den Sauerstofftransport zum Katalysator und muss deshalb entfernt werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll die Strömung von Wasserdampf und Wasser in der Brennstoffzelle mit einem Ansatz simuliert werden, der die wasseranziehenden und wasserabstoßenden Eigenschaften der Brennstoffzelle berücksichtigt. Die Wissenschaftler wollen verstehen, welche Prozesse die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen limitieren. Ziel ist es, das Design und den Betrieb von Brennstoffzellen weiter zu verbessern.

Zu dem Graduiertenkolleg gehört ein Lehrprogramm, das die spezifischen Fragestellungen der jungen Wissenschaftler abdeckt. Zur Diskussion der Forschungsergebnisse sollen regelmäßige Graduiertenseminare stattfinden, an denen per Videokonferenz auch die niederländischen Partner teilnehmen. Zudem wird es ein Austauschprogramm geben, das es Doktorandinnen und Doktoranden erlaubt, neun Monate im Partnerland zu verbringen. „Das Graduiertenkolleg bietet ein einmaliges Umfeld für Doktoranden, da von Anfang an eine Einbindung in eine interdisziplinäre und internationale Gruppe gegeben ist“, meint Dr. Insa Neuweiler, Leiterin einer Jungforschergruppe am IWS.

Weitere Informationen bei Prof. Rainer Helmig, Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydromechanik und Hydrosystemmodellierung, Tel. 0711/685-64741, e-mail Rainer.Helmig@iws.uni-stuttgart.de oder bei Sabine Manthey, Tel. 0711/685-60076, e-mail sabine.manthey@iws.uni-stuttgart.de