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VDI-GESELLSCHAFT VERFAHRENSTECHNIK UND CHEMIEINGENIEURWESEN

ChemCar

Quelle: Dechema/Haas

Die Veranstaltung

Ziel des ChemCar-Wettbewerbs ist es, ein Modellfahrzeug zu konstruieren, das durch eine oder mehrere (bio)-chemische Reaktion(en) angetrieben wird. Hierbei genügt es jedoch nicht, das schnellste Auto zu entwerfen und zu bauen! Gefragt ist Präzision, da eine kurz vor dem Rennen ausgeloste Distanz möglichst genau gefahren werden muss. Dabei muss ein Zusatzgewicht von bis zu 30 % des Fahrzeugeigengewichtes transportiert werden. Jedes Team hat zwei Versuche, von denen der Beste gewertet wird. Neben Präzision wird auch Konstanz über die beiden Läufe belohnt. So werden Zusatzpunkte vergeben, wenn es einem Team gelingt, in beiden Läufen weniger als 10 % Abweichung zur Zieldistanz zu erreichen. Ebenso wichtig wie das Rennergebnis ist ein innovatives Konzept und dessen Präsentation beim Posterwettbewerb. Zum Wettbewerb werden die acht Teams durch die Jury nominiert, welche die innovativsten und vielversprechendsten Konzepte einreichen. Die besten Teams erhalten die folgenden Preise:

1. Platz: 2000 € und den ChemCar-Pokal
2. Platz: 1000 €
3. Platz: 500 €

Die wichtigsten Daten in der Zusammenfassung:

  • Bei der Posterpräsentation kommt es auf die Innovation beim Konzept, dessen Umsetzung und Präsentation an.
  • Beim Rennen muss eine bestimmte Distanz mit einem definierten Zusatzgewicht zurückgelegt werden.
  • Rennen und Posterpräsentation gehen zu gleichen Teilen in die Gesamtwertung ein.

An dieser Stelle möchten die kjVI sich herzlich bei den Sponsoren bedanken, ohne die die Veranstaltung dieses Wettbewerbs nicht möglich ist!

Der ChemCar-Wettbewerb 2019

Der diesjährige Wettbewerb findet am 04.11.2019 auf der PAAT 2019 in Dortmund statt. Die wichtigen Termine in diesem Jahr sind:

  • Registrierung und Konzepteinreichung: 24.04.2019
  • Nominierungsbescheid: 15.05.2019
  • Einreichung des Sicherheitskonzeptes: 05.08.2019
  • Revision des Sicherheitskonzeptes: 07.10.2019
  • Posterpräsentation und Rennen: 04.11.2019

Hier findet Ihr auch die in diesem Jahr gültigen Regeln und Vorlagen. Der Leitfaden zur Erstellung des Sicherheitskonzeptes wird derzeit noch überarbeitet und folgt so bald wie möglich.

Konzeptvorlage de / eng
Certification Pages and Safety Analysis
Set of Rules 2019
Safety Rules 2019
INBUREX Leitfaden Sicherheitstechnik de / eng
INBUREX Unterweisung de / eng

Teams ChemCar 2019

Konzept der RWTH Aachen ExzentriCar für den ChemCar Wettbewerb 2019

Das ExzentriCar nutzt Federn mit Formgedächnislegierung, um Wärmeenergie in Rotationsenergie umzuwandeln. Die Federn sind zwischen dem blauen Außenrad und dem roten Innenrad eingespannt, ziehen sich bei Erhöhung der Temperatur zusammen und erzeugen dadurch eine Zugkraft.

Da die beiden Räder exzentrisch zueinander gelagert sind und die Kraftentwicklung in der warmen Unterseite höher ist als in der kalten Oberseite ergibt sich ein Drehmoment. Durch das Drehmoment werden die beiden Räder in Bewegung gesetzt und treiben über einen Riemen das Fahrzeug an.

Das Außenrad hängt zur Hälfte in einem Becken, das beim Start von einer warmen wässrigen Lösung geflutet wird. Die Lösung wird durch Mischen von Säure und Base durch die exotherme Neutralisationsreaktion erhitzt. Ein kontinuierlicher statischer Mischer in Zulaufschlauch führt zu einer homogenen Vermischung. Durch die ablaufende exotherme Neutralisationsreaktion erwärmt sich die Lösung und liefert die Energie für den Antrieb.

Der Stoppmechanismus wird in einem separaten externen Behälter durch das Auflösen von Brausetabletten gestartet. Über den Brausetabletten befindet sich eine Wasser-Ethanol-Mischung, welches durch das Auflösen freigegeben wird. Das freigegebene Wasser bewirkt durch seine Gewichtskraft das Öffnen einer Lochblende, wodurch die Lösung im Becken abfließen kann und die Wärmequelle nicht mehr vorhanden ist.

Die zu fahrende Strecke wird über das Ethanol-Wasser-Verhältnis eingestellt. Die Fahrzeit steigt mit dem Ethanolanteil, da die Tablette nur mit dem Wasser reagiert.

