Eine Millionen Euro und revolutionäre Filter für mehr Umweltschutz

Ein Muster des BiFi-Workflows: Die optimierte Geometrie sieht bionisch aus und kann dank additiver Fertigung auch hergestellt werden. Quelle: HHN (idw)

Jennifer Niessner, Professorin der Hochschule Heilbronn, wirbt eine Millionen Euro für ihr Forschungsprojekt Bionische Filter (BiFi) bei der Carl-Zeiss-Stiftung ein. Ihr Fokus liegt auf der Verbesserung von Reinigungsfiltern für Wasser und Luft. Niessner ist in der Fakultät Technische Prozesse (TP) Professorin für die Fachgebiete Technische Physik und Strömungslehre.

Saubere Luft und sauberes Wasser sind von grundlegender Bedeutung für die Gesundheit und Lebensqualität von Mensch und Tier. Filter helfen bei der Reinigung dieser lebenswichtigen Elemente. Sie säubern die durchströmende Luft, beziehungsweise das hindurchfließende Wasser und sind somit ein wichtiger Aspekt im Umweltschutz.

Oft jedoch erzielt das Filtermaterial nicht die gewünschte Leistung. Partikel bleiben zurück, die eigentlich herausgefiltert werden sollten oder das Filtermaterial erzielt das gewünschte Ergebnis nur mit einem erheblichen Energieaufwand.

Hier setzt das Forschungsprojekt Bionische Filter (BiFi) von Projektleiterin und Professorin im Studiengang Verfahrens- und Umwelttechnik, Jennifer Niessner an. Ziel des Projektes ist die Entwicklung intelligenter bionischer Filter nach dem Vorbild biologischer Funktionen.

Wie in der Natur ergibt sich in BiFi die optimale Geometrie der Filter als Antwort auf ein Optimierungsziel. So wie sich die typische Fischform im Laufe der Evolution als die Form ergeben hat, mit der sich ein Fisch mit dem geringsten Energieeinsatz fortbewegen kann, so wird in BiFi ein Optimierungsziel für die Geometrie des Filters formuliert: minimaler Energieaufwand bei maximaler Abscheideleistung. Die Geometrie des Filters passt sich also diesen Zielen an und ergibt sich aus ihnen. Eine Einschränkung, dass in den Filtergeometrien etwa nur Fasern mit kreisförmigem Querschnitt vorkommen dürfen, gibt es dadurch nun nicht mehr.

Niessner: „Wir wollen in BiFi durch einen revolutionären Ansatz Filter intelligent machen. Die optimale Geometrie stellt sich in unseren Strömungssimulationen mit Topologieoptimierung als Antwort auf das Optimierungsziel ein. Die resultierenden Geometrien sehen wie gewachsene Strukturen aus und können dank Additiver Fertigung erstmals auch hergestellt werden. Die bionischen Filter werden bessere Abscheideleistung und Energieeffizienz haben, als alle auf dem Markt verfügbaren Produkte.“ Überprüft werden die technischen Entwicklungen in drei Leitanwendungen, nämlich in einem Luftfilter, z.B. einem Pollenfilter für Innenräume, einem Mikroplastikfilter für Waschmaschinen und einer Öl-Wasser-Membran für Kraftfahrzeuge.

Das Forscher-Team

Professorin Niessner ist Spezialistin für Strömungssimulation und wird unterstützt von Professor Uwe Gleiter. Gleiter ist Spezialist für Kunststoffverarbeitung, Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Studiengang Mechatronik und Robotik. Er kümmert sich um die Herstellung der Filterstrukturen mittels 3D-Druck. Weiterer Projektpartner ist Professor Wendelin Schramm, aus dem Studiengang Medizinische Informatik. Er lehrt Gesundheitsökonomik und Gesundheitsmanagement und behält im Projekt die Nutzenbewertung im Auge. Eng arbeitet das interdisziplinäre HHN-Forscherteam mit Dr. Jakob Barz vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart zusammen, der das Team in Fragen der Materialauswahl und Beschichtung unterstützt.

An der Hochschule Heilbronn wird im Rahmen des Projektes BiFi ein “Zentrum für Additive Fertigung poröser Strukturen“ gegründet, in dem Vertreter aus Forschung und Industrie beteiligt sein sollen. Dadurch finden die Forschungsergebnisse Eingang in die industrielle Praxis. Gefördert wird BiFi mit einer Millionen Euro durch die Carl-Zeiss-Stiftung, die sich als Partner für visionäre und exzellente Wissenschaft im Bereich der Natur- und Ingenieurwissenschaften versteht.

Quelle: Hochschule Heilbronn (idw)