ChemCar Wettbewerb 2007 – das etwas andere Autorennen

Das Eurogress in Aachen ist am Mittwoch, dem 17. Oktober 2007, von 13.00 bis 14.00 Uhr Schauplatz eines Autorennens der besonderen Art. Am Start sind neun Racing-Teams, die ihre Fahrzeuge mit Hilfe der hohen Kunst der Verfahrenstechnik ausschließlich durch (bio-)chemische Reaktionen fortbewegen und steuern. Das Sieger-Team kann sich über einen Geldpreis von 2.000 Euro freuen und nimmt den ChemCar-Pokal mit nach Hause.

Folgende Teams gehen am 17. Oktober beim 2. ChemCar Wettbewerb an den Start:

– Team EsterRacer (RWTH Aachen)
– MyBeck (TU Chemnitz)
– CarTalase (TU Berlin)
– TUCtuc (TU Clausthal)
– Die Porigen (Universität Erlangen)
– H.A.T. – Hydrogen Avalanche Team (TU Graz)
– Magdecar (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)
– CARMA – Chemo mechanical artificial musclo automotive (Universität Würzburg
– Lions-TU Graz (TU Graz)
Dieser Wettbewerb möchte den jungen Chemikern und Verfahrenstechnikern nicht nur Spaß am praktischen Arbeiten vermitteln, sondern auch zeigen, welche Bedeutung die Chemie und die Verfahrenstechnik für viele andere Branchen besitzen und welche Impulse von diesen beiden Disziplinen ausgehen.

Das Autorennen der etwas anderen Art wird von den kreativen jungen Verfahrensingenieuren (kjVI), der VDI-GVC Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen und der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. organisiert. Es findet im Rahmen des Studenten- und Doktorandenprogramms während der ProcessNet-Jahrestagung 2007 vom 16. bis 18. Oktober in Aachen statt.

Das Generalthema dieses großen Jahrestreffens der Ingenieure, Verfahrenstechniker und Chemiker lautet „Chemie und Technik für Energie, Mobilität und Gesundheit“. Die Themen reichen vom Klimaschutz und verantwortungsbewusstem Umgang mit Ressourcen bis zur Lebensmitteltechnologie und Medizin- oder Energieverfahrenstechnik. Anhand neuester Entwicklungen und Forschungsergebnisse wird gezeigt, welche Möglichkeiten die chemische Reaktionstechnik, Partikeltechnik, Prozess- und Anlagentechnik oder Sicherheitstechnik bieten, um die Bedürfnisse unserer Gesellschaft zu sichern.

Kurzvorstellung der teilnehmenden Teams:

Team EsterRacer – ChemCar Team der RWTH Aachen
Marcus Verhülsdonk, Max Jordan, Oliver van Neerven, Johannes Buyel,
Benjamin Bergmann, Kai Wetzel
Das „Herz“ des EsterRacers stellt die völlig neuartige Interpretation eines Klassikers der Elektrochemie dar – die des „Galvanischen Elements“ von John Frederic Daniell. Das ChemCar-Konzept nutzt die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Zink und Wasserstoff, um einen elektrischen Stromfluss zu erzeugen. Eine Innovation ist dabei die Tatsache, dass der benötigte Elektrolyt der Kathodenhalbzelle nicht etwa wie bei einer gewöhnlichen galvanischen Zelle vorgelegt, sondern in einer enzymatisch katalysierten Reaktion erzeugt wird, bei der eine Lipase den Ester Sonnenblumenöl spaltet. Erst die dadurch freigesetzte Säure ermöglicht eine Reduktion der Protonen zu Wasserstoff. Auch zum Anhalten des Fahrzeugs wurde ein neuartiges System entwickelt: der über eine Kapillare zugeführte Farbstoff sorgt für die Unterbrechung einer Lichtschranke und der „EsterRacer“ hält an.
MyBeck – ChemCar Team der TU Chemnitz
Manja Händel, Steffi Gloza
Das Konzept zum Antrieb beruht auf der Erzeugung von Spannung aus Wärme mit Hilfe von Seebeck-Elementen. Durch die Zusammenführung konzentrierter Schwefelsäure mit Natronlauge in drei modular angeordneten Mikrostrukturreaktoren mit jeweils vier parallel angeordneten Kanälen wird Wärme erzeugt. Mikrostrukturreaktoren ermöglichen durch ein großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis einen intensiven Wärmeübergang. Die Wärme wird auf die insgesamt 12 Seebeck-Elemente übertragen. Deren zu erwärmende Seite befindet sich auf den Reaktoren, während an der Wärme abführenden Seite ein luftgekühlter Aluminiumblock aufliegt. Durch die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen Generators wird eine Spannung erzeugt (Seebeck-Effekt). Diese treibt den Elektromotor des „MyBecks“ an.
CarTalase – ChemCar Team der TU Berlin
Oliver Litzmann, Kiara Kochendörfer, Juliane Scholz, Daniel Trawny, Benjamin Beck, Verena Strempel, Stefan Horn

