Wärmeleitfähigkeit des Meeresbodens messen

Noch im Jahr 2009 könnte die erste deutsche Offshore-Windanlage in Betrieb gehen. Dann werden sich in der Nordsee vor Borkum 12 riesige Windräder drehen, mit je 5 Megawatt Leistung die größten weltweit.

Der Strom, den sie erzeugen, wird über eine Trasse von 45 km Länge vorbei an Norderney zum Festland fließen, in zwei bis drei Metern Tiefe im Meeresboden. Neben vielen anderen technischen Herausforderungen, die das ganze Projekt durchaus umstritten machen, musste ein messtechnisches Problem rund um dieses Kabel gelöst werden: Wie ermittelt man die Wärmeleitfähigkeit des Meeresbodens genau genug, um die späteren Einflüsse der Temperatur auf das Kabel vorhersagen zu können?

Der Meeresboden enthält große Mengen an Kieselsteinen, die für viele Inhomogenitäten sorgen, und natürlich Wasser, das jede Messung durch Konvektion stört. Nachdem mehrere renommierte Prüfinstitute kapituliert hatten, wandte sich das beauftragte Ingenieurbüro an die Messexperten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Und die konnten helfen. Mit einem in der PTB entwickelten Verfahren, das sich schon bei einem ähnlichen Messeinsatz an Flusssedimenten im Spreewald bewährt hatte, maßen sie die Wärmeleitfähigkeit des bereitgestellten Meeresbodens mit der erforderlichen Genauigkeit. Das Gerät ist universell einsetzbar. Ein Messgerätehersteller bringt es demnächst in Lizenz auf den Markt. Zunächst wird es vom 26. bis 28. Mai 2009 auf der Messe Sensor+Test in Nürnberg auf dem PTB-Stand (Halle 12, Stand 582) vorgestellt.

Das neue Messgerät, das in der PTB entwickelt worden ist, bietet gegenüber den üblichen Plattenmessgeräten drei wesentliche Vorteile: erheblich kürzere Messzeiten, einfachere und sichere Handhabung sowie geringe Anschaffungskosten. Das Gerät, das aus einem handelsüblichen Systemvoltmeter und dem Sensor besteht, liefert neben den Messwerten für die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit auch deren Messunsicherheiten. Es optimiert sich bei jeder Messung selbsttätig, so dass die jeweils geringste Unsicherheit erreicht wird. Seine Benutzung ist denkbar einfach. Auch ungeübte Personen bedienen es fehlerfrei.

Das Verfahren hat noch einen weiteren Vorteil. Bei Messungen der Wärmeleitfähigkeit soll lediglich die reine Wärme-Leitung gemessen werden, nicht aber die (Wärme-)Konvektion. Wenn die Probe Wasser enthält, kommt es bei einem herkömmlichen Plattenmessgerät zur Konvektion von der warmen zur kalten Platte, was eine höhere Wärmeleitfähigkeit vortäuscht. Dieser unerwünschte Effekt ist bei dem neuen Gerät fast ausgeschlossen. Daher eignet sich das Verfahren besonders gut zur Messung der Wärmeleitfähigkeit in nassen Substanzen. So haben die PTB-Experten damit bereits die Wärmeleitfähigkeit von Flusssedimenten des Spreewaldes erfolgreich bestimmt. Hintergrund des DFG-geförderten Projektes von Limnologen war die Frage, warum im Spreewald trotz gleich bleibender Verdunstung der Wasserstand stetig abnimmt – es geht also um das Funktionieren des Fluss-Sediment-Boden-Grundwasser-Systems.

Auch im Bauwesen kann das neue Gerät eingesetzt werden, beispielsweise um die Wärmeleitfähigkeit von Ziegelsteinen zu messen, die aufgrund ihrer Größe nicht in ein Plattenmessgerät passen, oder um auf einfache und schnelle Weise die Wärmedämmeigenschaften von Dämmstoffen zu überprüfen.

Der Name des Sensormessgerätes, THB 26 K, leitet sich von seiner Bauweise ab. THB steht für Transient Hot Bridge, also Wärmebrückenverfahren. Dabei handelt es sich um eine thermo-elektronische Brückenschaltung. Flüssigkeiten wie Schmierstoffe Fette, Pasten und Schüttgüter lassen sich besonders gut damit messen. Man füllt sie in ein Laborglas, taucht den Sensor ein und startet die Messung. Die bisher übliche umständliche Reinigung eines ganzen Messgerätes entfällt dadurch.

Das neue Sensormessgerät, das in einem Bereich von 10 mW/(m K) bis 70 W/(m K) anwendbar ist, wird auf der Sensor+Test 2009 vom 26. bis 28. Mai in Nürnberg auf dem PTB-Stand (Stand 582) in Halle 12 präsentiert.

ms/es

Ansprechpartner
Dr. Ulf Hammerschmidt, PTB-Arbeitsgruppe 1.74 „Wärmeleitfähigkeit“,
Tel.: (0531) 592- 3211, E-Mail: ulf.hammerschmidt@ptb.de
Dipl.-Ing. Vladislav Meier, „Entwicklung neuer Thermosensoren“,
Tel.: (0531) 592-3217, E-Mail: vladislav.meier@ptb.de