Unipolare Aufladung nanoskaliger Aerosolpartikeln bei hohen Ladungsträgerdichten

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Der Autor untersucht die Thematik der unipolaren Aerosolaufladung detailliert, sowohl hinsichtlich der Aufladephysik als auch mit Blick auf die Effizienz von Nanoaerosolprozessen. Für neue Aerosolprozesse ist der ausgewählte Partikelgrößenbereich mit Partikeln kleiner 100 nm besonders interessant, weil solche nanoskalige Partikeln – beispielsweise als Primärpartikeln in Agglomeraten – maßgeblich die Eigenschaften des Endproduktes beeinflussen und verbessern können.
Hauptziel der Arbeit ist die Schaffung einer verbesserten Grundlage für die Auslegung von Nanoaerosolprozessen mit Partikelaufladung, mit dem aus technischer Sicht wichtigen Schwerpunkt der Aufladung bei hohen Ladungsträgerdichten. Dieses Ziel wird durch Experimente, Modellbildung und Simulation verfolgt. Die eher praxisorientierten Aspekte einerseits und aufladetheoretische Aspekte anderseits spiegeln sich in einer Zweiteilung der Arbeit wieder: Im ersten Teil der Arbeit werden Methoden zur Bewertung von unterschiedlichen Aufladertypen sowie unterschiedlicher Aufladerbetriebsweisen entwickelt und angewendet. Hier steht das in der Praxis anzutreffende, stets endliche Verhältnis von Aufladung zu (meist unerwünschter) Partikelabscheidung an Wänden im Vordergrund. Dagegen beinhaltet der zweite Teil eine umfassende theoretische Aufarbeitung der Aufladetheorie. Lücken dieser Theorie werden identifiziert und anhand neuer Modellvorstellungen geschlossen. Schließlich werden die resultierenden Modellvorhersagen für Partikelaufladung sowie Partikelverlust anhand einer Parameterstudie überprüft, wofür eigens eine neue experimentelle Strategie entwickelt wurde.
Die zentralen Erkenntnisse betreffen unter anderem die überragende Bedeutung von Art und Stärke des elektrischen Feldes, das in der Aufladezone wirkt. Es zeigt sich, dass eine geeignete Wahl dieses Designparameters sowohl zu maximierter Aufladung, als auch zu minimierten Partikelverlusten führt. Über einen weiten Bereich werden die Vorstellungen des neuen Auflademodells bestätigt, daneben aber auch dessen Grenzen aufgezeigt. Zudem legen die Aufladeversuche mit negativer Polarität nahe, dass hier auch Aerosolaufladung durch freie Elektronen stattfindet. Dieser gegenüber der klassischen Vorstellung von der Aufladung (alleinig) durch Ionen effizientere Auflademechanismus hat für das Maximieren der Ladungen auf Partikeln in elektronegativen Gasen (hier in Luft) ein weitaus größeres Potential als bislang angenommen.

Stichwörter:
unipolare Aerosolaufladung, Nanopartikeln, Elektrostatik, Aufladetheorie, Aufladertechnik