Additive Fertigung Wasserstoff-Reaktoren aus dem 3D-Drucker

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Forscher am Fraunhofer ILT haben hochtemperaturbeständige Leichtbau-Reaktoren aus
Titanaluminid entwickelt, das sich additiv fertigen lässt. Sie sollen einmal Wasserstoff direkt an Bord von Flugzeugen, Landmaschinen oder Schwerlastfahrzeugen erzeugen. 

Im Projekt InnoWaerm entwickeln die Forschenden am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hochtemperaturbeständige Leichtbau-Wärmeüberträger und Reaktoren für mobile Anwendungen etwa in schweren Nutzfahrzeugen oder der Luftfahrt. Dabei geht es nicht nur um klassische Wärmetauscher zur effizienten Energienutzung, sondern auch um sogenannte Mikroreaktoren, um aus Flüssigkeiten wie Methanol oder Ammoniak direkt Wasserstoff zu erzeugen, der dann zum Antrieb genutzt werden kann.
Die Forschenden verwenden Titanaluminid, eine extrem leichte, hitzebeständige und korrosionsresistente Legierung, die sie additiv verarbeiten. Das eingesetzte 3D-Druckverfahren LPBF wurde am Fraunhofer ILT gezielt weiterentwickelt, um die bislang
problematische Verarbeitung des besonders spröden Titanaluminids zu ermöglichen.
„Titanaluminid zählt zu den intermetallischen Phasen. Es verbindet Eigenschaften metallischer und keramischer Werkstoffe. Die ungewöhnliche Legierung ist extrem leicht, hitzebeständig, aber auch spröde und schwer zu verarbeiten“, erklärt Projektleiter Andreas Vogelpoth. „Deshalb war es bisher kaum für komplexe Bauteile einsetzbar. Mit unserer neuen Vorwärmtechnik im Laserschmelzprozess können wir das jetzt ändern. So wird es möglich, mikrostrukturierte Reaktoren herzustellen, die leicht genug für den Einsatz in mobilen Anwendungen sind, vom Flugzeug bis zur Landmaschine.“

Titanaluminid konnte bisher nur sehr aufwendig verarbeitet werden beispielsweise mit Elektronenstrahlschmelzen oder Guss. Durch die additive Fertigung lassen sich nun exakte Geometrien fertigen und an thermische sowie strömungstechnische Anforderungen anpassen. „Was wir zeigen wollen: Es geht. Es ist machbar. Und es lohnt sich“, fasst Vogelpoth zusammen. Unterstützung erhält das Vorhaben vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), das das Projekt mit rund 1,5 Millionen Euro fördert. Der Parlamentarische Staatssekretär bei der Bundesministerin für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) Matthias Hauer hat den Förderbescheid für das Projekt InnoWaerm persönlich an Projektleiter Andreas Vogelpoth und sein Team am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen überreicht.
Gemeinsam mit dem Fraunhofer IMM integrieren die Projektpartner die additiv gefertigten Bauteile in mobile Reaktoreinheiten in Kombination mit Brennstoffzellen und verbinden dabei geringes Gewicht mit hoher Temperaturbeständigkeit.

Reaktoren für die Reichweite

Im Mittelpunkt des Projekts steht die Luftfahrt: Dort zählt jedes Kilogramm und gleichzeitig steigen die Anforderungen an emissionsfreie Antriebe. Die im Projekt entwickelten Reaktormodule sollen direkt an Bord Wasserstoff erzeugen, indem sie flüssige Trägerstoffe umwandeln. Das vermeidet aufwendige Tanklösungen mit gasförmigem Wasserstoff und schafft neue Spielräume für Reichweite und Sicherheit.
Die Technologie eignet sich besonders für hybride Antriebssysteme, bei denen Brennstoffzellen im Zusammenspiel mit chemischen Energieträgern eine flexible und emissionsarme Energieversorgung  ermöglichen. Auch für andere mobile Anwendungen mit hohen Belastungen, etwa landwirtschaftliche Maschinen oder Nutzfahrzeuge,
bietet das Konzept große Vorteile. Die Kombination aus geringem Gewicht, hoher Temperaturbeständigkeit und kompakter Bauform ist besonders dort relevant, wo der verfügbare Bauraum knapp und die Anforderungen an Effizienz hoch sind.
In der nächsten Projektphase liegt der Fokus auf der Validierung unter realen Einsatzbedingungen. Das Projektteam plant, die Herstellbarkeit im industriellen Maßstab zu demonstrieren und das Potenzial der neuen Fertigungstechnologie für klimaneutrale Antriebssysteme in der Luftfahrt zu zeigen.