Was die Quantenmechanik mit dem Dieselmotor zu tun hat

Q1-Projektkurs besucht die RWTH Aachen

Der Projektkurs „Chemische Quantenmechanik“ war am 6. Juli zu einer Exkursion am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik an der RWTH Aachen. Dort untersucht man unter anderem die chemische Reaktionskinetik der Verbrennung von Kraftstoffen. Dabei werden quantenmechanische Berechnungen einer Vielzahl von Elementarreaktionen durchgeführt und die so erhaltenen Parameter zur Lösung der kinetischen Differentialgleichungen eingegeben. Im Rahmen der Forschung wird insbesondere an der Entwicklung neuer Kraftstoffe gearbeitet, bei denen kein Ruß oder Feinstaub entsteht und so auch die Stickoxid-Emission gesenkt werden kann. Hierzu zählen biologisch gewinnbare Kraftstoffe, die durch ihren Kreislauf zudem zur Verringerung der CO2-Emissionen beitragen.

Nach einer Vorlesung über den Einsatz der Quantenmechanik (QM) bei der Modellierung der Kinetik der Verbrennung, aber auch der Bildung von funktionellen Polymeren sowie medizinischen Anwendungen, hat der Kurs an einer Quantenmechanik-Übung teilgenommen. Dabei haben die Schüler mit dem QM-Software-Paket Gaussian Berechnungen der Potentialhyperfläche der Reaktion von Methanol mit einem Wasserstoffradikal zu einem Wasserstoffmolekül und einem Methoxy-Radikal durchgeführt. Die Eingabedatei für die Berechnung haben sie mit Gaussview erstellt, einem Programm, dass es erlaubt, Moleküle auf dem Bildschirm zusammenzusetzen. Die Berechnungen mit Gaussian lieferten dann neben vielen anderen Eigenschaften auch die Enthalpien der Moleküle, aus der die Schüler die Reaktionsenthalpie berechnet haben.  

Anschließend besichtigten die Schüler ein Labor, in dem die Kinetik der Verbrennungschemie experimentell untersucht wird. Dazu wird in einer sogenannten shock tube durch das Bersten einer Scheibe ein Druckstoß ausgelöst, der zu einer hohen Kompression und folglich hohen Temperatur führt, was wiederum zur Selbstzündung des Kraftstoffs führt. Dieser Vorgang der Selbstzündung wird genutzt, um die Chemie der Verbrennung unter Vermeidung anderer Einflüsse zum Beispiel die Strömungsmechanik zu vermessen. Die Selbstzündung ist beim Diesel-Motor der eigentliche Zündvorgang und beim Otto-Motor als das unerwünschte Klopfen bekannt.

Nach grundlegenden quantenmechanischen Berechnungen und experimentellen Untersuchungen der Kinetik müssen die Kraftstoffe in realen Motoren getestet werden. Zum Abschluss der Exkursion hat der Kurs Motorenprüfstände für Diesel- und Otto-Motoren besichtigt, in denen die neuen Kraftstoffe hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emissionen untersucht werden.

Die Exkursion hat am Beispiel der motorischen Verbrennung einen Eindruck davon vermittelt, wie grundlegende quantenmechanische Berechnungen zusammen mit Experimenten genutzt werden, um an anwendungsorientierten Probleme zu forschen.

Thomas Kraska