Forschung

Die Forschungsschwerpunkte belaufen sich insbesondere auf:

  • Entwicklung und Konstruktion
  • Additive Fertigung (3D-Scan; 3D Druck)
  • Bioreaktorentwicklung

Wenn Sie Interesse zu einer Zusammenarbeit haben, sprechen Sie uns gerne mit Ihrer Fragestellung an!

Forschungsprojekte

Korrelative Messtechnik im mikroskopischen Bereich unter Weltraumbedingungen

Kooperationspartner:

  • Just Vacuum GmbH

Förderzeitraum:         02/2018 – 01/2021

Förderkennzeichen:    

Mittelgeber:              Ministerium für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur, Rheinland Pfalz

Die Anzahl der Satelliten, die in den Orbit gebracht werden, ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass unser Leben immer stärker von satellitenbasierten Produkten und Diensten – wie Internet und Mobilfunk – abhängt.

Fällt eines der Satellitenbauteile aus, ist meist der gesamte Satellit unbrauchbar und treibt als Weltraumschrott umher. Deshalb ist es wichtig, die eingebauten Bauteile sorgsam unter Weltraumbedingungen zu testen. Dies geschieht z.B. durch den Einsatz von Thermal-Vakuumkammern welche neben dem Vakuum die im Weltraum vorherrschenden Temperaturen nachbilden können.

Wünschenswert in Sinne der Nachhaltigkeit ist eine Reparatur defekter Bauteile im Weltraum. Hierzu muss aber das genaue Zusammenspiel, vor allem das Ausdehnungsverhalten, der einzelnen Komponenten bekannt sein.

Um das Ausdehnungsverhalten exakt zu bestimmen, müssen Messungen der Bauteile bei den entsprechenden Lagerbedingungen durchgeführt werden. Durch den Abgleich der Messungen mit Simulationen kann in einem weiteren Schritt der Messaufwand für weitere Teile minimiert werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Ausdehnung und Belastung von Satellitenbauteilen unter Weltraumbedingungen vorauszusagen, zu messen und verifizieren zu können. Zum einen soll die genaue Temperaturausdehnung innerhalb der Vakuumkammer bestimmt werden. Zum anderen sollen in einem ersten Schritt die Gesamtverformung und die Temperaturfeldausdehnung homogener Einzelteile abgebildet und gemessen werden. Hierzu wird ein geeignetes Messsystem zur Darstellung von Verformungen im Mikrometerbereich durch den Einsatz eines 3D-Scanners entwickelt und validiert. Anschließend werden aus den erzielten Ergebnissen Konstruktionsregeln zur optimalen Bauteilgestaltung unter Weltraumbedingungen abgeleitet.

Zur Umsetzung kooperiert der Umwelt-Campus mit dem rheinland-pfälzischen Unternehmen JUST Vakuum Technik aus Landstuhl, das sich mit dem Bau von Weltraumsimulationskammern beschäftigt, also Thermal -Vakuumkammern welche neben dem Vakuum die im Weltraum vorherrschenden Temperaturen (im Bereich von ca. -175 bis +200°C) nachbilden können.

In einem ersten Schritt wird am Umwelt-Campus ein kleiner Versuchsaufbau entworfen und mit den zur Verfügung stehenden 3D Scansystemen Untersuchungen durchgeführt. Zur Erzeugung von Weltraumbedingungen (Vakuum, Temperaturen) wird das Projekt von Prof. Trapp unterstützt. In einem nächsten Schritt werden die gewonnen Kenntnisse auf eine Thermal–Vakuumkammer der Firma Just übertragen und daran Messungen durchgeführt.

Bid von der Gruppe vor dem ersten Versuchsaufbau
Abb. 1: Das Bild zeigt von links: Herr Abdani, Prof. Trapp, Herr Huwer, Herr Bremer, Prof. Wahl vor einem ersten Versuchsaufbau
Our Common Future: Können nachhaltige Produkte mit Hilfe additiver Fertigung erzeugt werden?

