Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung eines Gases, wobei

- ein elektrisch leitfähiges Aeromaterial mit einem das Gas aufweisenden Porenraum elektrisch kontaktiert wird und

- wenigstens ein zeitabhängig veränderlicher elektrischer Strom durch das Aeromaterial fließt, wobei

- das Aeromaterial bei einer Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme Gas aus dem Porenraum exhaliert und

- bei einer Verringerung der Leistungsaufnahme Gas aus der Umgebung des Aeromaterials inhaliert

Ferner betrifft die Erfindung einen elektrothermischen Gasaktuator sowie Verwendungen eines Gasaktuators.

Die vorliegende Beschreibung versteht unter Gasaktivierung die Erhöhung der Bewegungsenergie der Moleküle eines Gases. In dieser weiten Definition sind Gebläse, Gaspumpen, Ventilatoren, aber auch Heizdrähte oder Herdplatten allesamt Vorrichtungen zur Gasaktivierung, im Folgenden kurz als Gasaktuatoren bezeichnet. Üblicherweise setzen Gasaktuatoren elektrische Energie in thermische und/oder mechanische Energie um und übertragen diese mindestens teilweise auf ein Gas, das den Gasaktuator umgibt (Umgebungsgas).

Zuweilen stellt sich dabei das Dosierproblem, etwa wenn man eine kleine, genau definierte Menge an Gas durch ein Auslassventil entlassen will, oder auch, wenn man sicherstellen muss, dass einem Gasvolumen eine präzise bemessene Energie zugeführt wird. Es ist nützlich, einen Gasaktuator zur Verfügung zu haben, der beliebig skalierbare Gasvolumina von Liter bis Nanoliter mit genau wählbaren Energiemengen aktivieren und dies auch beliebig oft mit hoher Repetitionsrate wiederholen kann.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung, die diese Möglichkeiten bieten, werden im Folgenden erstmals beschrieben.

Zu den im letzten Jahrzehnt neu aufgekommenen Klassen von Materialien zählen die so genannten Aeromaterialien. Diese zeichnen sich durch eine dreidimensional vernetzte, offenporige Struktur aus nano- bis mikroskaligen - nicht notwendig immer gerade verlaufenden - Stäben oder Röhren aus. Die Stäbe oder Röhren weisen üblich ein Aspektverhältnis (Länge : Durchmesser) von fünf oder mehr auf und sind typisch nur punktuell und gegeneinander verkippt mit benachbarten Stäben oder Röhren fest verbunden. Die Verbindungen können dabei beispielsweise durch Metallverschmelzung, Kristalldurchdringung oder auch kovalent ausgebildet sein.

Manche Aeromaterialien bilden ein formelastisches Netzwerk, das nach einer temporären Verformung in seine Ausgangsform zurückkehrt.

Manche Aeromaterialien zeigen gute elektrische Leitfähigkeit.

Gemeinsame Eigenschaften aller Aeromaterialien sind:

- eine Porosität größer als 90%, üblich größer als 95%, falls hohle Röhren das Netzwerk bilden, sogar größer als 99%;

- eine sehr geringe Massendichte zwischen etwa 0,2 und 200 mg/cm ³ ;

- ein zusammenhängendes Netzwerk, d.h. von jedem Punkt des Netzwerks führt ein Weg zu jedem anderen Punkt, ohne dass man das Material verlassen müsste;

- der große Porenraum ist offen und vollständig verbunden, insbesondere kann ein Umgebungsgas den Porenraum und das gesamte Netzwerk ohne wesentliche Behinderung durchqueren.

Der Fachmann kennt Aeromaterialien bislang vorwiegend aus wissenschaftlichen Publikationen, z.B.

Schaedler, T. A.; Jacobsen, A. J.; Torrents, A.; Sorensen, A. E.; Lian, J.; Greer, J. R.; Valdevit, L; Carter, W. B. "Ultralight Metallic Microlattices". Science. 334 (6058): 962-5 (2011)

Gordon, L.M.; Bouwhuis, B.A.; Suralvo, M.; McCrea, J.L.; Palumbo, G.; Hibbard, G.D. . "Micro- truss nanocrystalline Ni hybrids". Acta Materialia. 57: 932-939 (2009)

Wang, W. et al.; "Three dimensional few layer graphene and carbon nanotube foam architectures for high fidelity supercapacitors". Nano Energy 2, 294-303 (2013).

