Fraunhofer IKTS Blog

Wir wissen aus den letzten Türchen unseres Adventskalenders, wie heiß ein Räucherkerzchen wird. Wir wissen auch, dass die Wärmemenge, die das Kerzchen erzeugen kann, nicht ausreicht, um unseren Räuchermann in Brand zu setzen. Aber wie groß ist diese Wärmemenge überhaupt? Bei gleicher Temperatur wird ja ein großes Räucherkerzchen mehr Wärme erzeugen als ein kleines. Reicht diese Wärmemenge aus, damit der Rauch an die Decke steigt?

Im letzten Türchen maßen wir die Temperatur eines glimmenden Räucherkerzchens – und zwar berührungslos. Wir nutzten dafür die Infrarotstrahlung, die vom heißesten Punkt des Räucherkerzchens ausgeht und daraus die Temperatur ermittelt. Wenn wir die Temperatur an einem Punkt messen können, lässt sie sich dann vielleicht auch an mehreren Punkten messen? An sehr vielen etwa, dazu noch gleichzeitig? Und wenn dies ginge, könnten wir dann vielleicht sogar ein Temperaturbild daraus zusammensetzen?

Unser Räuchermann erledigt seit Jahrzehnten seinen Dienst. Er besteht aus Holz und in seinem Inneren glüht ein Räucherkerzchen. Wie kann es sein, dass er in all den Jahren nie Feuer fing bei Glut und Holz auf so engem Raum zusammen? Hinter den nächsten Türchen unseres Adventskalenders widmen wir uns diesem Rätsel. Beginnen wir mit dem Räucherkerzchen. Wie heiß wird so ein Kerzchen überhaupt?

Im letzten Beitrag haben wir die Form des Räuchermannes im Computer nachgebildet und ein geometrisches Modell erstellt. Der Rauch strömt aber in den Hohlräumen, also genau dort, wo kein Holz ist. Wir müssen uns also nun um die Gebiete kümmern, die im Inneren des Räuchermannes und um ihn herum liegen.

Wir haben nun gesehen, wie unser Räuchermann im Inneren aufgebaut ist. Doch wie können wir verstehen, wie die physikalischen und chemischen Prozesse darin ablaufen? In der chemischen Verfahrenstechnik greift man an dieser Stelle auf etwas zurück, das den Ingenieuren hilft, die vielen Prozesse, Effekte und Messwerte in ihrem komplexen Zusammenspiel zu untersuchen: Man baut ein Modell.

Fragten Sie sich schon einmal, wie ein Räuchermann im Inneren, dem Unsichtbaren, aussieht? Besteht der Korpus aus einem Stück? Welches Material verarbeitete der Hersteller? Wir fragten uns genau dieses und erhielten Antworten! Wie? – Indem wir den Räuchermann mit der Mikrocomputertomographie (µCT) von Kopf bis Fuß durchleuchteten. Schauen wir sie uns einmal gemeinsam an.

Unser Räucherkerzchen selbst funktioniert nun, der weihnachtliche Rauch entwickelt sich. Doch warum braucht man einen Räuchermann, damit es richtig dampft? Und wie kommt es eigentlich, dass das Räucherkerzchen nicht verbrennt, sondern langsam verglimmt? Warum hat der Räuchermann genau diese Form und keine andere? Wissenschaftlich betrachtet sind dies Fragen aus der chemischen Reaktionstechnik.

Wenn Sie unserem Räuchermann genau ins Gesicht schauen, dann sehen Sie an den Stellen, an denen der Rauch den Mund verlässt, kleine braungelbe Beläge. Auch im Inneren ist der Räuchermann nach langer Benutzung mit solchen Ablagerungen überzogen. Sie stammen aus der unvollständigen Zersetzung von Bindemitteln und Duftstoffen aus dem Räucherkerzchen. Die hohe Temperatur des Kerzchens lässt diese Stoffe verdampfen, an kälteren Stellen setzen sie sich wieder ab. Wie verhält es sich in der Hochleistungskeramik?

Glückwunsch – unser Räucherkerzchen ist nun fertig! Zeit also für einen Test! Unser wackerer Räuchermann kommt nun zum ersten Mal zum Einsatz – zumindest sein Unterteil.