Kooperationspartner:

  • Johannes Kepler Gymnasium, Lebach

Förderzeitraum:         08/2018 – 06/2020

Förderkennzeichen:   00906441-003

Mittelgeber:               Robert Bosch Stiftung GmbH

Das Projekt behandelt die Forschungsfrage: „Können nachhaltige Produkte mit Hilfe additiver Fertigung (3D-Drucker) erzeugt werden?“

Hierzu ist geplant die Schüler/Schülerinnen durch aktuelle Nachhaltigkeitsforschung praxisnah zu begeistern. Durch das Ausdrucken von Alltagsprodukten mit recyceltem Kunststoffmaterial sollen die Schüler/Schülerinnen wissensbasierte Antworten erarbeiten.

Hierzu werden zuerst verschiedene Kunststoffe (z.B. Abfälle aus dem 3D-Druck, Verpackungsmaterialien) zerkleinert, aufgeschmolzen und zu Kunststoffmaterial (Filament) für den 3D-Druck extrudiert. Durch die Variation des Anteils an recyceltem und neuem Material werden den Schülern/Schülerinnen in ihrer Forschung Möglichkeiten zur Beeinflussung der Produktionsmöglichkeiten aufgezeigt. Aus den verschiedenen Mischungen werden u.a. Zugproben hergestellt und Materialparameter experimentell bestimmt und ausgewertet.

So wird untersucht, ob es möglich ist, z.B.: PET Flaschen für den 3D-Druck zu recyceln.

Anschließend werden mit neuem und recyceltem Material Ersatzteile durch Anwendung von 3D-Scan und 3D-Druck hergestellt. Hierzu werden defekte Teile mit den vorhandenen 3D-Scannern erfasst, nachbearbeitet und als Ersatzteile ausgedruckt.

Abschließend werden die Erkenntnisse anschaulich zusammengefasst und der Öffentlichkeit präsentiert.

Next Generation Biofilm – die „Rose von Jericho“ der Biotechnologie

Kooperationspartner:

  • Dr. Michael Lakatos; Hochschule Kaiserslautern
  • Prof. Dr. Peter Groß; Hochschule Kaiserslautern
  • Prof. Dr. rer. nat. Ulber; Technische Universität Kaiserslautern
  • Prof. Dr. Timo Schmidt; Hochschule Augsburg
  • Peter Häfner, engage AG

Förderzeitraum:         10/2015 – 08/2018

Förderkennzeichen:   031B0068C

Mittelgeber:               Bundesministerium für Bildung und Forschung

Die Lebensmittelproduktion und Energie- sowie Wertstoffproduktion treten zunehmend in Konkurrenz (Teller-oder-Tank-Problematik). Eine der großen Zukunftsherausforderungen ist somit, die wachsende Nachfrage nach Nahrungsmitteln sowie Energie- und Wertstoffen bei geringem Ressourcenverbrauch von Agrarfläche, Energie und Wasser nachhaltig bereit zu stellen. Dabei kommen der nachhaltigen Produktion von Proteinen (Eiweiße), Lipiden (Fetten) und Kohlenhydraten (Zucker und Polysaccharide) durch Cyanobakterien, Mikroalgen oder Pflanzen zentrale Bedeutungen zu.

Cyanobakterien beherbergen z. B. einen enormen Pool an nachwachsenden Biopharmazeutika und Feinchemikalien. Dieses Potential wird jedoch kaum erschlossen, da bisherige Produktionsverfahren zu energie- und ressourcenintensiv sind.

Demgegenüber nutzt das Forschungsprojekt erstmals photosynthetisierende, austrocknungstolerante Biofilme (terrestrische Cyanobakterien) zur nebel-gesteuerten Produktion von bakteriellen Polysacchariden und Farbstoffen. Hierbei kommt eine ressourcen- und energieeffiziente Verfahrenstechnik zum Einsatz, die mittels einer neuartigen emersen Photobioreaktor-Generation (ePBR) verwirklicht wird. Die neue Systemlösung kombiniert dabei Vorteile der grünen- mit denen der weißen / industriellen Biotechnologie zur Optimierung eines um kosteneffizienteren, umweltfreundlicheren Produktionsverfahrens für Biopharmazeutika und Feinchemikalien.

Aufgabenschwerpunkt an der Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld war die konstruktive Weiterentwicklung der emersen Bioreaktoren.

Anforderungen, die das Wachstum der Cyanobakterien erfordert wurden durch die Projektgruppe systematisch untersucht und für den Reaktorbau am Umwelt-Campus im Reaktorbau umgesetzt. Hierzu zählen beispielsweise Strömungssimulationen zur gleichmäßigen Verteilung des Flüssigkeitsnebels in den Reaktoren.