Die Druckschrift US 10071912 B2 beschreibt einen Aerokohlenstoff, der durch Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase auf einem Template aus vernetztem, tetrapodalem Zinkoxid (T-ZnO, vgl. EP 2550241 B1) erzeugt wird. Dabei bildet sich ein geschlossenes Netzwerk von Kohlenstoff auf den Oberflächen der ZnO-Tetrapoden, und nach der chemischen Auflösung des Templates bleibt das formelastische Netzwerk aus kovalent verbundenen, hohlen Kohlenstoffröhren zurück. Dieses als Aerographit bezeichnete Material war mit etwa 0,2 mg/cm ³ zeitweise das leichteste Material der Welt.

Seit Kurzem steht eine erheblich vereinfachte Methode zur Herstellung von Aerokohlenstoff aus der Arbeit von Rasch et al., “Wet-Chemical Assembly of 2D Nanomaterials into Lightweight, Microtube-Shaped, and Macroscopic 3D Networks”, ACS Applied Materials & Interfaces 2019 11 (47), 44652-44663, DOI: 10.1021/acsami.9b16565 zur Verfügung. Dabei wird eine wässrige Dispersion mit elektrochemisch abgeschälten Graphen-Blättchen auf einen vorgefertigten Zylinder aus vernetztem T-ZnO geträufelt, und es bildet sich selbstorganisiert eine geschlossene Schicht aus Graphen auf der ZnO-Oberfläche. Nach dem Entfernen des T-ZnO verbleibt ein vollständig schwarzer Zylinder aus Aerographen, dessen elektrische und mechanische Eigenschaften von Rasch et al. untersucht werden.

Weiter ist aus der FEI, WEN WEN; ZHOU, JIANXIN; GUO, WAN LIN: Low-voltage Driven Graphene Foam Thermoacoustic Speaker small 2014, DOI: 10.1002/smll.201402982 ein Thermophon aus einem Graphenschaumformkörper mit 1 cm ² Grundfläche bekannt, der elektrisch kontaktiert und mit einem Sinus-Wechselstrom beaufschlagt wird.

Aus der Druckschrift CN 104 912 760 A sind intelligenten Aktoren bekannt, die insbesondere einen thermopneumatischen Aktor auf der Basis von leitfähigem Schaumstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung betreffen, wobei der elektrothermische Aktor die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie realisieren kann und sein Arbeitsprinzip darin besteht, zunächst elektrische Energie durch ein elektrothermisches Material in thermische Energie umzuwandeln, was dazu führt, dass sich das Betätigungsmaterial unter der Einwirkung von Wärme ausdehnt und verformt, was wiederum zu einem Betätigungsphänomen führt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasaktivierung definierter Volumina mit definierten Energiemengen mittels Aeromaterialien aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie nebengeordneten Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aktivierung eines Gases ist dadurch ausgebildet, dass

- ein elektrisch leitfähiges Aeromaterial mit einem das Gas aufweisenden Porenraum elektrisch kontaktiert wird und

- wenigstens ein zeitabhängig veränderlicher elektrischer Strom durch das Aeromaterial fließt, wobei

- das Aeromaterial bei einer Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme Gas aus dem Porenraum exhaliert und

- bei einer Verringerung der Leistungsaufnahme Gas aus der Umgebung des Aeromaterials inhaliert wobei

- ein zeitlich gepulster Strom mit vorbestimmten Pulsleistungen, Pulsdauern und Pulsabständen durch das Aeromaterial geführt wird und

- die Temperatur des Aeromaterials durch den zeitlich veränderlichen Strom um 100 °C oder mehr binnen einer Sekunde oder weniger geändert wird. Elektrisch leitfähige Aeromaterialien können aus elektrisch leitfähigen Elementen wie Kohlenstoff oder aus einem Metall gebildet werden. Bei Vorliegen eines zusammenhängenden Netzwerkes - bei Existenz perkolierender Strompfade - erweist sich die elektrische Kontaktierung des Aeromaterials in der Regel als unerwartet einfach. Es reicht oft aus, zwei beliebige, separate Punkte des Aeromaterials zu kontaktieren, und der aktivierte Stromfluss zwischen diesen beiden Punkten nimmt praktisch jeden möglichen Pfad durch das Material.

Dies führt zu einer gleichförmigen ohmschen Erwärmung des gesamten Aeromaterial- Netzwerkes. Der Grund dafür liegt in dem mit der Erwärmung typisch verbundenen Widerstandsanstieg, so dass der Strom in der extremen “Parallelschaltung” des leitfähigen Netzwerkes immer bevorzugt den kühlsten Pfad nimmt. Da sich alle Pfade sehr schnell erwärmen, erfolgt die Erwärmung annähernd überall gleichzeitig.

