Materialwissenschaft
Selbstheizender Beton könnte unseren Straßen, Grundwasserleitern und Geldbörsen helfen
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In nordamerikanischen Regionen mit kaltem Klima sind Schneefall und Frost‑Tauwzyklen während der Wintersaison ziemlich häufig. Das führt zu einer Anhäufung von Schnee auf Betonstraßen und Flächen sowie zu Frost‑Tauschäden am Beton.
Auf dem Campus der Drexel University gibt es jedoch einen Betonabschnitt, der die Zukunft von frostfreien Gehwegen und Autobahnen demonstriert. Dieser Abschnitt befindet sich direkt neben dem Parkplatz der Universität.
Er besteht aus zwei 30‑Zoll‑mal‑30‑Zoll‑Platten, die seit bis zu drei Jahren eigenständig Schnee und gefrierenden Regen entfernen, ohne dass jemand schaufelt, Salz streut oder kratzt. Aber es ist kein Wunder; es handelt sich um selbstheizenden Beton.
Letzte Woche berichteten Forscher des College of Engineering der Drexel University berichtet darüber, wie sie diesen speziellen Beton hergestellt haben, der sich selbst erwärmen kann, wenn die Temperatur auf den Gefrierpunkt sinkt oder es schneit.
Veröffentlicht im Journal of Materials in Civil Engineering diskutiert das Papier die Entwicklung von selbstheizendem Beton unter Verwendung von Niedrigtemperatur‑Phasenwechselmaterialien (PCM).
Diese Experimente wurden im Advanced Infrastructure Materials (AIM) Labor der Drexel University durchgeführt. Für die Durchführung der Experimente stellte das US‑Unternehmen Compass Minerals die finanzielle Unterstützung bereit, während MicroTek Laboratories die Materialien für Forschungszwecke lieferte.
Die Studie wurde von Amir Farnam, Ph.D., außerordentlichem Professor; Doktorand Robin Deb; den Undergraduate‑Studierenden Nishant Shrestha, Kham Phan und Mohamed Cissao; sowie den Doktoranden Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai und Parsa Namakiaraghi durchgeführt, die alle dem College of Engineering angehören.
Mit diesem selbstheizenden Beton ist das Ziel, wie Farnam erklärt, die Betriebsdauer von Straßen und verschiedenen Oberflächen zu verlängern. Konkret hilft er diesen Betonflächen, während kalter Klimabedingungen Temperaturen über dem Gefrierpunkt zu halten. Die Idee ist, eine belastbare Infrastruktur in den nördlichen Regionen der USA zu fördern, wo die Bundesstaaten jährlich etwa 2,3 Milliarden US‑Dollar für Schnee‑ und Eisbeseitigungsmaßnahmen ausgeben.
Um das Einfrieren und Auftauen zu verhindern und gleichzeitig den Bedarf an Räum‑ und Salzarbeiten zu reduzieren, führt das neue Experiment spezielle Metalle in den Beton ein, die helfen, bei wechselndem Klima eine höhere Oberflächentemperatur aufrechtzuerhalten.
Dieses Material wird seit etwa einem halben Jahrzehnt entwickelt, um das Einfrieren, Auftauen und Salzen, das Straßen und andere Betonflächen negativ beeinflusst, zu reduzieren. Selbstheizender Beton soll in der Lage sein, Schnee zu schmelzen und die Bildung von Eis über einen längeren Zeitraum zu verlangsamen oder zu verhindern.
Bis jetzt hat selbstheizender Beton großes Potenzial und Erfolg in einer kontrollierten Laborsituation gezeigt, doch nun wurde seine Machbarkeit auch in der realen, natürlichen Umgebung demonstriert. Er zeigte, dass der selbstheizende Beton tatsächlich Schnee schmelzen kann, ohne menschliche Hilfe oder Heizungssysteme zu benötigen. Er kann dies eigenständig nur mit der thermischen Energie des Tagesumfelds erledigen.
“Dieser selbstheizende Beton ist für bergige und nördliche Regionen in den USA geeignet, wie Nordost‑Pennsylvania und Philadelphia, wo im Winter geeignete Heiz‑ und Kühlzyklen vorherrschen.”
– Farnam
Das Niedrigtemperatur‑Phasenwechsel‑Material
Das betreffende Material, das der Studie ermöglichte, selbstheizenden Beton zu erzeugen, ist niedrigtemperaturflüssiges Paraffin. Dabei handelt es sich um ein Phasenwechsel‑Material (PCM), das bei einer Umgebungstemperatur von etwa 0 °C bzw. 32 °F Wärme freisetzt, wenn es vom flüssigen Raumtemperaturzustand in einen festen übergeht. Dies führt zum allmählichen Schmelzen des angesammelten Schnees und Eises.
