Cappuccino-Effekt in der Industrie? Michael Elfering erforscht an der FH Münster den Zusammenhang von Gaskonzentration und Schallgeschwindigkeit

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Michael Elfering startet die Anlage. Im Behälter sind die blauen Lautsprecher und die kleinen, schwarzen Unterwassermikrofone zu sehen. (Foto: FH Münster / Katharina Kipp)
Michael Elfering startet die Anlage. Im Behälter sind die blauen Lautsprecher und die kleinen, schwarzen Unterwassermikrofone zu sehen. (Foto: FH Münster / Katharina Kipp)

Wer den Cappuccino umrührt und dann mehrmals mit dem Löffel leicht gegen den Tassenrand klopft, um den Milchschaum abzuschütteln, bemerkt: Der Ton wird jedes Mal höher. Grund dafür ist, dass die Gaskonzentration abnimmt, die Schallgeschwindigkeit aber steigt. Diesen Zusammenhang – in der Fachsprache Wood-Korrelation genannt – macht sich Michael Elfering zunutze. Der Doktorand am Fachbereich Maschinenbau der FH Münster überträgt in seinem Promotionsvorhaben das Phänomen im großen Stil auf verfahrenstechnische Prozessanlagen.

Dazu zählt zum Beispiel der Biogasfermenter. Elfering entwickelt ein tomographisches Sensorsystem zur Bestimmung des Gasgehaltes in Flüssigkeiten. Und obwohl der 28-Jährige damit noch relativ am Anfang steht, ist eines schon jetzt sicher: Grundsätzlich funktioniert sein System.„Meine Simulationen haben positive Ergebnisse geliefert“, so Elfering. „Jetzt will ich herausfinden, ob es auch in der Praxis klappt.“ Deshalb hat er im Labor für Strömungstechnik und -simulation von Prof. Dr. Hans-Arno Jantzen auf dem Steinfurter Campus einen riesigen Behälter aufgebaut, der bis zum Rand mit Wasser gefüllt ist – insgesamt sind es drei Kubikmeter. Im Inneren des oberen Bereichs sind mehrere Lautsprecher montiert. Daneben hängen Unterwassermikrofone, sogenannte Hydrophone. Immer ein Lautsprecher sendet Schall, und die Mikrofone zeichnen ihn auf – ein klassisches Sender-Empfänger-Modell. „Dadurch messe ich die Laufzeit, also wie lange der Schall für die Strecke von A nach B braucht. So finde ich heraus, wie schnell oder langsam er ist.“ Auf diese Weise entsteht ein Netz aus Einzelmessstrecken mit jeweils individuellen Signallaufzeiten.

Diese Werte fließen dann in ein mathematisches Modell, und darauf basierend entwickelt Elfering die tomographische Rekonstruktion der lokalen Schallgeschwindigkeit. „So kann ich Rückschlüsse ziehen, wie genau sich der Gasgehalt in der Flüssigkeit verteilt“, erklärt der Doktorand. Und das dürfte zum Beispiel für Biogasanlagen interessant sein. „Durch mein System ließe sich genau analysieren, in welchem Bereich der Prozess der Biogasgewinnung besonders effektiv abläuft und in welchen Bereichen es noch Verbesserungsbedarf gibt. Bislang gibt es diese Möglichkeit nicht.“ Doch bis dieses Ziel erreicht ist, ist es noch ein weiter Weg, sagt Elfering. „Irgendwann plane ich Messungen in einer echten Anlage, das wird aber frühestens 2021 der Fall sein.“

Unterstützung erhält er vom Elektronikentwicklungsunternehmen trilogik aus Emsdetten, das ihm als Forschungspartner bei der elektrotechnischen Umsetzung des komplexen Systems von Sensorik, Verstärkern und Beschaltung hilft. Laborleiter Jantzen, der das Promotionsvorhaben inhaltlich betreut, ist von der bisherigen Arbeit des Maschinenbauers begeistert. „Michael Elferings Forschungsidee liefert die vielversprechende Grundlage für ein System, das für viele Anlagen in Industrie und Verfahrenstechnik einen großen Mehrwert bieten wird“, so der Professor für Strömungstechnik, Strömungsmaschinen und Strömungssimulation. Das Projekt läuft seit dem 1. September 2019 und noch bis zum 31. August 2022. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von KMU-innovativ.

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