Schon bei Bestromung mit geringen elektrischen Leistungen von wenigen Watt kann die Erwärmung des Aeromaterials mehrere 100 °C betragen. Die Endtemperatur kann in weniger als einer Sekunde annähernd erreicht werden.

Aeromaterialien übertragen Wärmeenergie exzellent an Gase, aber nicht an Flüssigkeiten oder Festkörper. Der Grund dafür liegt in der sehr geringen spezifischen Wärmekapazität der Aeromaterialien, die sich - ähnlich wie die Massendichte - in dem für Gase üblichen Bereich von Größenordnungen befindet. Temperaturerhöhungen in Aeromaterialien lassen sich deshalb nur kontaktlos bestimmen über eine Messung der Wärmestrahlung. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, einer lokal begrenzten Menge Gas eine möglichst genau bekannte Energiemenge zuzuführen.

Insbesondere erfolgt in besonders bevorzugter Weise ein geleitetes Aktivieren des Gases durch Anordnen des Aeromaterials in Form eines Formkörpers in einem Gehäuse mit Gaseinlass und Gasauslass und Rückschlagventilen. Bei der Ausbreitung von Schallwellen gibt das aktivierte Gas die Energie durch Stoßprozesse an benachbarte Gasvolumina weiter. Wenn die Energieweitergabe durch ein das Aeromaterial umgebendes Gehäuse unterbunden ist, dann wird das dem Aeromaterial durch einen Gaseinlass in das Gehäuse zugeführte Gas direkt aktiviert und beispielsweise durch einen Gasauslass gerichtet aus dem Gehäuse ausgetrieben, was insbesondere die Basis für ein Pumpwerk, ganz besonders in Form einer Mikrodosierpumpe darstellt. Eine nennenswerte Menge des aktivierten Gases wird beim Pumpen einer erheblichen lokalen Verschiebung unterworfen, die dann wiederum in eine vorbestimmte Richtung erfolgen soll. Das vorgesehene Zwangsmittel für das aktivierte Gas ist das umgebende Gehäuse, welches zusätzlich Rückschlagventile als mechanische Verschlüsse bevorzugt aufweist. Die Bestromung des Aeromaterials muss bzw. zumindest sollte dabei ersichtlich an die mechanische Schaltgeschwindigkeit der Ventile angepasst sein. Damit das Pumpwerk auch bei gepulster Bestromung mit kleiner Repetitionsrate nennenswerte Gasströme aktivieren kann, sollte bzw. muss schon jeder einzelne Strompuls ein wohldefiniertes Gasvolumen aktivieren und zur Bewegung veranlassen, was hier durch die hohen Pulsstromleistungen im Bereich von einigen Watt bis über 100 Watt erzielt wird. Diese führen zu Temperaturänderungen im Aeromaterial um mehr als 100 °C und damit zur Aktivierung des gesamten im Porenraum vorhandenen Gases. Daher geht die Offenbarung einen deutlich anderen Weg als der Stand der Technik, in dem üblicherweise nur Leistungen von 0,1 W gefahren werden (vgl. zB . Fei et al. - Es werden keine Angaben zu Temperaturänderungen des Aeromaterials gemacht, aber es darf unterstellt werden, dass diese in der D1 aufgrund der geringeren Leistung und der Kilohertz-Oszillation weniger als 100 °C betragen dürften).

Die erfindungswesentliche Erkenntnis, die hier erstmals berichtet wird, kann daher lauten: a. Das Gas im Porenraum übernimmt die durch Bestromung ansteigende Temperatur des Materials praktisch unverzüglich und expandiert in etwa gemäß dem Gesetz von Gay Lussac (V/T = konstant). Ein Anteil des Gases verlässt das Aeromaterial, und zwar bei einem schnellen Anstieg der Bestromung in der Regel sogar mit einem kleinen, hörbaren Knall. Das Aeromaterial exhaliert, wenn die elektrische Leistung ansteigt. b. Wird die Bestromung deaktiviert oder die elektrische Leistung verringert, so strömt sofort kühleres Umgebungsgas in den Porenraum nach, und das Aeromaterial gibt Wärme an dieses Gas ab. Das Aeromaterial inhaliert in diesem Fall Umgebungsgas. c. Ein auf hohe Temperaturen, z.B. 1000 °C und mehr, erhitztes Aeromaterial kühlt in sehr kurzer Zeit nach dem Abschalten der Bestromung wieder auf seine Ausgangstemperatur vor dem Beginn der Bestromung ab. Die Abkühlzeit kann dabei unter einer Sekunde liegen.

