Hier am Freiburger Materialforschungszentrum
forschen wir an der Herstellung
von nachhaltigen, synthetischen Kraftstoffen.
Um zu verstehen, warum wir das tun,
müssen wir die richtigen Fragen stellen:
Wann brennt ein Lagerfeuer richtig?
Welche Rolle spielt die Luft bei der Qualität der Verbrennung?
Wie können wir dieses Wissen nutzen
um unsere synthetischen Kraftstoffe besser zu designen?
Ich bin Dustin und zusammen mit Lukas und Felix,
zeige ich euch, was Verbrennung ausmacht.
Fangen wir an, mit einem vermeintlich einfachen Lagerfeuer.
Ein schlecht vorbereitetes Lagerfeuer
braucht meistens lange bis es richtig brennt.
Woran liegt das?
Der entscheidende Faktor ist die Luft, oder genauer:
der darin enthaltene Sauerstoff.
Eng aufeinander gelegte Holzscheite
haben weniger Kontakt mit der Luft
und so kann das Holz nicht gut verbrennen.
Viel besser brennt das Holz, wenn wir es als Turm stapeln,
sodass jedes Holzscheit möglichst viel Luftkontakt hat.
Wenn der Turm hoch genug ist,
kann er zusätzlich noch den sogenannten Kamineffekt ausnutzen.
Im Turm steigt heiße Luft nach oben.
Dadurch entsteht ein Sog,
der ständig frische Luft von unten nachzieht.
Ein Lagerfeuer, dem viel Sauerstoff zugeführt wird,
brennt heißer, schneller und raucht viel weniger.
Im wissenschaftlichen Umfeld
verwenden wir natürlich keine Lagerfeuer.
Die Forschenden verwenden hier sogenannte Bunsenbrenner,
die brennen zum einen deutlich heißer
und sind zum anderen schneller einsatzbereit als Lagerfeuer.
Durch den Bunsenbrenner wird Erdgas geleitet.
Wird das ausströmende Gas entzündet,
reagiert es mit der Umgebungsluft.
Es entsteht eine leuchtende und leicht rußende Flamme.
Beim Bunsenbrenner gibt es aber noch eine zusätzliche Luftzufuhr.
Wird diese geöffnet, ändert sich die Flamme von gelb zu bläulich.
Diese Flamme ist viel heißer als die Gelbe und rußt nicht.
Auch hier wirkt wieder der Kamineffekt.
Das nach oben ausströmende und verbrennende Gas
zieht von unten frische Luft nach.
Die Menge an zugeführtem Sauerstoff
wird somit stark erhöht.
Wie groß der Temperaturunterschied
zwischen der vollständigen und der unvollständigen Verbrennung tatsächlich ist,
lässt sich deutlich erkennen,
wenn man Glasrohre in die beiden Flammen hält.
Die heißere, blaue Flamme kann Glas in kurzer Zeit schmelzen.
Die leuchtende Flamme rußt das Glas hingegen nur schwarz ein.
Ruß entsteht nur bei unvollständiger Verbrennung
durch zu wenig Sauerstoff.
Durch Zugabe von mehr Sauerstoff
können wir also eine bessere Verbrennung erzielen.
Was bringt uns das jetzt aber im alltäglichen Gebrauch?
Wir können dieses Wissen jetzt dazu ausnutzen,
um aktuell eingesetzte Kraftstoffe
molekular so zu verändern,
dass Sie ebenfalls besser verbrennen.
Bei der hier gezeigten Verbrennung von Diesel
zeigt sich die volle Problematik von herkömmlichen Kraftstoffen.
Unter normalen Bedingungen,
verbrennt Diesel mit einer intensiv leuchtenden und stark rußenden Flamme.
Der Grund dafür liegt in der molekularen Struktur.
Diesel ist eine Mischung aus langen Kohlenwasserstoffketten.
Das hier vereinfacht dargestellte Molekül benötigt viel Sauerstoff
um vollständig zu verbrennen.
Im Motor reicht die Menge an Sauerstoff dafür nicht aus.
Deshalb bleiben nach der Verbrennung
kurze Kohlenstoffketten als Nebenprodukte übrig.
Diese sind als Ruß sichtbar
und tragen neben Reifen- und Bremsabrieb
zur Feinstaubbelastung bei.
Um dies zu verhindern,
forschen Wissenschaftler*innen
des Freiburger Materialforschungszentrums
an Kraftstoffalternativen.
Eine davon ist Oxymethylenether
oder kurz: „OME“
Dieser verbrennt mit einer schwach bläulichen,
fast unsichtbaren Flamme, die nicht rußt.
OME gleicht in seiner molekularen Struktur dem Diesel,
mit dem Unterschied,
dass jedes zweite Kohlenstoffatom durch ein Sauerstoffatom ausgetauscht wurde.
Dieser ins Molekül integrierte Sauerstoff,
verhindert die Entstehung von kurzen Kohlenstoffketten während des Brennvorganges
und unterstützt die vollständige Verbrennung.
In der Zukunft sollen solche rußfreien Alternativen wie OME
die fossilen Brennstoffe ersetzen.