Während die Gruppe bereits zuvor berichtet hatte, dass die Einbindung des Materials in den Beton die Heizung aktiviert, sobald die Temperatur sinkt, untersuchte die neueste Forschung die Leistung von selbstheizendem Beton sowohl unter Labor‑Thermobedingungen als auch unter realen Außenbedingungen während der Herbst‑ und Wintersaison.
Ziel des Programms war es, Betonmischungsdesigns für die maximale PCM‑Einbindung zu optimieren und die thermischen Eigenschaften von PCM‑Mörtel‑Beispielen mithilfe von LGCC zu charakterisieren. LGCC, oder longitudinal guarded comparative calorimetry, ist ein Prüfgerät, das zur Quantifizierung der thermischen Eigenschaften und des Wärmeflusses von Betonproben verwendet wird.
Zusätzlich war die Idee, großformatige Betonplatten, die mit Phasenwechselmaterial behandelt wurden, außerhalb des Labors unter natürlichen Bedingungen zu testen, um zu beurteilen, wie effizient sie Schnee schmelzen und ihre thermische Leistung in Echtzeit gegenüber Frost‑Tauw‑Ereignissen ist. Diese Ereignisse beziehen sich darauf, dass die Temperatur so weit sinkt, dass Wasser bei 32 °F bzw. 0 °C gefriert, und anschließend wieder ansteigt, sodass es auftaut.
Um das Material in Beton zu integrieren, nutzte das Team zwei Verfahren. Dazu gehörte mikroverkapseltes PCM (MPCM), bei dem Mikro‑Kapseln aus Paraffin direkt in den Beton gemischt werden. Der andere Ansatz bestand darin, das flüssige Phasenwechselmaterial in porösen Leichtaggregaten (PCM‑LWA) zu versenken, wobei kleine Steinfragmente, aus denen Beton besteht, mit Paraffin behandelt werden. Diese kleinen Steine und Kiesel absorbieren das flüssige Paraffin, bevor sie in den Beton eingearbeitet werden.
In ihrem Experiment verwendeten die Forscher drei Platten: eine, die mit der MPCM‑Methode gegossen wurde, die zweite mit PCM‑LWA, und die dritte ohne Phasenwechselmaterial als Kontrolle.
Diese Platten sind seit Dezember 2021 den natürlichen Witterungsbedingungen ausgesetzt. In dieser Zeit erlebten alle drei 32 Frost‑Tauw‑Ereignisse, bei denen die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fielen. In den ersten beiden Jahren wurden sie außerdem von fünf Schneefällen von mindestens einem Zoll getroffen. Um die Temperatur und das Verhalten der Platten zu überwachen, setzte das Team Kameras und Temperatursensoren ein.
Als die Lufttemperaturen unter den Gefrierpunkt fielen, stellten die Forscher fest, dass die PCM‑Platten für bis zu 10 Stunden eine Oberflächentemperatur zwischen 42 und 55 °F (5,56 und 12,78 °C) aufrechterhielten. Das reicht aus, um ein paar Zentimeter Schnee zu schmelzen. Dies geschieht jedoch mit langsamer Geschwindigkeit, etwa ein Viertel Zoll Schnee pro Stunde. Zwar nicht warm genug, um schweren Schnee zu schmelzen, kann es dennoch helfen, die Straßenoberfläche eisfrei zu halten und die Verkehrssicherheit zu erhöhen.
Dies ist vorteilhaft, um die Verschlechterung von Straßen zu verhindern, da Phasen extremer Abkühlung und anschließender Erwärmung dazu führen, dass sich die Oberfläche ausdehnt und zusammenzieht, was die strukturelle Integrität belastet und langfristig zu Rissen und Abplatzungen führen kann. All dies schafft eine Schwäche, die letztlich zum inneren Versagen der Struktur führt und vermieden werden muss.
“Eine der vielversprechenden Erkenntnisse ist, dass die Platten mit Phasenwechselmaterial ihre Temperatur über dem Gefrierpunkt stabilisieren konnten, wenn die Umgebungstemperatur sank.”
– Deb
Neben der Verlängerung der Lebensdauer von Infrastrukturen kann es auch Geld bei der Straßeninstandhaltung sparen. Laut Schätzungen der National Highway Administration werden Millionen von Dollar für die Reparatur von durch Winterwetter beschädigten Straßen ausgegeben. Darüber hinaus können die Bundesstaaten durch den Wegfall des Salzens nicht nur Arbeits- und Salzkosten einsparen, sondern auch das Rosten von Fahrzeugen verhindern. Dieser Ansatz hilft zudem, Grundwasserleiter nicht mit überschüssigem Salz zu verschmutzen, sodass sie für den Menschen sicher bleiben.