Die elektrisch steuerbare Exhalation/Inhalation des leitfähigen Aeromaterials, die man mit einigem Recht als “elektrothermische Atmung” bezeichnen kann, wird durch das Merkmal c auch technisch nutzbar, denn dies gestattet technisch relevante Repetitionsraten.

Es wird als besonders vorteilhaft betrachtet, dass ein zeitlich gepulster Strom mit vorbestimmten Pulshöhen, Pulsdauern und Pulsabständen durch das Aeromaterial geführt wird. Bei jedem der Strompulse wird eine definierte Energie - nämlich die vorbestimmte elektrische Leistung multipliziert mit der vorbestimmten Strompulsdauer - an eine definierte Gasmenge - nämlich das Volumen des Porenraums des bestromten Aeromaterials - transferiert. Entsprechend definiert ist bei jedem Strompuls die Gasexpansion und die Verdrängung aus dem Porenraum.

Die Gasaktivierung erfolgt praktisch nur im Porenraum und damit genau an jenem Ort in einem gasgefüllten Volumen, an dem das Aeromaterial angeordnet ist. Der elektrothermische Gasaktuator zur Gasaktivierung definierter Volumina mit definierten Energiemengen mittels Aeromaterialien umfasst erfindungsgemäß:

- eine elektrische Stromquelle,

- eine Kontrolleinrichtung ausgebildet zur Ansteuerung der Stromquelle nach einem erfindungsgemäßen hier offenbarten und beanspruchten Verfahren,

- einen Formkörper aus einem elektrisch leitenden Aeromaterial, wobei der Formkörper offenporige Seiten mit Zugängen für ein Gas und/oder Umgebungsgas zum Porenraum des Aeromaterials aufweist und zur elektrischen Bestromung kontaktiert ist, wobei das elektrisch leitende Aeromaterial ein Aerokohlenstoff oder Aerographen ist, und wobei das Volumen des Porenraumes des Formkörpers einen Wert aus dem Intervall von 1 Nanoliter bis 1 Liter aufweist.

Unter einem Formkörper ist zunächst ein geometrischer Körper - z.B. Würfel, Zylinder, Kugel - zu verstehen. Im Kontext dieser Beschreibung ist der Formkörper eines offenporigen Netzwerks ein reales physikalisches Objekt, nämlich ein in eine spezifische geometrische Form gebrachtes Aeromaterial. Die Seiten des Formkörpers fallen dabei mit den Randausläufern des Netzwerks zusammen, d.h. sie bilden die Einhüllende des Netzwerks. Die wahre innere Oberfläche des Aeromaterials übersteigt die Gesamtoberfläche der Seiten des geometrischen Formkörpers um Größenordnungen.

Die Form des Formkörpers kann beispielsweise und bevorzugt für Aerokohlenstoff mittels eines Formkörpers aus T-ZnO vorbestimmt werden. Sie kann auch mittels präzisen Laserschneidens des Aerokohlenstoffs erreicht werden, weil Aerokohlenstoff Licht sehr gut absorbiert.

Es lassen sich beispielsweise mit T-ZnO Templates und ggf. anschließender Laserbearbeitung Formkörper aus Aerographen mit einem Volumen zwischen vorzugsweise 1 Nanoliter und 1 Liter hersteilen. Bei einer typischen Porosität von Aerographen von mehr als 99 % entspricht das Volumen des Formkörpers annähernd dem Volumen seines Porenraums und damit dem Volumen des durch einen einzelnen Strompuls aktivierten Gases.

Die einzigartige Fähigkeit der Aeromaterialien, elektrothermische Gasaktivierung in wohldefinierter Dosierung mit bei Bedarf hoher Wiederholrate auszuführen, lässt mehrere neue Anwendungen erkennen, die weiter unten beschrieben sind.

Die Erfindung wird zunächst anhand eines Ausführungsbeispiels eines Gasaktuators mit einem Formkörper aus Aerographen sowie anhand von Abbildungen noch näher erläutert. Dabei zeigt:

Abb. 1 pyrometrisch gemessene Temperaturverläufe und Endtemperaturen des Formkörpers aus Aerographen für verschiedene elektrische Leistungen der Bestromung des Formkörpers;

Abb. 2 einen der Plots wie in Abb. 1 erfasst parallel mit einem Pyrometer und einer IR Kamera; Abb. 3 den Temperaturverlauf des Formkörpers bei einem Strompuls der Leistung 15 W für eine Pulsdauer von 60 ms erfasst mit Pyrometer und IR Kamera;

