Saubere Luft und sauberes Wasser sind von grundlegender Bedeutung für die Gesundheit und Lebensqualität von Mensch und Tier. Filter helfen bei der Reinigung dieser lebenswichtigen Elemente. Sie säubern die durchströmende Luft, beziehungsweise das hindurchfließende Wasser und sind somit ein wichtiger Aspekt im Umweltschutz. Oft jedoch erzielt das Filtermaterial nicht die gewünschte Leistung. Partikel bleiben zurück, die eigentlich herausgefiltert werden sollten oder das Filtermaterial erzielt das gewünschte Ergebnis nur mit einem erheblichen Energieaufwand. Hier setzt das Forschungsprojekt Bionische Filter (BiFi) von Projektleiterin und Professorin im Studiengang Verfahrens- und Umwelttechnik, Jennifer Niessner an. Ziel des Projektes ist die Entwicklung intelligenter bionischer Filter nach dem Vorbild biologischer Funktionen.
Wie in der Natur ergibt sich in BiFi die optimale Geometrie der Filter als Antwort auf ein Optimierungsziel. So wie sich die typische Fischform im Laufe der Evolution als die Form ergeben hat, mit der sich ein Fisch mit dem geringsten Energieeinsatz fortbewegen kann, so wird in BiFi ein Optimierungsziel für die Geometrie des Filters formuliert: minimaler Energieaufwand bei maximaler Abscheideleistung.
Die Geometrie des Filters passt sich also diesen Zielen an und ergibt sich aus ihnen. Eine Einschränkung, dass in den Filtergeometrien etwa nur Fasern mit kreisförmigem Querschnitt vorkommen dürfen, gibt es dadurch nun nicht mehr.
Niessner: „Wir wollen in BiFi durch einen revolutionären Ansatz Filter intelligent machen. Die optimale Geometrie stellt sich in unseren Strömungssimulationen mit Topologieoptimierung als Antwort auf das Optimierungsziel ein. Die resultierenden Geometrien sehen wie gewachsene Strukturen aus und können dank Additiver Fertigung erstmals auch hergestellt werden. Die bionischen Filter werden bessere Abscheideleistung und Energieeffizienz haben, als alle auf dem Markt verfügbaren Produkte.“
Überprüft werden die technischen Entwicklungen in drei Leitanwendungen, nämlich in einem Luftfilter, z.B. einem Pollenfilter für Innenräume, einem Mikroplastikfilter für Waschmaschinen und einer Öl-Wasser-Membran für Kraftfahrzeuge.