Ein nasses Räucherkerzchen glimmt nicht. Bevor man das Kerzchen also das erste Mal entzündet, muss es trocknen. In früheren Zeiten stellten die Menschen die frischen, feuchten Räucherkerzchen einfach auf ein Brett und ließen sie ein paar Tage an der Luft trocknen. In der Keramik geht das leider nicht so einfach.

Ist ein glatter, bildsamer Teig für die Räucherkerzchen bereitet, geht es an das Formen der kleinen Kegel. Traditionell wurde das mit den Fingern durch Rollen auf einer Unterlage gemacht. Diese Arbeit erforderte nicht viel Aufmerksamkeit, wenn man den »Dreh« einmal heraus hatte. In der keramischen Industrie funktioniert das natürlich nicht so einfach.

Um ein gutes Räucherkerzchen zu formen, muss der Teig bestimmte Eigenschaften erfüllen. Er darf nicht zu dünnflüssig sein und nicht zu fest. Er soll glatt sein und nicht rissig. Er soll weich sein und sich leicht formen lassen. Wenn das Kerzchen aber einmal geformt ist, soll es aufrecht stehen bleiben und weder zerlaufen, noch in sich zusammen sinken. Und wie ist das bei der Keramik?

Wie bei der Räucherkerzchen-Herstellung oder auch beim Kuchenbacken wird in der Keramikherstellung ein homogener Knetteig benötigt, in dem alle Rohstoffe gut durchmischt und klumpenfrei vorliegen. Der Keramiker nennt einen solchen Teig »Feedstock«.

Damit die Räucherkerze einen angenehmen Duft versprüht, werden ihr wohlriechende Stoffe zugesetzt. Das können Pulver sein, zum Beispiel Sandelholz. In den meisten Fällen gibt man jedoch Harze wie Weihrauch und Myrrhe bei. Auch einfaches Baumharz von heimischen Nadelbäumen kann verwendet werden. Und welche Zuschlagstoffe benötigen wir in der Hochleistungskeramik?

Um aus Holzkohlepulver Räucherkerzen herzustellen, gaben die Erzgebirger ein pflanzliches Bindemittel – also zum Beispiel Mehlkleister oder Tapetenleim – hinzu, das mit Wasser angerührt rückstandslos verbrannte. In der traditionellen keramischen Industrie bringt der Ton als Ausgangsmaterial für tonkeramische Bauteile eine wesentliche Eigenschaft von Hause aus mit. Doch wie ist dies in der Hochleistungskeramik?

Ein Räucherkerzchen glimmt und verdampft dabei die Duftstoffe. Die wichtigste Zutat für ein solches Kerzchen ist daher ein Stoff, der selbst ohne Schadstoffe verglühen kann, kostengünstig ist, leicht verfügbar und gut zu verarbeiten. Holz oder Holzkohle lag für die Erzgebirger natürlich nahe. Die ersten Räucherkerzchen wurden demensprechend auch aus Sägemehl oder Holzkohlepulver hergestellt. Diese Stoffe, insbesondere Sägemehl, waren wohl eher Abfall oder, im Falle der Holzkohle, Abrieb. Sie lagen also ohnehin pulverförmig vor. In der technischen Keramik funktioniert das leider nicht so einfach.

Der Räuchermann und das Räucherkerzchen – nur zusammen ergeben sie den richtigen Weihnachtsduft und nur im richtigen Räuchermann steigt der Rauch auch an die Decke ´nauf. Doch bevor wir untersuchen, warum das so ist, vielleicht ein kleiner Blick zurück.

Ein herzliches »Glück Auf!« aus dem Fraunhofer IKTS. »Glück Auf«? Ja. Unser Stammhaus in Dresden liegt nicht weit vom Erzgebirge entfernt. Das Erzgebirge – die Heimat der traditionellen Volkskunst, die man jetzt im Advent überall findet. Dort kommen auch die Räuchermännchen her, die stumm vor sich hin dampfend weihnachtlichen Wohlgeruch verbreiten. Aber was hat das Räuchermännchen mit Keramikforschung zu tun? Viel mehr, als Sie denken!