Abb. 4 den pyrometrisch gemessenen Temperaturverlauf des Formkörpers bei einer Sequenz von Strompulsen der Leistung 109 W mit Pulsdauern von 1,7 ms;

Abb. 5 den Temperaturverlauf des Formkörpers beim einem ersten Strompuls der Leistung 7 W für eine Pulsdauer von 10 ms im Vergleich zu den Temperaturverläufen nach weiteren 50000 oder 100000 applizierten Strompulsen mit denselben Pulsparametern;

Abb. 6 die pyrometrisch gemessenen Temperaturverläufe für ein mit Graphen beschichtetes Template aus T-ZnO im Vergleich zum Temperaturverlauf des verbleibenden Aerographens nach dem Entfernen des T-ZnO;

Abb. 7 den pyrometrisch gemessenen Temperaturverlauf des Formkörpers aus Aerographen bei einer temperaturgetakteten Pulsbestromung mit einer Frequenz von ca. 10 Hz.

Ein experimenteller Aufbau aufweisend einen zur Bestromung kontaktierten Formkörper aus Aerographen geht bereits aus der Arbeit von Rasch et al. hervor. Er ist zweckdienlich zur Realisierung des hier vorgeschlagenen Gasaktuators. Allerdings machen Rasch et al. keinerlei Aussagen zum Umgebungsgas, zu den Temperaturen des Formkörpers oder zu einer gepulsten Bestromung. Es findet lediglich eine Leitwertbestimmung statt, aus der sich folgern lässt, dass Aerographen nach dem dort beschriebenen Herstellverfahren oberhalb einer Dichte von 1 mg/cm ³ perkolierende Strompfade aufweist.

Im Folgenden ist zur Abkürzung mit Formkörper immer exemplarisch ein Formkörper aus Aerographen gemeint. Es ist davon auszugehen, dass alle elektrisch leitenden Aeromaterialien ein qualitativ ähnliches Verhalten zeigen, wobei selbstverständlich Unterschiede zwischen Kohlenstoff-Netzwerken und metallischen Mikrogittern bestehen, die im Einzelfall angemessen zu berücksichtigen sind. Beispielsweise lässt sich Aerokohlenstoff in einem chemisch inerten Umgebungsgas schadlos bis auf mehr als 3000 °C erhitzen, was für die Mikrogitter eher zu vermeiden ist. Für die Zwecke des hier vorgestellten Gasaktuators werden diese Unterschiede aber als unerheblich angesehen, weil keine extremen Bedingungen erforderlich sind.

Der bestromte Formkörper kann mit einem Pyrometer und/oder einer Wärmebildkamera beobachtet werden, um seine Temperatur aus der Wärmestrahlung zu ermitteln.

In Abb. 1 ist ein Satz von pyrometrisch erfassten Temperaturmessdaten zu sehen, bei dem ein Formkörper auf verschiedene Temperaturniveaus erwärmt wird. Maßgeblich für das Ausmaß der Erwärmung ist die applizierte elektrische Leistung, wie der Figur zu entnehmen ist. Der Formkörper erreicht seine Endtemperatur, wenn sich seine Energieaufnahme aus dem ohmschen Widerstand bei Bestromung mit seinen Energieverlusten durch Abstrahlung und Gaskonvektion im Porenraum equilibriert. Abb. 1 zeigt deutlich, dass die Endtemperatur schon nach weniger als einer Sekunde annähernd erreicht ist. Fast genauso schnell erfolgt die Abkühlung bei Wegnahme der Leistung, selbst aus dem equilibrierten - also nicht nur kurzzeitig erwärmten - Zustand heraus. Temperaturerhöhungen um mehr als 100 °C lassen sich mit wenigen Watt Leistungen erreichen.

Das Grundniveau der Temperatur liegt in Abb. 1 bei ca. 120 °C, was aber ein Artefakt der Messung ist. Temperaturen darunter können mit dem Pyrometer nicht mehr detektiert werden.

