Revolutionäre Phasenwechselbeschichtung fängt Wärme für Raketen, Rohre und sogar Ihr Getränk ein

Spinoff ist die jährliche Veröffentlichung der NASA über erfolgreich kommerzialisierte NASA-Technologie. Diese Kommerzialisierung hat zur Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen in den Bereichen Gesundheit und Medizin, Konsumgüter, Transport, öffentliche Sicherheit, Computertechnologie und Umweltressourcen beigetragen.

Die meisten Menschen genießen an einem heißen Tag ein eisgekühltes Getränk, ohne an die Physik im Glas zu denken. Aber die Phasenwechselreaktion – in diesem Fall, wenn das Eis die Wärme des Getränks aufnimmt und schmilzt – ist stark. Eine Beschichtung, die die NASA entwickelt hat, um die gleiche Reaktion auszunutzen, könnte in Passagierflugzeugen auftauchen oder der Schlüssel zu einer eisfreien Kühlbox sein.

Laut dem Materialwissenschaftler Raj Kaul vom Marshall Space Flight Center bleibt die Temperatur bei Phasenänderungen genau am Übergangspunkt konstant. „Wenn man ein Thermometer in einem Eisblock einfriert und anfängt, ihn zu erhitzen, bleibt die Temperatur bei 32 °F, auch im bereits geschmolzenen Teil. Erst wenn das Eis vollständig geschmolzen ist, beginnt das Wasser seine Temperatur zu erhöhen.“

Für Wasser liegt der Schmelz-/Gefrierpunkt bei 32 °F, die NASA hat jedoch eine Reihe von Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten entwickelt. Ursprünglich war geplant, diese Materialien in Raumanzügen zu verwenden, die durch die Ansammlung von Körperwärme heiß werden können. In den frühen 2000er Jahren begann Kaul jedoch mit der Erforschung einer Möglichkeit, Phasenwechselmaterialien an der Außenseite des Space Shuttles einzusetzen. Die Feststoffraketen wurden durch ein Material namens MCC-1 geschützt, das „im Wesentlichen eine Mischung aus Kork und Epoxidharz“ war, sagte Kaul. „Der Korken brennt und durch diesen Brennvorgang wird auch die Hitze abgeführt. Außerdem wird er abgetragen – die Schicht löst sich einfach ab, sodass neues Material freigelegt wird und dann erneut durchläuft.“

Da die Beschichtung jedoch auf Abbrennen ausgelegt war, bestand weiterhin die Gefahr, dass es durch den Prozess zu Schäden kommen könnte. Kaul begann mit der Arbeit an einer Schutzbeschichtung, die sich nicht ablöst und dennoch eine sichere Temperatur darunter aufrechterhält. Er wandte sich der Arbeit der NASA mit Phasenwechselmaterialien zu und nutzte sie in diesem neuen Kontext. Er integrierte das Material in eine Beschichtung, die wie Farbe aufgetragen werden konnte. Dazu musste das richtige Verhältnis von Phasenwechselmaterial zu Beschichtung ermittelt werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

Nach der Lizenzierung des Patents für die Phasenwechselbeschichtung von Marshall gründete der Unternehmer Chris Bilec PrimeBilec und arbeitet an einer Reihe von Produkten, darunter einem eisfreien Kühler.

Kaul entwickelte ein Material, das „in einem Kunststoff eingekapselt ist. Wenn es Wärme sieht, absorbiert es diese Wärme und durchläuft die Phase von fest zu flüssig. Daher kann die Wärme nicht bis zum Substrat durchdringen – alles durchläuft diesen Phasenumwandlungsprozess.“ Der Feststoffraketen-Booster würde also nicht durch die extreme Hitze beim Start schmelzen. Und dank des Epoxidharzes, das die Beschichtung an sich selbst und an die Rakete bindet, würde das Phasenwechselmaterial beim Schmelzen nicht abtropfen. Nach Tests durch die NASA wurde das Material für den Einsatz in Raumfahrzeugen zugelassen, das Shuttle-Programm war jedoch zu diesem Zeitpunkt bereits eingestellt worden.

Die NASA bewarb das Patent für das Material zur Lizenzierung und es wurde von Chris Bilec, einem Unternehmer und Armeeveteranen, aufgekauft. Bilec gründete PrimeBilec mit Sitz in Austin, Texas, und Marshalls Tech Transfer Office brachte ihn mit Kaul zusammen, um Fragen zum Material zu beantworten. Kaul schlug vor, dass die Beschichtung Potenzial für die Außenfarbe von Häusern oder als Dachbeschichtung habe, „damit sie tagsüber Wärme absorbiert und nachts diese Wärme abgibt und den Kreislauf durchläuft.“

Bilec verwendete das Material zur Beschichtung des Hecks eines Flugzeugs, um Hitzeschäden durch die Triebwerke zu verhindern. „Für die Luftfahrt stellen wir das Phasenwechselmaterial auf 24 °C ein“, also ungefähr auf Raumtemperatur – die Temperatur, die die Fluggesellschaft in der Kabine aufrechterhält. Durch die Verwendung dieser Temperatur absorbiert die Beschichtung Wärme, die die Innentemperatur erhöhen würde.

Er hat Interesse von einem Unternehmen gesehen, das Wärmefallen für Veterans Affairs-Krankenhäuser herstellt. „Sie überwachen die Wärme, die aus den Rohren im Krankenhaus austritt“, sagte Bilec. „Wenn diese Rohre zu heiß werden, überhitzen sie und verbrennen ihre Sensoren. Unsere Produkte verlängern die Lebensdauer ihrer Wärmefallen.“

Eine andere Idee besteht darin, eine „eisfreie Kühlbox“ zusammen mit kleineren Behältern für das Mittagessen zu schaffen. Bei den Behältern wird das Phase-Chase-Material in Polyester in Lebensmittelqualität eingebettet, um den Behälter zu beschichten. Durch die Beschichtung bleiben die Lebensmittel – oder das Bier – im Behälter je nach Außentemperatur etwa zwei bis vier Stunden länger kälter.

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