Radiowellen

Radiowellen

als innovative Technologie von RWTec

Einsatzfelder der Radiowellen-Technologie

Bei zahlreichen technischen Prozessen spielt die Temperatur eine wesentliche Rolle, da sie eine Vielzahl von Parametern und Elementarprozessen bestimmt. In vielen Fällen besitzt dabei ein direkter Energieeintrag entscheidende Vorteile, gerade dann, wenn es sich um schlecht wärmeleitfähige Materialien handelt und konventionelle Heizverfahren an Grenzen stoßen. Die Radiowellen-Technologie als direktes Heizverfahren besitzt besondere Vorteile für die kontrollierte Aufheizung großer Volumina im technischen Maßstab und ist im Vergleich zur artverwandten Mikrowellen-Erwärmung in der Regel energieeffizienter und wesentlich flexibler im Hinblick auf die zu erwärmenden Stoffe. Im Zusammenhang mit der verstärkten Erzeugung von elektrischer Energie durch regenerative Verfahren wie Photovoltaik oder Windkraft ergeben sich für die Radiowellen-Technologie als gut steuerbares elektrisches Heizverfahren neue Potenziale.
Die Möglichkeiten, mittels Radiowellen vielfältige Materialien unabhängig von ihrer Feuchte bis zu hohen Temperaturen aufheizen zu können, führen zu Anwendungsoptionen für die Reinigung von kontaminierten Stoffen wie Böden, Holz oder Mauerwerk, die thermische Regenerierung von Trocknungsmitteln und Adsorbenzien, die Aktivierung von Katalysatoren oder das Recycling von Altasphalt oder Kunststoffen. Weitere Applikationen beruhen auf einem durch Radiowellen initiierten Plasma, in dem Wasserstoff aus Wasser gebildet oder Schadstoffe abgebaut werden können. Abhängig von den konkreten stofflichen und konstruktiven Randbedingungen können einerseits homogene und andererseits kontrolliert selektive Temperaturverteilungen erzielt werden.

Physikalischer Hintergrund

Wie auch bei der allseits bekannten Haushaltsmikrowelle handelt es sich bei der Radiowellen-Erwärmung um eine direkte Erwärmungsmethode, d.h. Energie wird direkt im Material in Wärme umgewandelt.

Wirkungsweise Radiowellen

Die meisten Feststoffe weisen polare Strukturen auf, bei denen positive und negative Ladungsschwerpunkte räumlich getrennt sind. Dabei kann es sich beispielsweise um ionische Gitterstrukturen oder permanente Dipolmoleküle wie Wasser handeln. Befinden sich diese Stoffe unter dem Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes, so sind die polaren Strukturen bestrebt, sich, ähnlich einer Magnetnadel im Erdmagnetfeld, parallel zum elektrischen Feld auszurichten. Dieser besonders für nicht leitende Materialien, so genannte Dielektrika, charakteristische Vorgang wird als Polarisation bezeichnet. Die Häufigkeit der Umorientierungsvorgänge entspricht der Frequenz des äußeren elektrischen Feldes. Die permanente Neuausrichtung im oszillierenden elektrischen Feld ist mit einer lokalen Wechselwirkung innerhalb des Materials verbunden. Bei niedrigen Frequenzen ist diese Umorientierung nahezu verlustfrei möglich. Mit zunehmender Frequenz wird jedoch die Behinderung durch die Wechselwirkungen innerhalb der jeweiligen Substanz relevant und es kommt zu einem Energieaustausch, der als innere Reibung aufgefasst werden kann. Dieser Prozess führt zu einer Erwärmung des Materials aus dem Inneren heraus.

Das Wirkprinzip wird auch bei der Haushaltsmikrowelle genutzt, wo auch eine Aufheizung im Volumen erfolgt. Im dort eingesetzten Frequenzbereich (meist 2,45 Gigahertz) ist in der Regel das Wassermolekül als polare Struktur für den Erwärmungsvorgang maßgebend. Hingegen sind bei der Radiowellen-Technologie, die Frequenzen im Megahertz-Bereich (z.B. 13,56 MHz) nutzt, andere Mechanismen der Energieeinkopplung relevant, was eine höhere Flexibilität im Hinblick auf die zu erwärmenden Materialien und eine größere Unabhängigkeit von der Feuchte bedingt.