In Abb. 2 ist deshalb ein Temperaturverlauf wie in Abb. 1 simultan mit dem Pyrometer und mit einer IR Kamera erfasst worden, wobei die Kamera über einen größeren Messbereich verfügt. Man entnimmt Abb. 2, dass die Rückkehr des Formkörpers zur Umgebungstemperatur tatsächlich auch sehr schnell binnen etwa 1-2 Sekunden stattfindet. Dieses erstaunlich effiziente Abkühlverhalten von Aeromaterialien nach ohmscher Erwärmung wurde nach Kenntnis der Erfinder bislang noch nie berichtet und soll hier ausgenutzt werden.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, zeitlich veränderliche Ströme, vorzugsweise Strompulse mit vorbestimmten Pulsleistungen, Pulsdauern und Pulsabständen, durch Aeromaterialen, insbesondere Formkörper aus Aeromaterialien, fließen zu lassen. Beispielsweise zeigt Abb. 3 den Temperaturverlauf des besagten Formkörpers aus Aerographen für einen Strompuls der Pulsleistung 15 W bei einer Pulsdauer von 60 ms. Zur Verdeutlichung: die Pulsleistung ist wie üblich das Produkt aus am Formkörper angelegter Spannung und im Formkörper generiertem Strom, und die Pulsenergie ist das Produkt aus Pulsleistung und Pulsdauer. Die Pulsenergie kann durch Variation von Pulsleistung und/oder Pulsdauer verändert werden. Der Pulsabstand ist die Zeitspanne zwischen dem Einsetzen eines ersten Strompulses und dem Einsetzen eines zeitlich dem Ende des ersten Strompulses direkt nachfolgenden zweiten Strompulses, unabhängig von der Pulsdauer. In einer Sequenz von mehr als zwei Strompulsen können sich die Pulsabstände im Laufe der Sequenz ändern.

Aus dem Vergleich von Abb. 3 mit Abb. 1 ist klar, dass die kurze Pulsdauer bewirkt, dass die Erwärmung des Formkörpers lange vor Erreichen einer Endtemperatur (über 1000 °C für 15 W), also noch in der ansteigenden Flanke, abgebrochen wird. Ebenso wird deutlich, dass die IR Kamera eine zu langsame Messdynamik zum Erfassen der ansteigenden Temperaturflanke bei höheren Pulsleistungen aufweist. Nachfolgend werden daher nur noch Messdaten des sehr viel schnelleren Pyrometers gezeigt unter Hinweis auf das besagte Messartefakt bei 120 °C.

Um eine sehr steile Aufheizflanke zu erreichen wird bei den Messdaten der Abb. 4 jeder Strompuls einer Sequenz von Pulsen mit einer Leistung von 109 W für die Pulsdauer 1,7 ms appliziert. Die Abkühlflanke benötigt jeweils ungefähr 200 ms (bis zum Verlassen des Pyrometer-Messbereichs). Mit einem exemplarisch gewählten Strompulsabstand von 1 s lässt sich eine Sequenz gleichartiger Temperaturverläufe produzieren. Es wird als generell vorteilhaft angesehen, eine gepulste Bestromung des Aeromaterials so durchzuführen, dass dabei die Pulsabstände wenigstens eine Größenordnung größer als die Pulsdauern eingerichtet werden. Auf diese Weise kann eine repetierende Arbeitsweise des Gasaktuators sichergestellt werden, d.h. jeder “Atemzug” des Gasaktuators hat einen klar vorhersagbaren Effekt auf das Gas. Der Gasaktuator kehrt nach jedem Puls in seinen Ausgangszustand zurück, bevor der nächste Puls appliziert wird.

Der Abb. 5 entnimmt man den Temperaturverlauf des Formkörpers beim einem ersten Strompuls der Leistung 7 W für eine Pulsdauer von 10 ms im Vergleich zu den Temperaturverläufen nach weiteren 50000 oder 100000 applizierten Strompulsen mit denselben Pulsparametern. Die Pulsparameter wurden hier gezielt ausgewählt, um den Formkörper jedes Mal auf 400 °C zu erhitzen. Das thermische Zyklieren macht dem Formkörper erkennbar nichts aus, d.h. auch lange Sequenzen von Strompulsen sind möglich und unschädlich.

Anhand der Abb. 6 ist zu sehen, wie bedeutsam die geringe Massendichte und Wärmespeicherkapazität des Aeromaterials für sein schnelles Abkühlverhalten sind. Die mit T- ZnO+AG bezeichnete Kurve repräsentiert den Temperaturverlauf eines T-ZnO Templates, das nach Rasch et al. mit abgeschälten Graphen-Blättchen beschichtet worden ist. Bei Bestromung des Templates fließt der Strom fast nur durch die Graphen-Schichten, aber die erzeugte Wärmemenge wird auch an das T-ZnO abgegeben und dort besser gespeichert. Wird der Strom abgeschaltet, benötigt die Abkühlung unter die Messgrenze des Pyrometers mehr als eine Sekunde, obwohl das kristalline T-ZnO kein guter Wärmespeicher ist und selbst nur eine Dichte von etwas mehr als 300 mg/cm ³ aufweist. Die mit AG bezeichnete Kurve zeigt für identische Strompulsparameter den Temperaturverlauf derselben Graphen-Schichten nach dem chemischen Auflösen des T-ZnO, also nunmehr als Aerographen mit einer Dichte von 4 mg/cm ³ . Die Abkühlgeschwindigkeit hat sich um eine ganze Größenordnung erhöht.