Urlaubszeit. Volle Straßen. Der Staubericht im Radio ist ellenlang. Die Kinder auf dem Rücksitz quengeln und auch man selbst wird madig. Das kommt Ihnen bekannt vor? Bestimmt! Denn nahezu jeder fuhr schon einmal mit dem Auto in Urlaub. Laut einer repräsentativen Umfrage der Aral AG war 2016 der Pkw das beliebteste Reiseverkehrsmittel unter den ca. 1.200 Befragten. Fast die Hälfte plante mit ihm zu vereisen, unter den Deutschlandurlaubern sogar 71 Prozent. Aber auch EU-Reisende wollten zu fast einem Drittel mit dem Auto fahren. Die Mehrheit der Autourlauber steuerte dabei Ziele in 500 bis 2.000 Kilometern Entfernung an. Vermutlich waren die meisten von ihnen in einem Auto mit Verbrennungsmotor unterwegs, denn die Elektroautos geizen derzeit noch mit Reichweite. Doch was wäre, wenn sie in ein paar Jahren von Dresden nach Paris mit nur einer Batterieladung fahren könnten? Wären mehr Fahrzeuge und auch das Ihre dann ein »Stromer«?

Sie kennen das sicher: man sucht und sucht und findet nicht. Es muss nicht gleich die prominente Nadel im Heuhaufen sein – auch andere Dinge im Alltag verschwinden auf wundersame Weise und tauchen frühestens dann wieder auf, wenn man das gesuchte Teil nicht mehr benötigt oder neu beschafft hat.

Wasser bedeckt zwei Drittel der Erdoberfläche, macht unsere Erde zum blauen Planeten. Meere und Ozeane liefern die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen und absorbieren ein Drittel des Kohlenstoffdioxids, das wir produzieren. Sie steuern das Klima, sind Wirtschafts- und Lebensraum.

Hektisch war‘s. Aufregend war‘s. Voll war‘s. Mehr als 2000 Wissensdurstige besuchten unser Institutszentrum. Wir waren begeistert! Herzlichen Dank an alle, die gekommen sind. Ebenso geht ein Dankeschön an die vielen Kollegen und fleißigen Hände, die die LNdWDD erst möglich machten. Waren Sie dabei? Wie hat es Ihnen gefallen? Schreiben Sie uns Ihr Feedback in die Kommentare hier im Blog oder auf unseren Twitter- und Facebook-Kanälen. Für alle, die nicht dabei sein konnten und jene, die die wissensgetränkte Nacht noch einmal Revue passieren lassen wollen, aber ebenso für alle, die hier im Blog vorbeischauen, haben wir ein paar Schnappschüsse eingefangen. Doch sehen sie selbst.

Wer kennt sie nicht aus alten Filmen: Laternen, die eine Allee säumen und sie in wohlig gelb-weißes Licht tauchen, manchmal nur schummrig, ein anderes Mal hell strahlend, wie auch die Räume im Haus. Über 100 Jahre lang wurden uns die Nächte – seltener auch die Tage – von der »guten«, alten Glühlampe erhellt – je nach Wattanzahl und Art mal mehr, mal weniger. Glühlampen erzeugen Licht, indem ein elektrischer Leiter durch Strom aufgeheizt und zum Glühen gebracht wird. Leider liegt dabei der Wirkungsgrad, also die Energie, die in Licht umgewandelt wird, bei ca. 5 Prozent. Die Restenergie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Und das ist alles andere als energieeffizient.

Wenn ich früher an das Schulfach »Chemie« gedacht habe, ist mir »Keramik« nicht zwingend als Erstes eingefallen. So geht es sicher auch den 50 Schülerinnen und Schülern, die unseren Hermsdorfer Standort des Fraunhofer IKTS besuchen. Als Teilnehmer der 13. Jenaer Sommerschule[1] gehen die Schülerinnen und Schüler der 10. und 11. Klasse aus dem Freistaat Thüringen sehr komplexen Fragen auf den Grund: Wie kann die Energiewende gelingen? Wie lässt sich beispielsweise elektrische Energie kostengünstig und nachhaltig speichern oder das Sonnenlicht noch effizienter nutzen? Und vor allem: Was hat das alles mit Keramik zu tun?, denken sich 50 konzentrierte Schüler.

