ZACplus Citizen-Science Workshop vom 07.11.2025
Ort: hybrid, OpenEcoLab Rahden und Berlin.
Teilnehmer: 2
1. Testlauf der neuen Kammer
Dieser Testlauf war ein Misserfolg. Nach rund 20 Minuten ist die Kammer quasi "agesoffen", d.h. mit ELektrolyt vollgelaufen.
Dazu ein paar Anmerkungen zur Analyse:
Allerdings glaube ich das das aktuelle Absauf-Problem bei uns anders gelagert ist. Denn da ist tatsächlich die Kammer, welche eigentlich mit Luft gefüllt sein sollte, bis oben hin mit Wasser vollgelaufen ... aehm , bzw. mit Elektrolyt. Es scheint sich hier also wirklich um ein mechanisches Problem zu handeln.
Dafür gibts m.E. zwei Möglichkeiten:
1. es hat etwas mit den Dichtungen zu tun ... zB. dass durch die Klemmen nicht genug Kraft ausgeübt wird um die Dichtungen so aufeinanderzupressen das sie wirklich dicht sind.
2. Das Wasser ( ich meine natürlich der Elektrolyt) kommt durch die Wand.
Der Punkt ist, wir können nicht mit PLA drucken weil das nicht Laugen-resistent ist ... wie wir durch eine entsprechende Testreihe ja auch gezeigt hatten und ebenfalls, das ABS oder ASA ok sind. Diese Filamente haben aber das Problem des "warping", nämlich, das gedruckte Teile dazu neigen, das sich die Ecken hochbiegen aufgrund innerer Spannungen . Manche Geometrien, wie insbesondere sehr große und flache Teile sind da besonders anfällig für.
Und es hängt auch davon ab, mit welcher Fülldichte gedruckt wird.
Ich hatte in unserem Fall zunächst mit nahezu 100% Fülldichte gedruckt ... und es hat ganz fürcherlich gewarpt ... so sehr, das sich die Teile schon während des druckens vom Heatbed ablösten. Im Endeffekt habe ich es dann mit 15% oder 20% Fülldichte gedruckt und damit geschafft das warping zu umgehen.
Aber es kann sein, dass dies der Grund ist, warum die Wände nicht richtig dicht sind. Ein Gefäss wirklich wasserdicht zu drucken ist kein ganz triviales Thema beim 3D-Druck. However, man könnte versuchen, einen sweetspot zu finden, wo die Fülldichte in % noch hoch genug ist um dicht zu sein, aber gleichzeitig das warping auch noch zu ertragen ist, o.ä.
Dieses Foto zeigt die vollgelaufene Luftkammer, mit einer verbleibenden kleinen Luftblase links oben
2. Testlauf der neuen Kammer
Naechdem meine Kammer abgesoffen war hatte ich mir die von Utty geliehen. Bei der konnte man quasi dabei zusehen wie sie voll Wasser oder besser Elektrolyt lief. Was vielleicht auch für die Variante 1 sprechen könnte, also ein Dichtungsproblem
Weiterer Testlauf zur Verifizierung
Hier eine kurze Videosequenz davon auf Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=qR5ljvlLAmI
Analyse
Um fürderhin rein sprachlich zwischen absaufen und absaufen zu differenzieren würde ich vorschlagen, diese Art als "mechanisches absaufen" zu definieren.
Das scheint mir ein typisches ingenieurstechnisches Problem zu sein, welches aber im Prinzip lösbar ist.
Und, um das nochmal zu unterstreichen, es gibt noch einen weiteren Grund der debuggingtechnisch dafür spricht das es sich um "mechanisches absaufen" handelt, nämlich den, das es in dem früheren Setup vom vorigen Prototyp dieses Problem nicht gab ... es ist aber im Grunde die gleiche Sache, nur das wir beim neuen Prototyp eine "inside-out" Konfiguration haben, aber die Phasengrenzen sind die gleichen. Grundsätzlich ist aber die von Dir angedeutete Form des "absaufens" in wissenschaftlicher Hinsicht für uns die interessantere bzw. die, die wir im Auge behalten müssen und die auch Gegenstand unserer wissenschaftlichen Fragestellung (Faktoren welche die Lebensdauer der Gaskathode begrenzen) sind.