Es ist anzumerken, dass die Messdaten der Abbildungen 1 bis 5 mit Aerographen einer Massendichte von 8 bis 10 mg/cm ³ ermittelt worden sind, was man an der etwas geringeren Abkühlgeschwindigkeit gegenüber dem Aerographen aus Abb. 6 erkennt. Als Faustregel gilt, dass eine geringere Massendichte mit einer schnelleren Abkühlung einhergeht. Als physikalische Untergrenze der Massendichte wird 0,2 mg/cm ³ angesehen, weil sich darunter kein zusammenhängendes Netzwerk zur gleichmäßigen Bestromung mehr realisieren lässt. Technisch sind zudem auch aus Gründen der mechanischen Eigenschaften Massendichten oberhalb von 1 mg/cm ³ zu bevorzugen.

Die bislang gezeigten Temperaturverläufe eines Formkörpers aus einem Aeromaterial, bevorzugt aus einem Aerokohlenstoff, besonders bevorzugt aus Aerographen, sind alle mit Gasaktivierung im Porenraum des Aeromaterials verbunden. Wie bereits erwähnt, kann der Formkörper im Takt seiner zeitlich veränderlichen Bestromung exhalieren und inhalieren, er verhält sich gewissermaßen wie ein elektrischer Blasebalg, aber ohne bewegte Teile.

Somit reicht es aus, beispielsweise dem Aufbau von Rasch et al. eine Kontrolleinrichtung zur Ansteuerung der Stromquelle beizufügen, um zu einem erfindungsgemäßen Gasaktuator zu gelangen. Die Kontrolleinrichtung kann dabei aus einem herkömmlichen Mikroprozessor oder PC gebildet sein, welcher programmierte Steuerbefehle an die Stromquelle zur Aktivierung, Deaktivierung oder Leistungsregelung erteilt. Die Kontrolleinrichtung kann dazu ausgebildet sein, vom Nutzer auswählbare Strompulsparameter durch die Stromquelle realisieren zu lassen. Die Kontrolleinrichtung kann Steuerbefehle aus gespeicherten Tabellen ablesen und zu vorbestimmten Zeiten ausführen. Zusätzlich oder alternativ kann die Kontrolleinrichtung auch weitere Messdaten empfangen, verarbeiten und zur Erteilung von Steuerbefehlen heranziehen.

Ein Beispiel für ein rückgekoppeltes Arbeiten des Gasaktuators kann darin bestehen, dass man dem Gasaktuator eine minimale Pump- oder Atemfrequenz vorgibt mit der Maßgabe, dass er gleichmäßige Ex- und Inhalation sicherstellen soll. Zu diesem Zweck wird die Temperatur des Formkörpers des Gasaktuators mit einem Pyrometer überwacht, und die Pyrometer-Messdaten werden der Kontrolleinrichtung zugeführt. Die Kontrolleinrichtung kann dann beispielsweise anhand des Temperaturverlaufs Zeitpunkte festlegen, zu denen sie weitere Strompulse auslöst, um gleichmäßige Temperaturzyklen in der vorgegebenen Mindestfrequenz zu erzeugen. Ein solches Vorgehen generiert exemplarisch einen Temperaturverlauf wie zu sehen in Abb. 7, wo eine Mindestfrequenz von 10 Hz realisiert wird.

Die Kontrolleinrichtung kann auch die Leistung und/oder die Dauer von wiederholten Strompulsen variieren und dabei so einrichten, dass eine fest vorgeschriebene Atemfrequenz genau erreicht und die Gleichmäßigkeit der Erwärmung des Formkörpers bei allen Pulsen eingehalten wird.