Abb. 1: Experimentelle Untersuchung der Aerosolverteilung

Das Wachstum der Cyanobakterien ist direkt von der Aerosolversorgung abhängig. In Bereichen mit unzureichender Aerosolversorgung ist das Wachstum nicht oder nur limitiert möglich. Um die Eignung verschiedener Konzeptvarianten beurteilen zu können, ist die Kenntnis über das Verhalten des Aerosols im Reaktorinneren ein essentielles Kriterium. Die Simulationsmethoden wurden zunächst an einem einfachen Modell betrachtet und die Simulationsergebnisse mit realen Versuchsergebnissen verglichen und in einem nächsten Schritt auf komplexere Bauformen übertragen.

In weiteren Entwicklungsschritten wurden mehrere Konzeptvarianten ausgearbeitet, in Prototypen überführt und getestet.

Bei der Herstellung der Prototypen kam insbesondere die Additive Fertigung zum Einsatz.

Simulation Aerosol

Bild einer Simulation einer Aerosolverteilung
Abb. 2: Simulation einer Aerosolverteilung
Abb. 3: additiv gefertigter Stegplattenreaktor im Labormaßstab

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden Cyanobakterien in verschiedenen Reaktorformen getestet und z.B. Erntevorgänge untersucht.

Bild der Biomassenernte in Rohrreaktor-Demonstrator
Abb. 4: Biomassenernte in Rohrreaktor-Demonstrator

Weitere Informationen:  http://www.next-biofilm.de/

Untersuchung von Schüttguteigenschaften zur energetischen Optimierung von Verfahren der Stahlindustrie

Kooperationspartner:

  • Paul Wurth S.A.

Förderzeitraum:         seit 04/2016

Förderkennzeichen:    

Mittelgeber:               Paul Wurth S.A.

In der Stahlindustrie werden viele Schüttgüter unterschiedlicher Korngrößen gehändelt, erhitzt oder für den Transport oder  für nachfolgende Prozessschritte wieder abgekühlt.

Solche Prozesse sind oft hervorragend für Wärmerückgewinnungsanlagen geeignet. Allerdings gilt es qualitative Randbedingungen einzuhalten. So muss z.B. eine bestimmte Abkühlkurve eingestellt oder Maßnahmen zur Arbeits- und Umweltsicherheit durchgeführt werden. Leider sind die Stoffeigenschaften der eingesetzten Produkte oft nur unzureichend bekannt.

Eine effektiv arbeitende Produktionsanlage – so auch Wärmerückgewinnungsanlagen – ist allerdings auf genaue Stoffdaten angewiesen. So kann ein benötigtes Gebläse nur dann richtig ausgelegt werden, wenn der Druckverlust über ein Schüttgut bei den vorliegenden Temperaturen bekannt ist.

In dem Kooperationsprojekt zwischen der Hochschule Trier, Standort Umwelt-Campus Birkenfeld und dem Luxemburger Anlagenbauer Paul Wurth S.A. (sowie 2016/17 Paul Wurth Umwelttechnik GmbH) wurde gemeinsam eine Versuchsanlage zur Ermittlung von Schüttguteigenschaften konstruiert, gebaut und getestet. Die Anlage ermöglicht es, Schüttgüter zu erwärmen und definiert abzukühlen.

Bild des CAD Modell der Versuchsanlage
Abb. 1: CAD Modell der Versuchsanlage
Bild der am Umwelt-Campus aufgebauten Versuchsanlage
Abb. 2: Am Umwelt-Campus aufgebaute Versuchsanlage
Gruppenfoto vor Versuchsanlage
Abb. 3: Ein Teil des Teams bei der Inbetriebnahme von links: Eugen Gerdt, Rufat Dema (UCB), Jan Matthes, Holger Kassebaum (PW Umwelttechnik), Hendrik Zeiger, Manuel Schmitt, vorne: Yanick Wagner (UCB)

Ziel der Untersuchungen ist es, Temperaturverläufe, Druckverluste und Wärmübertragungsvorgänge an unterschiedlichen Schüttgüter in praktischen Versuchen zu ermitteln und mit mathematischen Modellen abzugleichen.