Zum Antrieb des ChemCars wird der katalytische Zerfall von Wasserstoffperoxid genutzt. Als Katalysator dient Katalase, ein Enzym, das in der Natur sehr häufig vorkommt. Bei dieser Reaktion wird Wasserstoffperoxid in kurzer Zeit in Wasser und Sauerstoff zerlegt. Der Sauerstoff setzt über einen Druckgasantrieb das ChemCar in Bewegung. Der Druck, der durch das in die Zylinder einströmende Gas aufgebaut wird, bewegt die Kolben. Diese Bewegung wird dann mit Hilfe von Pleuelstangen auf die Welle übertragen und in eine Drehbewegung umgesetzt, die die Räder antreibt. CarTalase besitzt einen Dreizylindermotor. Der Sauerstoff wird nach dem Durchströmen des Motors aufgefangen, so dass das ChemCar emissionsfrei fährt.

TUCtuc – ChemCar Team der TU Clausthal
Kristian Voelskow, Sebastian Alter, Alexandra Deeke, Kirsten Hönoch, Carsten Knobloch, Matthias Kurze, Marco Schulze

Dieses ChemCar wird von einem Schrittmotor angetrieben, der seine Energie aus einer vierzelligen Silberchlorid-Magnesium-Batterie mit Natriumchloridlösung als Elektrolyt bezieht. Durch einen Schneckenradsatz und ein maßgefertigtes O-Ring-Getriebe erfolgt die Übersetzung des Antriebs auf die jeweils benötigte Drehzahl. Um eine höhere Genauigkeit auch bei kürzeren Strecken zu erzielen, kann zwischen drei Getriebeeinstellungen gewählt werden. Die Zeitbestimmung erfolgt über eine elektrochemische Reaktion, bei welcher Natriumsulfit und Kaliumjodid in saurer Umgebung unter Zuführung eines konstanten Stroms reagieren. Über eine Potentialmessung wird, sobald das Natriumsulfit verbraucht ist, die Batterie kurzgeschlossen und so die Energiezufuhr zum Motor gestoppt.

Die Porigen – ChemCar Team Universität Erlangen
Daniel Kilian, Bernhard Herrmann, Johannes Trautner, Christian Kirsch, Stephanie Bajus, Alvin Unterwegner, Stefan Schorsch

Wasserstoff ist als umweltfreundlicher und dezentraler Energieträger zukunftsweisend für die Energieversorgung. Die sichere technische Handhabung, in Form einer kontrollierten Knallgasreaktion, stellt dabei neben der Lagerung und Herstellung für die Verfahrenstechnik eine bedeutende Herausforderung dar. Das Chemcar Team der Universität Erlangen hat sich dieser Aufgabe gestellt. Den besonderen stofflichen Eigenschaften des Wasserstoffs (hoher Diffusionskoeffizient und breite Zündgrenzen) wurde bei der Konstruktion und Materialauswahl in besonderem Maße Rechnung getragen. Die Reaktion selbst, also die Umsetzung von reinem Wasserstoff mit Luftsauerstoff findet unter kontrollierten Bedingungen in einem eigens entworfenen Porenbrenner statt. Anders als bei herkömmlichen Verbrennungsprozessen bildet sich keine freie Flamme aus. Der Brennstoff reagiert in zwei Zonen im porösen Keramikelement. Zunächst werden die Stoffe vermischt und in den Brenner eingeleitet. In der ersten Zone erfolgt lediglich eine Vorwärmung. Durch sehr kleine Porenradien wird ein Flammenrückschlag ausgeschlossen. In der zweiten Zone wird die Knallgasreaktion umgesetzt. Die entstehende Wärme wird an einen Verdampfungskessel weiter geführt, der eine konventionelle Dampfmaschine mit Heizdampf versorgt. Eine gefederte Fahrwerkskonstruktion sorgt schließlich für einen optimierten Lauf des Fahrzeugs.

