1.7 Thermophoretische Kraft auf Schwebeteilchen

Dieses Projekt zielt darauf ab, das Potenzial der thermophoretischen Kraft zum Sammeln von Partikeln aus der Atmosphäre zu untersuchen. Dazu wird eine rechnerische Untersuchung der Luftströmung durch eine Sammelkammer durchgeführt, die Aerosolpartikel unterschiedlicher Grösse und Dichte sowie einen vertikalen thermischen Gradienten enthält, der die Partikelablagerung in der Sammelregion steuern soll. Zur Beschreibung der Luftströmung wird ein fluiddynamisches Modell erstellt, wobei auch die grössenabhängige Widerstandskraft der Luft auf die Partikel detailliert berücksichtigt wird. Die Auswirkung der Partikeleigenschaften (Grösse, thermische Leitfähigkeit, Dichte), des Luftstroms und der Turbulenzen auf den Abscheidungsprozess wird analysiert, bevor die ersten Tests im physikalischen Gerät durchgeführt werden.

Mitwirkende: A. Zubiaga, M. Boldrini, G. Boiger Partner: myLab Elektronic GmbH Finanzierung: Innosuisse Dauer: 2019–2020

Die Umgebungsluft kann eine Reihe von Schwebeoder Aerosolpartikeln unterschiedlicher Herkunft und Grösse enthalten. Es kann sich um natürliche Partikel wie Pollen, Staub oder Bazillen und Viren handeln, aber auch um vom Menschen verursachte wie Smog oder Russ. Die Grössen können von einem Bruchteil eines Millimeters bis hinunter zu einem Nanometer oder darunter reichen. Partikel werden durch das Trägergas bis zu ihrer Ablagerung durch Auftriebseffekte transportiert, wenn ihre Grösse gross genug ist. Partikel, die kleiner als ein Mikrometer sind, können dagegen für unbestimmte Zeit in der Luft schweben bleiben. Dadurch erhöhen sich die negativen Auswirkungen, die sie auf unsere Gesundheit haben können. Fein- und Ultrafeinstaub kann zum Beispiel tief in die Lunge und in das Herz-KreislaufSystem eindringen. Eine naheliegende Möglichkeit, ihre schädlichen Auswirkungen zu kontrollieren und zu begrenzen, ist die Sammlung für Überwachungsoder andere Zwecke. In diesem Projekt untersuchten wir das Potenzial der thermophoretischen Kraft, um Partikel aus der Atmosphäre zu sammeln. Wir betrachteten zunächst den Luftstrom durch die Sammelkammer. Für die Studie wurde reale Geometrie verwendet und besonderes Augenmerk wurde auf die Minimierung des negativen Einflusses von Turbulenzen gelegt, sobald ein stationärer Zustand der Strömung erreicht ist. Als nächstes wurde der Transport der Partikel in der Luft betrachtet. Die Partikelgrössenabhängigkeit der Strömungswiderstandskraft wurde sorgfältig berücksichtigt. Schliesslich wurde die thermophoretische Kraft eingeführt, indem eine zusätzliche Kraft auf die Partikel in Abhängigkeit von einem thermischen Gradienten innerhalb des Fluids hinzugefügt wurde. Es hat sich gezeigt, dass die neue Kraft die Ablagerung der suspendierten Partikel stark begünstigt. Die Ablagerungsreichweite hängt jedoch von den thermischen Eigenschaften der Partikel ab, und es hat sich gezeigt, dass die Partikelgrösse sie am stärksten beeinflusst. Daher wird eine ungleichmässige Verteilung der Partikel in der Kammer vorhergesagt, wobei Partikel grösserer Grösse eine grössere Ablagerungsreichweite haben. Die Schlussfolgerungen der Studie werden durch Tests mit dem physikalischen Gerät validiert.

Abb. 1: Computational Fluid Dynamics einer Partikelsammelkammer. Die Strömungslinien zeigen die Luftströmungsrichtung. Die Punktwolken stellen die Verteilung der ankommenden Partikel und deren Geschwindigkeit dar. Die grösseren Partikel auf der rechten Seite stellen ein typisches Ablagerungsmuster der gesammelten Partikel dar. Das rote Quadrat stellt die Sammelregion dar, in der die thermophoretische Kraft aktiv ist. Ein grosser Teil der Partikel wird aufgrund der thermophoretischen Kraft in den wenigen Millimetern nach Eintritt in den Ablagerungsbereich abgelagert. Die mikroskopische Aufnahme im Inset zeigt eine typische Grösse der gesammelten Partikel.