Für die Plasmaanwendungen wir ausgenutzt, dass ein starkes elektromagnetisches Feld in der Gasphase zur Beschleunigung von Ladungsträgern, insbesondere von Elektronen, führt. Diese sind dann in der Lage, durch Stoßprozesse reaktive Spezies im Gas zu erzeugen. Diese können sowohl zu gewünschten Produkten wie Wasserstoff rekombinieren als auch mit Zielmolekülen wie Schadstoffen reagieren, um diese in unschädlichere Produkte umzuwandeln.

Potenziale und Alleinstellungsmerkmale

Spritzer

Mit der Radiowellen-Technologie lassen sich sowohl feuchte als auch trockene Materialien im Bedarfsfall bis zu Temperaturen von über 400°C erwärmen. Mit Wellenlängen von mehreren Metern ist diese Methode zur Erwärmung großer Volumina bis in den Kubikmeter-Bereich prädestiniert. Ein elektronisches Anpassnetzwerk ermöglicht es, die Energie praktisch vollständig in das zu erwärmende Medium einzubringen. Die Elektrodengeometrie kann an die Einsatzbedingungen angepasst werden, was auch ein vergleichsweise homogenes Aufheizen erlaubt. Bei Bedarf und ausreichender verfügbarer Leistung sind hohe Aufheizraten erzielbar. Selektivitätseffekte können genutzt werden, um Temperaurunterschiede innerhalb von Strukturen oder zwischen Komponenten einer Hybridstruktur zu realisieren.

Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz

gebirgsbach

Voraussetzung für einen signifikanten dielektrischen Energieeintrag ist neben einer ausreichend großen Masse vor allem ein signifikanter dielektrischer Verlustfaktor des Materials im Frequenzbereich der Radiowellen. Damit entfallen aus praktischer Sicht neben allen Metallen auch andere Werkstoffe wie Quarzglas, Teflon oder hochreine Aluminiumoxide. Weiterhin sind die mitunter signifikanten Einflüsse verschiedener physikalischer und chemischer Parameter wie Feuchte, Temperatur und Stoffreinheit zu beachten, die sich im Verlauf eines Prozesses ändern können.
Für einen maßgeschneiderten Energieeintrag ist zudem das passende Elektrodendesign einzusetzen, da bereits geringe Abweichungen von der gewünschten Feldausprägung große thermische Auswirkungen haben können. Aus wirtschaftlicher Sicht muss konstatiert werden, dass das System hochwertige Energie in Form von elektrischer Energie nutzt, um Materialien zu erwärmen. Damit muss in der Gesamtbilanz immer auch der Umwandlungsschritt von z.B. chemischer Energie (Kohle, Öl, Gas) in elektrische Energie berücksichtigt werden, was den Gesamtwirkungsgrad verringert. Im Zuge der verstärkten Nutzung von regenerativen Energiequellen verliert dieser Aspekt jedoch an Relevanz und wandelt sich wegen der hohen Flexibilität tendenziell in einen Vorteil der Radiowellen-Technologie als elektrisch-basiertes Verfahren.

Schutzrechte

Urkunde

Das UFZ und die HTWK Leipzig verfügen über eine Reihe von Schutzrechten, die auf den Erfahrungen und Innovationen im Kontext der Radiowellen-Technologie beruhen und ein Alleinstellungsmerkmal des Netzwerkes begründen. Diese Schutzrechte werden den Partnern durch Lizenzvereinbarungen zugänglich gemacht. Im Rahmen der gemeinsam durchgeführten Projekte im Netzwerk sollen neue Schutzrechte generiert werden, um den wirtschaftlichen Erfolg der Partner am Markt abzusichern.