DE102022100957A1

DE102022100957A1 - Vorrichtung zum Anregen und/oder Aufspalten von chemischen Bindungen

Info

Publication number: DE102022100957A1
Application number: DE102022100957.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anregen und/oder Aufspalten von chemischen Bindungen, wobei die Vorrichtung einen Reaktionsreaktor mit einem Fluid und eine Anregungsquelle zum Anregen von elektromagnetischen Wellen aufweist, wobei eine Innenoberfläche des Reaktionsreaktors zumindest teilweise eine mikrostrukturierte Oberflächenstruktur aufweist, sodass die angeregten elektromagnetischen Wellen mittels der mikrostrukturierte Oberflächenstruktur frequenzselektiv reflektierbar und/oder verstärkbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anregen und/oder Aufspalten von chemischen Bindungen, wobei die Vorrichtung einen Reaktionsreaktor mit einem Fluid und eine Anregungsquelle zum Anregen von elektromagnetischen Wellen aufweist.
In der Luft- und Wasserreinigung sowie zum gezielten Erzeugen von Gasen sind verschiedene Schwingungserzeuger, wie UV-Strahler, Ultraschallgeneratoren und Elektrolysesysteme, bekannt. Des Weiteren ist bekannt, dass chemische Verbindungen durch Schwingungen, wie durch elektromagnetische Wellen oder Druckschwingungen, anregbar, destabilisierbar und/oder aufspaltbar sind. Beispielsweise beschreibt die DE 42 38 952 A1 ein Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser auf Resonanzbasis, wobei mit einem Hyperschallerzeuger, welcher mit einer spezifischen Frequenz auf das Wasser einwirkt, das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.
Zudem ist es allgemein bekannt, dass spezifische Strukturen frequenzselektiv elektromagnetische Wellen reflektieren und durch konstruktive Interferenz auf diese verstärkend wirken, wie beispielsweise eine Gitterstruktur nach der Bragg-Reflexion.
Nachteilig bei bekannten Verfahren zur Aufspaltung von chemischen Verbindungen ist, dass der alleinige Schwingungsgenerator keine ausreichende Effizienz der Anregung und Aufspaltung für eine Umsetzung im technischen Maßstab aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Anregung und/oder Aufspalten von chemischen Verbindungen gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.
Somit erfolgt zusätzlich zum Anregen von chemischen Bindungen durch eine Anregungsquelle selbst, wie beispielsweise einem IR-Strahler oder einem Magnetron, eine Anregung und/oder Aufspaltung von chemischen Bindungen eines Fluids mittels der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur an der Innenoberfläche des Reaktionsreaktors.
Hierbei kann die Anregungsquelle ausgebildet als Schwingungsgenerator außerhalb des Reaktionsreaktors und/oder innerhalb des Reaktionsreaktors angeordnet sein. Die mittels des Schwingungsgenerators in dem Reaktionsreaktor eingebrachten und/oder angeregten elektromagnetischen Wellen und/oder Schwingungen werden an der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur frequenzselektiv reflektiert und/oder durch konstruktive Interferenzen verstärkt, wodurch neben der Anregung von chemischen Bindungen auch ein Aufspalten der chemischen Bindungen ermöglicht ist. Durch die reflektierten und/oder verstärkten Schwingungen werden beispielsweise H₂O-Molekühle in einen Anregungszustand gebracht, die H-O-Bindung gerät in einen Schwingungszustand und ist leichter aufspaltbar.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, die Innenoberfläche des Reaktionsreaktors ausgerichtet zum Fluid teilweise oder vollständig mit einer mikrostrukturierten Oberflächenstruktur ausgekleidet ist, wodurch die angeregten elektromagnetischen Wellen mittels der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur frequenzselektiv reflektiert und/oder verstärkt werden und folglich eine Anregung und/oder Aufspaltung der chemischen Bindung des Fluids erfolgt.
Zur gezielten Reflektion und/oder Verstärkung der auftreffenden elektromagnetischen Wellen an der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur weist diese mindestens eine Stufe in eine Raumrichtung auf. Unter einer Stufe wird jeder Vorsprung und/oder Rücksprung einer Form der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur verstanden. Eine Stufe muss nicht zwingend eckig ausgeformt sein. Eine Stufe kann auch eine runde, elliptische und/oder andersartige Form aufweisen. Bei einer Stufe kann es sich um jegliche Form einer Erhebung und/oder Vertiefung handeln. So kann die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur auch durch mehrere aneinander gereihte und/oder teilweise übereinanderliegende Schuppen, verteilte halbkreisförmige Erhebungen und/oder Senken, oder durch zueinander beabstandete Tannenbaum-Strukturen realisiert sein. Ebenso kann die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur als eine Struktur ausgeformt sein, welche die Struktur eines fraktalem Gebildes oder mehrerer fraktalen Gebilde aufweist.
Bei einem Fluid kann es sich um ein Gas, wie CO₂, und/oder um eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, handeln. Ebenso kann es sich bei einem Fluid um ein Gas/Flüssigkeits-Gemisch handeln, wie beispielsweise Tröpfchen in Gas oder bei der Aufspaltung von CO₂ in der feuchten Umgebungsluft.
Somit kann die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur in einer Vielzahl von Reaktionsreaktoren eingesetzt werden, wie beispielsweise bei der photokatalytischen Aufspaltung, der Elektrolyse, in einem Ozon- und/oder UV-Reaktor. Ebenso ist die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur bei IR-Strahlern und bei Mikrowellengeräten einsetzbar, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