Ich habe nämlich in der Literatur dazu Hinweise gefunden, das ein absaufen der Gaskathode im Sinne einer allmählichen Durchdringung zum einen eine "natürliche" Lebensdauer-Begrenzung sein kann, ... aber auch, das dies sehr unterschiedlich sein kann und mit sehr unterschiedlicher Lebensdauer einhergehen kann.
D.h., im Extremfall könnte es sich nur um wenige Stunden handeln ... andererseits könnte der Range auch bis mehrere tausend Stunden gehen (was für uns wünschenswert wäre).
Letzlich hängt es wohl davon ab, welches chemische System für welchen Anwendungsfall genau eingesetzt wird, d.h. so eine Gaskathode wird zB. auch in einer Anwendung mit Elektrolyseuren eingesetzt, was aber ganz andere chemische Abläufe sind.
Im übrigen, ein Punkt, oder sagen wir mal, ein Indiz, welches mir in unserem Anwendungs-Fall diesbezüglich etwas Hoffnung gibt:
Die klassische Zink-Luft-Batterie.
Wird üblicherweise aufgrund ihrer hohen Energiedichte in Hörgeräten eingesetzt, oder zB. auch in Herzschrittmachern. Man möchte halt den Patient nicht alle paar Tage operieren um die Batterie zu wechseln.
Also, da hälts auf jedenfall auch etliche Wochen ohne das die Gaskathode absäuft, damit haben wir schonmal zumindest einen Beleg, das es irgendwie geht.
Drei-Phasen-Grenze
Um nochmal auf Deine Folie einzugehen: Dort sind alle möglichen Fälle bzw. Varianten aufgelistet, aber bei uns ist nicht die Luftfeuchtigkeit an sich der relevante Faktor, sondern es geht um den Aufbau einer sog. "DreiPhasenGrenze":
Dort, wo drei Phasen, nämlich die feste Phase (der Kohlenstoff, als Stromsammler), die flüssige Phase (der Elektrolyt) und die gasförmige Phase (der Luftsauerstoff) aufeinandertreffen, findet die eigentliche Magie, also die Reaktion statt.
Je besser es also ein beliebiger Typ von Gaskathode von seinem konstruktiven bzw. strukturellen Aufbau her schafft, diese Bedingung quantitativ möglichst großflächig zu erzeugen bzw. zu gewährleisten, umso besser der Wirkungsgrad der Zelle.
Die modernen Gaskathoden die wir heute verwenden, sind darin schon ziemlich gut. Früher gab es andere Typen, die aufwendiger in der Herstellung und leistungsärmer waren.
Die aktuellen Typen funktionieren so: Kohlenstoffpulver wird mit PTFE gemischt. PTFE ist Teflon und das am stärksten hydrophobe Material überhaupt. Die Mischung wird erhitzt und auf ein Nickel-Gitter gepresst. Dabei schmilzt das Teflon etwas und wirkt somit innerhalb des Gemisches auch als Bindemittel. Ausserdem wird von aussen noch ein dünne PTFE-Membran ebenfalls unter Erhitzung aufgepresst, welche allerdings Sauerstoffdurchlässig ist. Damit kann dann unterm Strich Sauerstoff von aussen nach innen eindringen und das bis zu einer gewissen Tiefe, innerhalb der Membrandicke. Umgekehrt kann der flüssige Elektrolyt ebenfalls von der inneren Seite ein Stück weit in die Membran eindringen, wird dann aber durch die hydrophoben Eigenschaften des PTFE-Bindemittels irgendwann gebremst und aufgehalten und zur Sicherheit gibts noch ganz aussen die PTFE-Folie ... es muss auf jedenfall verhindert werden, das der Elektrolyt nach aussen dringen kann.
Joa, und dieses so hinzubekommen oder gar zu optimieren ist damit im Endeffekt eine Frage des genauen Mischungsverhältnisses zwischen dem PTFE-Pulver und dem Kohlenstoffpulver, man muss halt mal mehrere Mischungen durchprobieren und sich dann an das Optimum möglichst gut herantasten.
Das ist für uns im Moment noch nicht so relevant da wir käufliche Gaskathoden verwenden, aber wenn alles andere funktioniert wäre es Phase 3, sich damit zu befassen wie man die Gaskathoden auch selbst herstellen kann (ist jetzt noch nicht aktuell für uns, aber Siehe dazu schon mal da das nachfolgende Video, etwa ab min 3:44 https://www.youtube.com/watch?v=ZyKOzVrc7lo).