Die Dekarbonisierung der Industrie gilt als eine der schwierigsten Aufgaben der Energiewende. Besonders die Prozesswärme stellt Ingenieurinnen und Ingenieure vor große Herausforderungen. Chemische Anlagen, Trocknungsprozesse oder thermische Behandlungen benötigen oft Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius – heute meist erzeugt durch Gas oder andere fossile Brennstoffe.
Ein Forschungsteam der Rice University in den USA hat nun einen neuen Ansatz vorgestellt. Statt klassischer Metallheizdrähte setzen die Forschenden auf ultradünne Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren. Die Studie erschien im Fachjournal Small. Das Konzept: flexible, fadenartige Heizelemente, die direkt in strömende Gase eingebracht werden können und dabei deutlich mehr Heizleistung pro Masseneinheit liefern.
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Warum Industriewärme schwer zu elektrifizieren ist
Viele industrielle Prozesse erhitzen Gase. Diese heißen Ströme werden beispielsweise in chemischen Reaktoren, Trocknungsanlagen oder Produktionslinien benötigt. Heute stammt diese Wärme meist aus der Verbrennung von Gas, Öl oder Kohle.
Elektrische Heizungen erscheinen auf den ersten Blick als einfache Alternative. Strom fließt durch ein Widerstandselement, das sich erhitzt – ein Prinzip, das seit Jahrzehnten bekannt ist. Doch die Praxis ist komplizierter. Heizelemente müssen die Energie schnell und gleichmäßig an den Gasstrom übertragen. Gleichzeitig dürfen sie bei hohen Temperaturen nicht versagen.
Tauchheizungen besonders effizient
Besonders effizient sind sogenannte Tauchheizungen, bei denen das Heizelement direkt im Gasstrom sitzt. Allerdings erhöht diese Bauweise die mechanische und thermische Belastung stark.
„Wenn man eine Heizung direkt in einen Gasstrom eintaucht, gewinnt man an Wärmeübertragungseffizienz, schafft aber auch eine viel raueres Betriebsumfeld“, sagte Daniel J. Preston, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Geometrie, Stabilität und Leistung sind eng miteinander verbunden.“
Ein zentrales Problem ist die Größe der Heizdrähte. Dünne Drähte geben Wärme besser an das Gas ab. Metalllegierungen lassen sich jedoch nur begrenzt miniaturisieren. Sehr feine Drähte werden mechanisch instabil oder schwierig zu produzieren.
Nanoröhrenfasern als Alternative zu Metall
Hier kommen Kohlenstoffnanoröhrenfasern ins Spiel. Diese Materialien bestehen aus vielen miteinander verflochtenen Kohlenstoffnanoröhren. Sie kombinieren mehrere Eigenschaften, die für Heizelemente interessant sind:
- relativ hoher elektrischer Widerstand
- sehr hohe mechanische Festigkeit
- geringes Gewicht
- gute Wärmeleitfähigkeit
Diese Kombination ist ungewöhnlich. Viele klassische Heizmaterialien besitzen entweder gute elektrische oder gute thermische Eigenschaften, selten beides gleichzeitig.
„Kohlenstoffnanoröhrenfasern verhalten sich ganz anders als Metalldrähte“, sagte Matteo Pasquali, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik und Direktor des Carbon Hub. „Sie sind leicht, flexibel und bemerkenswert fest, was uns ermöglicht, Heizgeometrien und Fertigungstechniken in Betracht zu ziehen, die mit herkömmlichen Materialien nicht realisierbar wären.“
Die Forschenden bauten deshalb nicht einfach bestehende Heizsysteme nach. Stattdessen entwickelten sie neue Architekturen, die speziell auf die Eigenschaften der Nanofasern zugeschnitten sind.
Neue Heizarchitekturen aus Nanofasern
Das Team testete verschiedene Bauformen: einzelne Filamente, parallele Drahtanordnungen sowie textile Strukturen aus gewebten oder gestrickten Fasern. Entscheidend war dabei ein Kennwert: die spezifische Leistungsbelastung. Sie beschreibt, wie viel Heizleistung ein Element pro Masseneinheit dauerhaft liefern kann, bevor es ausfällt.
Die Ergebnisse zeigen einen klaren Trend. In vielen Testbedingungen erreichten die CNTF-Heizer deutlich höhere spezifische Leistungswerte als vergleichbare Metallheizdrähte. Besonders stark war dieser Vorteil in nicht oxidierenden Gasen, also beispielsweise in Stickstoff- oder Wasserstoffumgebungen. Dort können kohlenstoffbasierte Materialien wesentlich höhere Temperaturen überstehen, ohne zu oxidieren oder zu zerfallen.
Ein weiterer Effekt spielte ebenfalls eine Rolle. Die Nanofasern leiten Wärme vergleichsweise gut entlang ihrer Struktur. Dadurch verteilen sich Temperaturspitzen gleichmäßiger. „Ihre hohe Wärmeleitfähigkeit trägt dazu bei, die Wärme zu verteilen und lokale Hotspots zu unterdrücken, die eine häufige Ursache für den Ausfall von Heizelementen sind“, sagte Geoff Wehmeyer, Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Diese Wärmeverteilung verändert grundlegend das Verhalten dieser Geräte unter extremen Bedingungen.“
Textiltechnik trifft Nanomaterial
Eine Besonderheit der Studie ist der Einsatz von Verfahren aus der Textiltechnik. Die Nanofasern lassen sich zu Garnen spinnen und anschließend zu dreidimensionalen Strukturen verarbeiten. Solche Gewebe besitzen eine große Oberfläche und sind gleichzeitig mechanisch flexibel. Beides verbessert die Wärmeübertragung an das Gas.
„Textile Techniken geben uns außergewöhnliche Freiheit bei der Schaffung dreidimensionaler Architekturen“, sagte Vanessa Sanchez, Assistenzprofessorin für Maschinenbau. „Wir können Heizungen entwerfen, die leicht, porös und mechanisch nachgiebig sind und gleichzeitig elektrisch funktionsfähig bleiben.“
Im Vergleich zu starren Metallgittern zeigten diese Gewebe eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und weniger lokale Überhitzung.
Industriepartner bereits beteiligt
Das Projekt vereint mehrere Forschungsbereiche: Materialentwicklung, Nanowärmeübertragung, Gerätedesign und Fertigungstechnologien. Neben Universitätslaboren waren auch Industriepartner beteiligt.
Unter anderem arbeiteten Forschende mit Expertinnen und Experten von Shell sowie mit dem Unternehmen DexMat zusammen, das Technologien zur Herstellung von CNTF-Fasern kommerzialisiert.
„Diese Arbeit erforderte Fachwissen aus mehreren Bereichen“, sagte Wehmeyer. „Die Herstellung hochwertiger CNTFs ist nur der Anfang. Genauso wichtig ist es, ihre thermischen Eigenschaften zu verstehen und sie in funktionale Geräte zu integrieren.“
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