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Hochspezifische Partikelsysteme bilden die Basis für hochwertige Industrieprodukte. Partikelförmige Zwischen- oder Endprodukte mit definierten mehrdimensionalen partikeltechnischen Spezifikationen sind essenziell und qualitätsbestimmend für die Herstellung einer Vielzahl von Waren. Da die charakteristischen Längen sowohl der technischen Strukturen als auch in den primären und sekundären Rohstoffen kontinuierlich sinken, sind zukünftig immer feinere, hochspezifische Partikelsysteme zu erzeugen, zu verarbeiten und zu recyceln. Die hierfür notwendigen Technologien stoßen an ihre Grenzen, wenn industriell relevante Mengenströme feiner (< 10 µm) und hochspezifischer Partikelsysteme bereitgestellt werden sollen.
Aufbau und Struktur
Das Forschungsprogramm des Schwerpunktprogramms ist in drei Arbeitsbereiche (Spalten) gegliedert, die sich hinsichtlich der betrachteten Größenskala unterscheiden:
o Projektbereich A - Beeinflussung des Trennmerkmals
o Projektbereich B - Verständnis der Mikroprozesse der Trennung
o Projektbereich C - Apparative und prozesstechnische Konzepte
Ein zentrales Thema ist die Partikelmesstechnik, die notwendig ist, um die mehrdimensionalen Partikeleigenschaften zu quantifizieren. Eine Unterstützung in der Partikelanalytik wird durch ein Zentralprojekt des Schwerpunktprogramms bereitgestellt, das durch die Zusammenführung mehrerer drei- beziehungsweise mehrdimensionaler Charakterisierungsmethoden vollständige Datensätze zu den mehrdimensionalen Eigenschaftsverteilungsfunktionen der Partikelsysteme für die Teilprojekte liefern wird. In der ersten Phase hat es sich gezeigt, dass auch ein großer Forschungsbedarf hinsichtlich weiterer Methoden für die mehrdimensionale Charakterisierung von Partikelsystemen besteht. Innovative messtechnische und datenorientierte Ansätze, die vollständige Datensätze der mehrfachen Merkmalsklassen bereitstellen, sind erwünscht, wenn sie eine starke Vernetzung zu den Projektbereichen aufweisen.
Ausgehend von Fragestellungen der stofflichen Trennung soll das Konzept der Aktivierung oder Verstärkung eines Trennmerkmals auch auf Anwendungen beim Trennen nach Größe, Struktur oder Form ausgeweitet werden. Die Untersuchungen können auch auf vorgeschaltete Prozessschritte erweitert werden, wenn damit die Voraussetzungen für eine spätere Fraktionierung des Partikelsystems geschaffen werden.
Im Nanopartikelbereich stehen heute im analytischen Maßstab einige spezielle Konzepte zur selektiven Trennung zur Verfügung, die nicht weit genug für eine präparative Anwendung entwickelt sind. Insbesondere hier, wo viele Partikeleigenschaften extrem größenabhängig werden, sind völlig neuartige Trennkonzepte und -verfahren gefordert.
Ein erhebliches Potenzial ist auch von Multiskalensimulationen zu erwarten, die bis in die apparative Optimierung reichen können. Eine hohe Trennschärfe oder die mehrdimensionale Trennung kann auch in einer Prozesskette erreicht werden, indem Trennschritte mehrfach nacheinander ausgeführt und entsprechende Teilströme rückgeführt werden. Neue Konzepte können deutlich größere Kräfte, Feldgradienten oder Potentialdifferenzen nutzen. Diese Potentialreserve ist insbesondere über experimentelle Untersuchungen zu quantifizieren.
Die mehrdimensionale Fraktionierung adressiert neben der Partikelgröße weitere Partikeleigenschaften wie beispielsweise Partikelform, (chemische) Zusammensetzung oder physikalische Eigenschaften. Neben den Projektbereichen wird daher eine zusätzliche Strukturierung des Schwerpunktprogramms nach Trennaufgaben/-zielen (Zeilen) angestrebt:
o Zentrale Trennaufgabe Partikelform
o Zentrale Trennaufgabe (chemische, mineralogische, …) Zusammensetzung
o Direkte mehrdimensionale Fraktionierung
Aus den beiden Gliederungsansätzen des Programms ergibt sich eine Matrixorganisation.
Um die Kohärenz der Forschungsprojekte im Schwerpunkt zu gewährleisten, fokussiert die Erforschung der Fraktionierungsprozesse auf nicht biologische Feststoffpartikelsysteme, die sich im Verlauf des eigentlichen Trennprozesses nicht signifikant in ihren hauptsächlichen, qualitätsbestimmenden Eigenschaften ändern. Darüber hinaus ist aus wissenschaftlichen Gründen der im Fokus stehende Partikelgrößenbereich (< 10 µm) vorgegeben. Projekte, die ausschließlich Simulationswerkzeuge anwenden, ohne diese durch Experimente an industriell relevanten Mengen zu validieren, sind ausgeschlossen.
Im Rahmen des Schwerpunktprogramms sollen grundlegende sowie angewandte natur- und ingenieurwissenschaftliche Forschungsarbeiten mit einem Technology Readiness Level (TRL) der Ergebnisse von 4-5 durchgeführt werden. Dies schließt sehr anwendungsorientierte technologische Entwicklungsprojekte aus. Auf der anderen Seite müssen alle Projekte, auch solche aus Projektbereich A, in der zweiten Förderperiode nun Konzepte integrieren, wie eine Nutzung der Erkenntnisse für technisch relevante Mengen prinzipiell möglich ist. Durch die im Schwerpunktprogramm selbst angestrebte und geförderte intensive Vernetzung der Projekte sind Tandemprojekte und der damit verbundene Mehrwert aus der bilateralen Kooperation besonders zu begründen.
Weitere Informationen:
https://www.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/info_wissenschaft_19_32/index.html