Neue Beschichtung schützt vor Kalkschichten

Im Haushalt sind Kalk­schichten lästig, in thermischen Kraftwerken jedoch ein großes, teures Problem. Besonders in den Wärme­tauschern bildet sich viel Kalk und mindert die Effizienz der Anlagen erheblich: Bereits eine nur ein Millimeter dicke Kalkschicht in den Leitungen des Wärmetauschers senkt die Effizienz der Strom­produktion um etwa anderthalb Prozent. Um den europaweiten Verlust auszugleichen, müssten 8,7 Millionen Tonnen Steinkohle zusätzlich verbrannt werden. Das ist schlecht für die Emissions­bilanz, das Klima und teuer für die Stromproduzenten.

Ein Forschungsteam der ETH Zürich und der Universität Berkeley hat nun eine mögliche Lösung für dieses Problem gefunden: eine spezielle kalkabweisende Beschichtung, die mikro­skopisch kleine Rippen aufweist und die Anhaftung von Kalk­kristallen verhindert. Da es bis anhin kaum Grundlagen für die Entwicklung von kalk­abweisenden Oberflächen gegeben hat, haben die Forschenden um Thomas Schutzius im Detail untersucht, wie einzelne wachsende Kalkkristalle, die umgebende Wasser­strömung und die Oberfläche auf mikro­skopischer Ebene wechselwirken.

Darauf basierend entwickelte Schutzius’ Doktorand Julian Schmid und weitere Kolleginnen und Kollegen mehrere Beschichtungen aus verschiedenen weichen Materialien und testeten sie im Labor. Als wirksamste Beschichtung entpuppte sich ein Polymer-Hydrogel, dessen Oberfläche die Forschenden mittels Foto­lithografie herge­stellter Formen mit mikroskopisch kleinen Rippen versehen haben. Die Mikrostruktur des Hydrogels erinnert an jene von natürlichen Vorbildern wie Haischuppen, welche ebenfalls eine Rippen­struktur haben, was bei Haien die Bildung von Oberfläche­nbelägen unterdrückt.

Im Wasserkocher oder Heizkessel sorgen die Rippen dafür, dass die Kalkkristalle weniger Kontakt zur Oberfläche haben, sich nicht festsetzen können und sich deshalb besser ablösen lassen. Wasser, das über das Hydrogel und durch die Rippen­struktur fließt, trägt sie fort. Die Beschichtung kann zwar nicht verhindern, dass sich einige Kalk­kristalle bilden. Durch das ständige passive Abtragen der mikroskopischen Kristalle wird jedoch vermieden, dass die Kristalle zu einer hartnäckigen Schicht zusammen­wachsen.

In den verschiedenen Beschichtungen variierten die Forschenden in erster Linie den Polymeranteil. Je geringer dieser ist und je höher der Wasseranteil, desto schlechter haften die Kalzium­karbonat-Kristalle auf der Oberfläche. Versuche mit Modell­partikeln aus Polystyrol zeigen, dass die Oberflächenstrukturen der Beschichtung kleiner sein muss als die Partikel, die sich auf ihr ablagern. Dadurch wird die Kontaktfläche und somit die Adhäsionskraft reduziert. „Wir variierten die Oberflächen­struktur des Materials, um die größte Effizienz zu erzielen und führten die Kristall­experimente mit dieser optimalen Strukturgröße durch“, sagt Schmid.

Ihre Experimente zeigen, dass die Hydrogel-Beschichtung sehr effektiv ist: Bis zu 98 Prozent aller Kalkkristalle mit einer Grösse von etwa zehn Mikrometern, die zuvor auf einer mit Hydrogel beschichteten Oberfläche gewachsen sind, wurden abgetragen. Die Forschenden betonen, dass ihre Lösung umwelt­schonender und effizienter ist als bisherige Ansätze zur Entkalkung. Dafür werden bis heute teilweise giftige und aggressive Chemikalien verwendet. Das Hydrogel ist hingegen bio­kompatibel und umwelt­freundlich. Die Technik wäre auch skalierbar. Die Beschichtung aufzutragen wäre auf verschiedene Arten möglich, die die Industrie schon heute anwendet.

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

ETHZ / JOL