Temperaturbeständig. Hart. Transparent. Oder wie ein Ceranfeld schwarz durchscheinend, wenn Sie die glühenden Heizspiralen sehen. Wussten Sie, dass Ihr Ceran-Kochfeld aus Glaskeramik besteht? Seit 1972 können wir dank den Ingenieuren von Schott auf diesen Gläsern kochen. In den Siebzigern nur wenige von uns, denn ein Ceranfeld-Herd war teuer. Doch als mit den Jahren der Preis sank, kam auch das Ceranfeld immer mehr in Mode. Heute ist es aus den meisten Küchen nicht mehr weg zu denken, häufig bereits ausgestattet mit intelligenter Steuerungselektronik, die überdies geschützt werden muss. Glaskeramik weist dabei auch isolierende Eigenschaften auf.

Beim Augenarzt ist die Optische Kohärenztomographie (OCT – optical coherence tomography) Standard, denn sie zeigt ihm, ob Netzhaut, Glaskörper und Sehnerv gesund sind. Die OCT lässt ihn auf den Augenhintergrund blicken, den Grünen Star frühzeitig erkennen und dessen Verlauf beobachten. Beliebt ist das Verfahren auch deshalb, weil es kontaktlos misst und störungsfrei auf das Auge einwirkt. Der Augenarzt gewinnt auf solch einfache, schnelle Weise aus den aufgenommenen Daten jede Menge essentielle Informationen, die er für die nächsten Behandlungsschritte braucht.

Der halbjährige Gang zum Zahnarzt. Nicht gerade mein Lieblingsweg und ich schätze, vielen von Ihnen geht es ähnlich. Er muss aber sein. Denn noch unangenehmer wird es, wenn ein Termin außer der Reihe ansteht. Man quält sich schmerzgeplagt hin. Erwartet nichts Gutes. Hört Hiobsbotschaften wie Bohren, Wurzelbehandlung oder der Worst Case: Wir müssen den Zahn ziehen. Ist der Zahn nicht mehr zu retten, folgt meist das Implantat – häufig aus Metall, eben Titan. Doch gibt es Alternativen?

Die Turmuhr schlägt 22 Uhr. Spot an. Los geht es auf der Erlebnismeile durch die Dresdner Altstadt. In Fraunhofer-grün leuchtende Straßenlaternen weisen uns den Weg. Laser- und Lichtinstallationen erzählen die Geschichte bedeutender sächsischer Erfindungen an den Fassaden der historischen Gebäude, die bis in die Neuzeit reichen. Mittendrin erscheinen immer wieder die Forschungsprojekte von Fraunhofer. 25 Jahre gibt es nun schon »Fraunhofer-Ost«. 16 Institute entstanden mittlerweile, ganze 10 davon inklusive der Institutsteile in Dresden. Mit der Technischen Universität Dresden, Max Planck, Helmholtz und Leibniz entsteht so eine ungewöhnliche Dichte an Forschungsvielfalt und -kompetenz, die in Auszügen erzählt werden wollte. Sie haben die Tour verpasst? Macht nichts. Wir erzählen Ausschnitte davon in Bildern nach. Sehen Sie selbst.

Gesundheit, Umwelt, Energie. Enorm wie sie sich in den letzten Jahren verändert haben. Oder nehmen wir Mobilität, Sicherheit und Kommunikation. Viel passierte in diesen Märkten seit der Wende. An etlichen Fortschritten war und ist Fraunhofer beteiligt. Das vielleicht bekannteste Beispiel: MP3. Doch auch weniger Bekannte, wie der Bewegungssensor, der die Rotation Ihres mobilen Displays steuert, kommen aus den Fraunhofer-Instituten, in dem Fall aus dem Fraunhofer IPMS, einem Institut der »Neuen« Länder. Nach 25 Jahren ziehen wir einmal mehr Bilanz. Das wollen wir mit Ihnen feiern! Doch blicken wir zuerst kurz zurück.

Die Vorlesung? Fällt aus. Das aber mit gutem Gewissen, denn an einem solchen Tag steht für uns Fraunhofer-Mitarbeiter etwas anderes im Vordergrund: Mission Leben retten! Wie? Mit unserem Blut. »Uns« das sind wir Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IFAM, IWS, FEP und IKTS, die hier auf dem Fraunhofer-Campus in Gruna zusammen arbeiten. Damit möglichst viele spenden können, haben wir just einmal den IWS-Hörsaal zur Blutspendezentrale umgebaut. Aber halb so schlimm. Der Blutspendedienst des DRK, der die Aktion organisiert, betreut uns professionell.