Neuartige Beschichtung verhindert Kalkablagerung

Heisswassertanks, Waschmaschinen, Wasserkocher ¨C jedes Haushaltsger?t, das mit (heissem) Wasser in Kontakt kommt, verkalkt, besonders in Gegenden mit hartem, also kalkreichem Wasser. Oft hilft dann nur der Griff zum Essig oder Spezial-Entkalker, um den steinharten Belag aufzul?sen und das Ger?t wieder funktionst¨¹chtig zu machen.

Im Haushalt ist das in erster Linie l?stig, in thermischen Kraftwerken jedoch ein grosses, teures Problem. Denn auch solche Kraftwerke, beispielsweise zur Stromerzeugung, k?mpfen gegen die Verkalkung. Besonders in den W?rmetauschern bildet sich viel Kalk und mindert die Effizienz der Anlagen erheblich: Bereits eine nur ein Millimeter dicke Kalkschicht in den Leitungen des W?rmetauschers senkt die Effizienz der Stromproduktion um circa 1,5 Prozent. Um den europaweiten Verlust auszugleichen, m¨¹ssten 8,7 Millionen Tonnen Steinkohle zus?tzlich verbrannt werden. Das ist schlecht f¨¹r die CO₂-Bilanz, das Klima und teuer f¨¹r die Stromproduzenten.

Neuartige kalkabweisende Oberfl?che

Ein Forschungsteam der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Berkeley hat nun eine m?gliche L?sung f¨¹r dieses Problem gefunden: eine spezielle kalkabweisende Beschichtung, die mikroskopisch kleine Rippen aufweist und die Anhaftung von Kalkkristallen verhindert. Die entsprechende Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Science Advances erschienen.

Da es bis anhin kaum Grundlagen f¨¹r die Entwicklung von kalkabweisenden Oberfl?chen gegeben hat, haben die Forschenden um den ehemaligen ETH-Professor Thomas Schutzius im Detail untersucht, wie einzelne wachsende Kalkkristalle, die umgebende Wasserstr?mung und die Oberfl?che auf mikroskopischer Ebene wechselwirken.

Darauf basierend entwickelte Schutzius¡¯ Doktorand Julian Schmid und weitere Team-Kolleg:innen mehrere Beschichtungen aus verschiedenen weichen Materialien und testeten sie im Labor an der ETH Z¨¹rich.

Hydrogel mit Mikrostruktur ist am wirksamsten

Als wirksamste Beschichtung entpuppte sich ein Polymer-Hydrogel, dessen Oberfl?che die Forschenden mittels Fotolithografie hergestellter Formen mit mikroskopisch kleinen Rippen versehen haben.

Die Mikrostruktur des Hydrogels erinnert an jene von nat¨¹rlichen Vorbildern wie Haischuppen, welche ebenfalls eine Rippenstruktur haben, was bei Haien die Bildung von Oberfl?chenbel?gen unterdr¨¹ckt.

Im Wasserkocher oder Heizkessel sorgen die Rippen daf¨¹r, dass die Kalkkristalle weniger Kontakt zur Oberfl?che haben, sich nicht festsetzen k?nnen und sich deshalb besser abl?sen lassen. Wasser, das ¨¹ber das Hydrogel und durch die Rippenstruktur fliesst, tr?gt sie fort. Die Beschichtung kann zwar nicht verhindern, dass sich einige Kalkkristalle bilden. Durch das st?ndige passive Abtragen der mikroskopischen Kristalle wird jedoch vermieden, dass die Kristalle zu einer hartn?ckigen Schicht zusammenwachsen.

In den verschiedenen Beschichtungen variierten die Forschenden in erster Linie den Polymeranteil. Je geringer dieser ist und je h?her der Wasseranteil, desto schlechter haften die Kalziumkarbonat-Kristalle auf der Oberfl?che.

Versuche mit Modellpartikeln aus Polystyrol zeigen, dass die Oberfl?chenstrukturen der Beschichtung kleiner sein muss als die Partikel, die sich auf ihr ablagern. Dadurch wird die Kontaktfl?che und somit die Adh?sionskraft reduziert. ?Wir variierten die Oberfl?chenstruktur des Materials, um die gr?sste Effizienz zu erzielen und f¨¹hrten die Kristallexperimente mit dieser optimalen Strukturgr?sse durch?, sagt Schmid.

Ihre Experimente zeigen, dass die Hydrogel-Beschichtung sehr effektiv ist: Bis zu 98 Prozent aller Kalkkristalle mit einer Gr?sse von etwa 10 Mikrometern, die zuvor auf einer mit Hydrogel beschichteten Oberfl?che gewachsen sind, wurden abgetragen.

Umweltschonende L?sung

Die Forschenden betonen, dass ihre L?sung umweltschonender und effizienter ist als bisherige Ans?tze zur Entkalkung. Daf¨¹r werden bis heute teilweise giftige und aggressive Chemikalien verwendet. Das Hydrogel ist hingegen biokompatibel und umweltfreundlich. Die Technik w?re auch skalierbar. Die Beschichtung aufzutragen w?re auf verschiedene Arten m?glich, die die Industrie schon heute anwendet.

Auf ihre Entwicklung haben die Forschenden bislang kein Patent erhoben, sondern entschieden sich bewusst f¨¹r eine Publikation in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift. Damit steht es allen Interessierten offen, die neue Beschichtung weiterzuentwickeln und nutzbar zu machen.

F¨¹r diese Forschung hat Thomas Schutzius 2019 einen ERC Starting Grant erhalten. Er arbeitet mittlerweile nicht mehr an der ETH Z¨¹rich, sondern ist Assistenzprofessor f¨¹r Maschinenbau an der UC Berkeley.