Allmählicher Fortschritt, Potenzial für Wachstum
Die Gruppe untersuchte den selbstheizenden Beton in verschiedenen Maßstäben und stellte fest, dass das PCM zufriedenstellende Unterkühlung, langfristige thermische Stabilität und eine hohe Schmelzenthalpie aufweist. Insgesamt zeigten beide Betonplatten mit dem Material positive Schneeschmelz‑Fähigkeiten und reduzierten die Anzahl der Frost‑Tauw‑Zyklen im Winter, wie die Studienergebnisse zeigen.
Die mit porösen Leichtaggregaten (PCM‑LWA) behandelte Platte erwies sich als besser bei der Verringerung der Anzahl von Frost‑Tauw‑Zyklen (F‑T). Dies lag an der relativen Verteilung des PCM innerhalb der Poren und dem Unterkühlungsphänomen, das durch den Einschlussdruck des LWA‑Porennetzwerks entsteht.
Dadurch konnte die latente Wärme allmählich freigesetzt werden. Die Unterkühlung erzeugt hier eine Phasenumwandlung in einem breiteren Niedrigtemperaturbereich, nämlich von 3,94 °C bis −13,04 °C bzw. 39,09 °F bis 8,52 °F. Daher erwies sich die PCM‑LWA‑Methode als effektiver beim Schneeschmelzen in diesem niedrigen Temperaturbereich.
Gleichzeitig unterstützt das „Einmal‑Freisetzungs‑“Wärmephänomen von MPCM‑Beton das schnelle Schmelzen von Schnee. Die mit mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial (MPCM) behandelte Platte kann zwar schneller aufheizen, kann jedoch die Erwärmung nur halb so lange aufrechterhalten wie LWA‑PCM.
Während PCM‑LWA‑Platten die Freisetzung ihrer Wärmeenergie bis zu einer Temperatur von 39 °F halten konnten, begann MPCM seine Wärme bereits bei 42 °F freizusetzen, was zu einer relativ kürzeren Aktivierungsdauer führt.
Daraus folgerte das Team, dass die PCM‑LWA‑Methode besser für Enteisungsanwendungen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geeignet ist.
Obwohl beide Anwendungen die Betontemperatur zwischen 53 und 55 °F erhöhen können, beeinflussen die Schneefallrate und die Umgebungstemperatur vor einem Schneefall sowohl die Leistung von PCM‑LWA als auch von MPCM.
Bei mit PCM versehenen Fahrbahnen wurde festgestellt, dass sie schwere Schneelasten (größer als 2 Zoll) nicht vollständig schmelzen können, darunter jedoch den Schneefall „ziemlich effektiv“ schmelzen. Sie beginnen tatsächlich sofort mit dem Auftauen, sobald der Schnee zu fallen beginnt.
Laut Deb kann die allmähliche Wärmefreisetzung die Betonoberfläche erfolgreich auftauen und damit die Notwendigkeit einer Vor‑Salzung vor starkem Schneefall eliminieren. Es muss jedoch beachtet werden, dass das Material zwischen Schnee‑ oder Frost‑Tauw‑Ereignissen eine gewisse Aufladezeit benötigt, um effektiv zu funktionieren. Wenn es zu diesem Zeitpunkt nicht wieder in den flüssigen Zustand zurückkehrt, kann die Leistung nachlassen.
Da das Team nun versteht, wie sich Beton mit PSM in der Natur verhält, wird es daran arbeiten, das System zu verbessern, um längere Heizzeiten und stärkeres Schmelzen zu optimieren. Forscher müssen mehr Daten sammeln, um die langfristige Wirksamkeit des Materials zu verstehen, und eine Studie durchführen, um zu bestimmen, wie diese Methode die Lebensdauer des Betons verlängern könnte.
Dies ist lediglich der neueste Fortschritt zur Verbesserung der Infrastruktur bei gleichzeitiger Schonung der Umwelt, während Organisationen und Regierungen nach besseren Lösungen für kalte und warme Jahreszeiten suchen. Kürzlich berichteten wir, wie Wissenschaftler der University of California detaillierten, wie man durch adaptive Dachziegel Heiz- und Kühlkosten senken kann. Die Ziegel verfügen über einen Strahlungsschalter oder ein passives Thermoregulierungsgerät, das auf ein breites Temperaturspektrum reagiert.