H.A.T.-Hydrogen Avalanche Team – ChemCar Team der TU Graz
Peter Parz, Wolfgang Peter, Markus Perchthaler, Mario Hainschitz, Manfred Wegleitner, David Obermayer, Harald Moser

Das ChemCar des Hydrogen Avalanche Teams (H.A.T.) wird durch einen Getriebe- Elektromotors angetrieben. Die dazu benötigte elektrische Leistung wird über zwei Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Membran- Brennstoffzellen (HT-PEM-BZ) erzeugt. Dabei werden die einzelnen Zellen in Serie geschalten, um die benötigte Betriebsspannung für den Elektromotor zu erreichen. Die zwei Zellen werden mit Luft und Wasserstoff betrieben, die jeweils eine aktive Fläche von 50 cm2 besitzen. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle zeichnet sich die HT-PEM-BZ durch eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid aus. Damit empfiehlt sie sich als Energieverwerter für reformiertes Biogas. Dadurch wird CO2-Neutralität nicht nur im Betrieb, sondern auch in der Bereitstellung des Brennstoffes garantiert und somit ein eventueller Einstieg in eine umweltfreundliche Wasserstoffwirtschaft ermöglicht.

Magdecar – Chemcar der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Richard Bormann, Juliane Breuer, Tanja Buch, Tobias Heidig, Martin Kirchhoff, Julia Schneider, Robert Heyer

Angeregt durch das historische Experiment mit den „Magdeburger Halbkugeln“ wird das Magdecar durch die Macht des Drucks angetrieben. Grundlage dafür ist die Reaktion von Zitronensäure mit Natriumcarbonat, bei welcher die Säure Kohlenstoffdioxid aus dem Salz heraustreibt. Das frei werdende Gas erhöht den Druck im System, wodurch ein Kolben aus einem Zylinder ausfährt. Diese Linearbewegung wird mit Hilfe eines Seilzuggetriebes, welches am Kolbenende befestigt ist, auf die Antriebsachse übertragen. Die Achse wird dabei durch das abrollende Seil in Rotation versetzt. Die Reaktion bringt mit Wasser, Kohlenstoffdioxid und dem Lebensmittelzusatz Natriumcitrat, das beispielsweise – wie auch die Zitronensäure – Bestandteil von Brausepulver ist, umwelt- und sicherheitstechnisch bedenkenlose Produkte hervor.

CARMA-Chemo mechanical artificial muscle automotive – ChemCar Team der Universität Würzburg:

Thomas Fischer, Johannes Hofmann, Alexander Paasche, Thomas Schmidt

Diese Konzept orientiert sich am Vorbild der Natur, die chemische Energie direkt mittels eines Muskels in Bewegungsenergie umwandelt. Der Antrieb des Fahrzeugs wird mit einem chemomechanischen Linearaktuator (künstlicher Muskel) realisiert. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Aktuatoren dienen Fasern aus Polyacrylnitril (PAN), die in der Textilindustrie häufig verwendet werden. Die PAN-Fasern sind chemisch so modifiziert und optimiert, dass sie auf Säuren und Laugen mit Volumenänderung reversibel reagieren. Grund hierfür sind Wechselwirkungen zwischen protonierten bzw. deprotonierten Carbonsäuregruppen, die eine vollständig reversible Expansion bzw. Kontraktion des Polymernetzwerkes hervorrufen. Die Kontraktionsleistung des Muskels wird durch Wahl der Säurekonzentration variiert. Die lineare Kontraktion des Aktuators wird über eine Mechanik in eine Drehbewegung umgewandelt, welche dann auf eine Achse des Fahrzeugs übertragen wird. Dieses Antriebskonzept ist frei von gasförmigen Emissionen, als Abfallprodukte entstehen lediglich die Salzlösungen der verdünnten Säuren und Laugen.

Lions-TU Graz – ChemCar Team der TU Graz
Cornelia Bayer, Colin God, Lucas Hauser, Christian Holly, Bernhard Preisack, Christoph Stangl

Der Energiegewinnung und -speicherung wird infolge der begrenzten fossilen Energieträger eine zentrale Rolle in der Zukunft zukommen. Als zurzeit modernster und vielseitigster Speicher von elektrischer Energie stellen Lithium-Ionen-Batterien eine vielversprechende Alternative dar. Mit Lithiumtitanat und Lithiumeisenphosphat wurden zwei Aktivmaterialien gewählt, die im Stabilitätsfenster des Elektrolyten operieren. Durch die kleinere mittlere Entladespannung von 1,9 V gegenüber 3,7 V, die aus kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien erhalten werden, sinkt zwar die Energiedichte, jedoch lassen sich dadurch mehrere tausend Lade- und Entladezyklen realisieren. Diese hohe Zyklenstabilität stellt eine unabdingbare Notwendigkeit für den Einsatz in Hybridfahrzeugen oder zur Speicherung von Solarstrom dar.