Zwar ist das Abkühlen des Formkörpers - verbunden mit seiner Inhalation - der langsamere Prozess bei der Gasaktivierung, aber dessen Geschwindigkeit kann gleichwohl auch beeinflusst werden. Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn dem zeitlich veränderlichen Strom durch den Formkörper ein von null verschiedener, zeitlich konstanter Strom überlagert wird. Dies hat zur Folge, dass sich der Formkörper grundsätzlich gegenüber dem Umgebungsgas auf einer erhöhten Temperatur befindet, so dass seine Abkühlung durch Inhalation von Umgebungsgas schneller erfolgt. Man setzt sich dadurch auf einen anderen Arbeitspunkt der Abkühlkurve. Als Faustregel kann man hier angeben: ja größer die Temperaturelevation des Formkörpers gegenüber der Umgebungstemperatur ist, desto höhere Atemfrequenzen kann der Gasaktuator realisieren. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die zeitliche Veränderung des Stroms durch den Formkörper mit einer Frequenz von 10 Hz oder mehr durchgeführt wird. Besonders bevorzugt werden aber auch Frequenzen im Bereich größer als 100 Hz oder sogar größer als 1 kHz realisiert. Dabei ist es nicht immer erforderlich, dass die Temperaturschwankungen des Formkörpers so ausgeprägt sein müssen wie in den bisherigen Beispielen gezeigt. Auch weniger als 100°C Temperaturschwankung erzeugen eine Gasaktivierung, und bei den besagten Frequenzen emittiert der Gasaktuator dann hörbare Schallwellen. Eine sehr interessante mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Gasaktuators wird daher in der Verwendung als Schallemitter oder Lautsprecher - auch zur Wiedergabe von Sprache oder Musik - gesehen.

Die Abstrahlcharakteristik kann dabei im Prinzip omnidirektional, jedenfalls aber weniger eingeschränkt als bei herkömmlichen Lautsprechern sein. Überdies ist der Gasaktuator grundsätzlich sehr klein und platzsparend.

Eine weitere im Labor erprobte Anwendung besteht darin, den bereits als Blasebalg verstandenen Gasaktuator unmittelbar als Pumpwerk einer Mikrodosierpumpe für Gase einzusetzen. Hierfür kann man den Gasaktuator in einem geschlossenen Gehäuse aufweisend einen Gaseinlass und einen Gasauslass, beide versehen mit Rückschlagventilen, anordnen. Während der elektrothermischen Exhalation generiert der Gasaktuator einen Überdruck im Gehäuse, und allein der Gasauslass öffnet sich und lässt einen Gasanteil entweichen. Bei der Inhalation wird im Gehäuse ein Unterdrück erzeugt, der durch das alleinige Öffnen des Gaseinlasses ausgeglichen wird. Eine Sequenz von Strompulsen befördert somit eine genau bestimmbare Gasmenge durch das Gehäuse und in einen ausgangsseitig angeordneten Schlauch oder dergleichen. Durch die Wahl der Strompulsabstände, also der Repetitionsrate, kann die Pumpgeschwindigkeit eingerichtet werden.

Eine unter dem Eindruck der Corona-Pandemie 2020 wohl sehr wichtige und zukunftsweisende Anwendung des erfindungsgemäßen Gasaktuators liegt in der Luftreinigung, ganz besonders zum Zerstören von in der Umgebungsluft mitbewegten organischen Strukturen und Kleinstorganismen, wie etwa Viren und Pilzsporen. Tatsächlich darf man ihm hier sogar besonders hohe Wirksamkeit ohne nennenswerte Umweltbelastung unterstellen, was für den Einsatz in Krankenhäusern besonders wichtig ist.

Genau wie die Gasmoleküle werden mitbewegte organische Flugpartikel während der repetierenden gepulsten Bestromung in den Porenraum des Formkörpers des Gasaktuators inhaliert und dort schlagartig Temperaturen ausgesetzt, die jegliche biologische Organik zuverlässig denaturieren. Bei dieser Anwendung wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Temperatur des Aeromaterials durch den zeitlich veränderlichen Strom um 100 °C oder mehr, bevorzugt 300 °C oder mehr, binnen einer Sekunde oder weniger geändert wird. Die so zerstörten oder getöteten Überreste werden weitestgehend exhaliert, und falls doch Überreste im Porenraum Zurückbleiben sollten, so können diese durch einen gelegentlichen “Service-Strompuls”, der den Formkörper für kurze Zeit auf eine sehr hohe Temperatur bringt, thermisch zersetzt und ausgegast werden. Zugleich kann vermieden werden, dass die Raumluft insgesamt eine merkliche Erwärmung erfährt, da ihr der Gasaktuator üblich nur wenige Joule pro Sekunde an Energie zuführt.

Experimentell zeigt sich bei Bestromungstests, dass man Aufheizraten von 100.000 °C pro Sekunde und mehr leicht erreichen kann. Heizt man aber ein zu großes Volumen eine Formkörpers zu schnell auf, so kann das erhitzte Gas im Porenraum nur noch dadurch schnell genug entweichen, dass es Teile des Formkörpers absprengt. Es empfiehlt sich daher eine Begrenzung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit vom Volumen des bestromten Aeromaterials einzurichten.