1 eine stark schematische Darstellung einer Anregungsvorrichtung mit einer mikrostrukturierten Oberflächenstruktur, einem Schwingungsgenerator, einer Anode und einer Kathode,
2 eine stark schematische Darstellung einer Alternative der Anregungsvorrichtung mit einer externen Lichtquelle, einem Einwegspiegel, einer mikrostrukturierten Oberflächenstruktur, einer Anode und einer Kathode in einer Draufsicht
3 eine stark schematische dreidimensionale Darstellung eines Ausschnittes aus einer mikrostrukturierten Oberflächenstruktur mit Tannenbaumstrukturen.

Eine Anregungsvorrichtung 101 weist einen Reaktionsreaktor 103 auf, an dessen Innenwand 105 eine mikrostrukturierte Oberflächenstruktur 107 angeordnet ist. Der Reaktionsreaktor 103 ist mit Wasser 119 gefüllt. Des Weiteren weist die Anregungsvorrichtung 101 einen Schwingungsgenerator 109 auf, welcher in das Wasser 119 hineinragt. Eine Anode 111 und eine Kathode 113 sind in dem Wasser 119 angeordnet und jeweils mit einer Spannungsversorgung 115 verbunden. Die Anode 111 und die Kathode 113 sind jeweils partiell in ihrem oberen Bereich von einem Gasableitrohr 117 zum Ableiten des erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs umgeben (siehe 1).
Die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur 107 weist mehrere gleichmäßig zueinander beabstandete Erhebungen in Form jeweils einer Tannenbaumstruktur 127 auf, wobei eine jeweilige Spitze 131 der jeweiligen Tannenbaumstruktur 127 in das Wasser 119 ausgerichtet ist. Jede Tannenbaumstruktur 127 weist beidseitig fünf Stufen 129 auf.
Mittels des Schwingungsgenerators 109 werden Schwingungen in dem Wasser 119 angeregt, welche frequenzselektiv an den Tannenbaumstrukturen 127 mit den Stufen 129 reflektiert und durch konstruktive Interferenzen verstärkt werden. Durch diese Reflexion und Verstärkung der Schwingungen werden die Wassermoleküle im Wasser 119 in einen Anregungszustand zusätzlich zu einer geringeren Anregung durch den Schwingungsgenerator 109 gebracht. Dies führt zu einer leichteren Aufspaltung der Wassermoleküle mittels der Anode 111 und der Kathode 113 und somit zu einer effizienteren Elektrolyse. Folglich werden größere Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff jeweils durch das jeweilige Gasableitrohr 117 um die Anode 111 und die Kathode 113 abgeleitet.
In einer Alternative der Anregungsvorrichtung 101 weist ein Reaktionsreaktor 103 einen Einwegspiegel 123 zum Durchtritt von Licht und an seiner gegenüberliegen Innenwand 105 eine geschuppte mikrostrukturierte Oberflächenstruktur 107 auf. Auf der Seite des Einwegspiegels 123 ist außen eine Lichtquelle 121 angeordnet. Der Reaktionsreaktor 103 ist mit Wasser 119 gefüllt. Im Wasser 119 sind wiederum eine Anode 111 und eine Kathode 113 umgeben in ihrem oberen Bereich jeweils von einem Gasableitrohr 117 angeordnet. Die Anode 111 und die Kathode 113 sind wie oben beschrieben mit einer elektrischen Spannungsversorgung 115 verbunden.
Der Einwegspiegel 123 schließt direkt den Reaktionsreaktor 103 in einer Richtung zu der Lichtquelle 121 ab. Von der Lichtquelle 121 ausgestrahltes Licht tritt durch den Einwegspiegel 123 durch. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen regen direkt die Wassermoleküle an und werden an der geschuppten, mikrostrukturierten Oberflächenstruktur 107 reflektiert und konstruktiv mittels Interferenzen verstärkt. Dadurch wird die Frequenz und/oder die Amplitude der elektromagnetischen Wellen erhöht. Hierbei findet die Verstärkung der konstruktiven Interferenz in Abhängigkeit von der jeweiligen optischen Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen im Verhältnis zu der jeweiligen Stufenbreite der Schuppen als Stufen statt, auf welche die jeweilige elektromagnetische Welle auftrifft. Dadurch können gezielt einzelne Wellenlängen verstärkt oder durch destruktive Interferenz geschwächt werden.
Durch diese frequenz- und/oder wellenlängenselektive Reflexion und das konstruktive Interferieren werden die H₂O-Bindungen erneut angeregt. Zudem werden die elektromagnetischen Wellen an der Innenseite des einseitig nur von außen nach innen durchlässigen Einwegspiegel 123 in das Wasser 119 zurück reflektiert, treffen erneut auf die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur 107 auf der gegenüberliegenden Innenwand 105 und werden erneut selektiv reflektiert und durch konstruktive Interferenzen verstärkt. Dieser Vorgang der Reflexion an der mikrostrukturierten Oberflächenstruktur 107 und an dem gegenüberliegendem Einwegspiegel 123 wiederholt sich fortlaufend. Dadurch werden die chemischen Bindungen in den Wassermolekülen sehr effizient angeregt und gespalten, wodurch wie oben beschrieben der Elektrolysevorgang an der Anode 111 und der Kathode 113 verstärkt und somit die Elektrolyseeffizienz verbessert wird. Wie oben beschrieben werden dadurch über die Gasableitungsrohre 117 eine größere Menge an produzierten Sauerstoff und Wasserstoff abgeführt als ohne die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur 107 in dem Reaktionsreaktor 103.
Bezugszeichenliste