Eine weitere Lösung ist eine ganzjährig einsetzbare Smart‑Roof‑Beschichtung, die in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab entwickelt wurde und Häuser im Winter warm und im Sommer kühl hält, ohne Erdgas oder Strom zu benötigen. Sie verwendet ein neues Material namens temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung (TARC), das im Winter die Strahlungskühlung automatisch abschaltet, um Überkühlung und Energieverschwendung zu vermeiden. All dies zeigt eine hellere Zukunft für uns und unseren Planeten.
Arbeiten an der Winterwartung
Werfen wir nun einen Blick auf einige Namen in der Branche, die Enteisungslösungen anbieten und an der Suche nach innovativeren Optionen beteiligt sind:
#1. Clear Roads
Dieses Programm bringt Verkehrsfachleute und Forscher aus dem ganzen Land zusammen, um Innovationen in der Winterwartung voranzutreiben. Clear Roads bewertet Materialien, Ausrüstungen und Methoden unter realen Bedingungen, um die besten Technologien und Lösungen zu finden, die Geld sparen, die Effizienz steigern und die Sicherheit verbessern.
In seinem 2024 TRB Annual Meeting konzentrierte sich das Programm auf Themen wie die Implementierung von Salzbestandsinventaren mittels LiDAR‑Messungen, Salz‑Nachhaltigkeit, künstliche Intelligenz und die Modellierung von Fahrbahn‑Reibung. Es behandelte außerdem die Vorhersage von Winterstraßenoberflächenbedingungen mittels datengetriebener Ansätze, ein Modell zur Vorhersage der Winterfahrbahntemperatur basierend auf Transfer‑Learning und Lang‑ und Kurzzeit‑Gedächtnis‑Neuronennetzwerken, die Entwicklung eines Prototyps eines digitalen Zwillings für die Winterstraßenwartung, die Zukunft des Straßenwetters und mehr.
#2. Cargill
Das Unternehmen bietet Enteisungslösungen für Straßen und Autobahnen an. Cargills effektive Winterwartungslösungen minimieren die Umweltbelastung sowie die damit verbundenen Kosten. Das breite Produktsortiment des Unternehmens umfasst granulare Enteisungsmittel, Anti‑Eis‑Mittel, automatisierte Sole‑Herstellungssysteme und Zusatzstoffe sowie Lösungen für Fahrbahnbeläge.
In der zweiten Hälfte des letzten Jahres wurde berichtet, dass das Unternehmen plant, einen Teil seiner US‑Enteisungs‑Salzgeschäfte zu veräußern, die zu diesem Zeitpunkt etwa 40 Millionen USD EBITDA bei einem Umsatz von rund 375 Millionen USD erwirtschafteten.
Zu den zu verkaufenden Vermögenswerten gehören Anlagen, die Enteisungssalze abbauen, verarbeiten und transportieren, um sie an Gemeinden, Regierungsbehörden und private Unternehmen im ganzen Land für den Einsatz auf Straßen während Winterstürmen zu liefern. Dies erfolgte, nachdem Cargill 2022 seine dritte Salzmine auf Avery Island, LA, geschlossen hatte.
#3. Clariant
Dieses Unternehmen bietet Flugzeugenteisung an, ein wachsender Sektor, der laut Prognosen in den nächsten sieben Jahren auf 1,83 Milliarden USD bei einer CAGR von 5 % wachsen soll. Nordamerika führt dieses Wachstum dank seiner robusten Luftfahrtindustrie an. Flugzeugenteisungssysteme sind entscheidend für sichere Starts und Landungen.
Zusätzlich zur Flugzeugenteisung bietet Clariant Recycling‑Lösungen und Unterstützung für Kunden an, um betriebliche Schwierigkeiten bei widrigen Wetterbedingungen auf der Landebahn zu überwinden. Dafür hat es äußerst effektive Enteisungsflüssigkeiten entwickelt, die die Oberflächen von Flugzeugen von Schnee und Eis frei halten. Das Unternehmen ist zudem auf die Enteisung von Landebahnen und Antifeucht‑Chemikalien spezialisiert.
Fazit
Wie wir gesehen haben, ist selbstheizender Beton eine bedeutende Erfindung, die zum Bau von Fahrbahnen, Einfahrten, Brückendecks und vielen anderen Flächenarten verwendet werden kann. Das entwickelte Produkt verbessert zudem die Betonhaltbarkeit und Lebensdauer, spart Geld für Straßeninstandhaltung, Arbeitskraft und Materialverbrauch, während es verhindert, dass Autos rosten und überschüssiges Salz Grundwasserleiter verschmutzt. Solche Forschung ist nicht nur für den Menschen, sondern auch für die Umwelt von Nutzen und trägt dazu bei, unser Leben zu verbessern und gleichzeitig das Ökosystem zu schützen.
