Chemo-Hydrodynamik an partikelbildenden Reaktionsfronten (ChemFront_II)
Das ChemFront Experiment hat zum Ziel, das Verständnis der Prozesse in strömenden Reaktionsfronten mit Partikelbildung zu verbessern. Die gewonnenen Erkenntnisse sind in verschiedenen Bereichen wie der CO2-Sequestrierung, Partikelsynthese, Bodensanierung und Gesteinsrestaurierung von Bedeutung, da all diese Anwendungen eine sich bewegende Reaktionsfront mit Partikelbildung beinhalten. Für solche Prozesse ist es dann beispielsweise möglich, die Menge und Verteilung der Partikel besser vorherzusagen und zu steuern.
Das Experiment verwendet zwei wässrige Lösungen: eine mit Natriumkarbonat (Na2CO3) und eine zweite mit Kalziumchlorid (CaCl2). Bei der Vermischung dieser Lösungen bildet sich Kalziumkarbonat (CaCO3), das als Feststoff ausfällt, weil es in Wasser schlecht löslich ist. Es kommen zwei Strömungszellen zum Einsatz: radiale Hele-Shaw-Zellen und rechteckige Kapillarzellen.
Die radialen Hele-Shaw-Zellen bieten einen makroskopischen Blick auf die Produktverteilung. Die Experimente mit rechteckigen Kapillarzellen ermöglichen es, mit Hilfe von Raman-Spektroskopie die lokale Zusammensetzung und Struktur der gebildeten Partikel zu analysieren. Zusätzlich kann in den Kapillaren die Reaktionsfront aus einer seitlichen Ansicht verfolgt werden, um den Schwerkrafteinfluss direkt abschätzen zu können.
Die Dynamik der Reaktionsfronten wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter die chemische Reaktion selbst, die Bewegung und Vermischung der Lösungen sowie die Art und Weise, wie sich die Partikel ausbreiten und absetzen. Auf der Erde spielt die Schwerkraft eine große Rolle, da die Partikel absinken können, was zur Bildung von Schichten und zum Zusetzen der Strömungswege in der Zelle führt.
Wir sind besonders an drei verschiedenen Szenarien interessiert:
1. Advektion von Partikeln: Wie verteilen sich die gebildeten Partikel durch die Strömung?
2. Zusetzen: Wie verändern sich die Strömungskanäle, wenn sie zunehmend von Partikeln blockiert werden?
3. Gelbildung bei hoher Partikelkonzentration: Welche Auswirkung hat eine gelartige Reaktionsfront, die die reagierenden Flüssigkeiten voneinander trennt und eine weitere Reaktion verhindert?
Durch die Untersuchung dieser Szenarien, insbesondere der Auswirkungen des Auftriebs und der Sedimentation auf diese Prozesse, soll mehr über die Eigenschaften der erzeugten Partikel, die Effizienz der Reaktion und die Verteilungsstrukturen der Partikel im System gelernt werden.
Das Experiment ist eine Zusammenarbeit von Partnern aus Szeged, Brüssel, Toulouse, Freiberg und Dresden. Es ist zudem eine Grundlage für ein Höhenforschungsraketenexperiment im Rahmen des Projekts Chemo-hydrodynamic patterns and instabilities (CHYPI), das von der ESA gefördert wird.