101: Anregungsvorrichtung
103: Reaktionsreaktor
105: Innenwand
107: Mikrostrukturierte Oberflächenstruktur
109: Schwingungsgenerator
111: Anode
113: Kathode
115: Spannungsversorgung
117: Gasableitrohr
119: Wasser
121: Lichtquelle
123: Einwegspiegel
125: Durchlassrichtung
127: Tannenbaumstruktur
129: Stufe
131: Spitze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4238952 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (101) zum Anregen und/oder Aufspalten von chemischen Bindungen, wobei die Vorrichtung (101) einen Reaktionsreaktor (103) mit einem Fluid (119) und eine Anregungsquelle (109, 121) zum Anregen von elektromagnetischen Wellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenoberfläche (105) des Reaktionsreaktors (103) zumindest teilweise eine mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) aufweist, sodass die angeregten elektromagnetischen Wellen mittels der mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) frequenzselektiv reflektierbar und/oder verstärkbar sind.
Vorrichtung (101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) in einer ersten Raumrichtung mindestens eine Stufe (129) aufweist.
Vorrichtung (101) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) in der ersten Raumrichtung eine zweite Stufe, eine dritte Stufe, eine vierte Stufe und/oder weitere Stufen (129) aufweist.
Vorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) in einer zweiten Raumrichtung eine Stufe, zwei Stufen oder mehrere Stufen (129) aufweist.
Vorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) mehrere voneinander beabstandete Erhebungen aufweist.
Vorrichtung (1019 nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberflächenstruktur (107) mehrere voneinander beabstandete Vertiefungen aufweist.
Vorrichtung (101) nach einem der Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren voneinander beabstandete Erhebungen jeweils eine Tannenbaumstruktur (127) aufweisen, wobei eine Spitze (131) der Tannenbaumstruktur (127) in den Reaktionsraum (103) hinein gerichtet ist.
Vorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle (109, 121) außerhalb und/oder innerhalb des Reaktionsraums (103) eine Strahlungs- und/oder Schwingungsquelle ist.
Vorrichtung (101) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (101) eine Anode (111) und eine Kathode (113) mit einer zugeordneten Spannungsversorgung (115) aufweist.
Vorrichtung (101) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise um die Anode (111) und/oder die Kathode (113) jeweils ein Gasableitungsrohr (117) angeordnet ist.