Teammitglieder: Leon Winkler, Tim Hoehs, Samuel Kieling, Mohamed Al-Khatib, Paul Westerfeld, Philipp Kloust, Raphael Seidenberg

Konzept vom Team Bär-OH von der TU Berlin für den ChemCar Wettbewerb 2019

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist ein Energieumwandlungsprozess, welcher ein großes Nutzungspotential bietet. Dieser Prozess ist jedoch noch nicht weitläufig bekannt und soll mit dem ChemCar neue Aufmerksamkeit erhalten. Das Team Bär-OH nutzt in seinem ChemCar Wärmeenergie aus einer exothermen Reaktion (Neutralisationsreaktion), die erst in elektrische und anschließend in kinetische Energie umgewandelt wird. Das Konzept beruht auf dem Seebeck-Effekt, welcher durch einen thermoelektrischen Generator (TEG) ausgenutzt wird. Dabei wird durch eine anliegende Temperaturdifferenz am TEG ein Spannungspotential erzeugt. Dieses treibt dann den Motor des Fahrzeugs an. Um eine reproduzierbare Reichweite einstellen zu können, wird als Stoppreaktion auf das Prinzip der zeitlich verzögerten Reaktion einer Ioduhr zurückgegriffen.

Teammitglieder: Dario Staubach, Mathias Baumgart, Felix Febrian, Philipp ter Schiphorst

Konzept der TU Dortmund CrystALizAIR für den ChemCar Wettbewerb 2019

Hohe Sicherheitsanforderungen und Innovativität bilden die Grundlage für das diesjährige ChemCar-Konzept der TU Dortmund. Das ausgewählte Konzept beinhaltet separate Module für Antrieb und Stopp des CrystALizAIRs. Mittels einer elektrochemischen Reaktion in einer Aluminium-Luft Batterie wird Strom für den Antrieb eines Elektromotors erzeugt. Der Stoppmechanismus basiert auf der Kristallisation von Natriumacetat zu Natriumacetat-Trihydrat längs eines transparenten Rohres. Das ChemCar fährt los sobald der gebildete Kristall die erste Lichtschranke passiert und bremst sobald dieser eine zweite Lichtschranke erreicht.

Teammitglieder: Marlon Dziennus, Laura Marsollek, Henrik Minten, Lisa Steinwachs, Alexander Thierfelder, Johanna Topphoff, Marc Völkenrath

Concept Summary from Amirkabir University of Technology

Amirkabir is an austere car at the first glance but an advanced one when you painstakingly examine it. Simple parts and plain structure, but a heart (battery) full of energy. This car is designed and assembled by a research group from Amirkabir University of Technology which utilizes a mixture of chemical compounds for the first time to operate and a designed chassis with dimensions of 34*17 cm. Chemical compounds and the overall reaction is elaborated as follows:

Overall reaction:

Zn +2Ni,Co,Mn O(OH) + 2H2O→ Zn(OH)2 + 2Ni,Co,Mn (OH)2           E=1.8V

For this battery, direct and constant current can’t be used because the structure of compounds would be ruptured, therefore we use cyclic electrical circuit charger for charging battery before we start. After charging process, the battery would be separated from charger and we connect it to the car. Its breaking mechanism is the discharge of the battery itself and certain concentration of reactant and certain charging mechanisms specifies each distance. Hard pastes of materials will be applied on a stainless-steel current collector and the battery would be charged just before competition. With plexiglass and bolts we assembled its battery and the main structure of the car.
This is a thumbnail sketch of our car but we are eager to introduce real potentials of this car in the ChemCar competition.

All the best, Amirkabir research group, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.

Teammitglieder: Mostafa Keshavarz Moraveii, Faramarz Dehdar, Arash Namaei Ghasemi, Ali Salimi,Seyed Mohammad Amin Ojagh, Hosein Fazelian, Amirhossein Filsouf, Mohammadmahdi Keshavarz Moraveji

Mit freundlicher Unterstützung von:

Der ChemCar-Wettbewerb wird organisiert von:

Rückblick ChemCar 2018

„Carl das Große“ vom Team NichtNurTheoretiCAR

Das Grundprinzip der Energieumwandlung des ChemCars basiert auf der Wirkungsweise des Stirling Motors. Diese Wärmekraftmaschine wandelt den Temperaturunterschied zwischen einem warmen und einem kalten Reservoir teilweise in mechanische Energie um.  Dabei werden die Erhöhung bzw. Senkung der Temperatur im jeweiligen Reservoir durch chemische Reaktionen hervorgerufen.  Im kalten Reservoir wird Harnstoff in Wasser gelöst, wodurch sich dort die Temperatur auf nahe 0°C verringert.  Im warmen Reservoir findet die Reaktion von Calciumoxid in Wasser statt, die zur Bildung von Calciumhydroxid und Temperaturen bis zu 100°C führt.  Durch einen Kreisprozess, bestehend aus einer isothermen Kompression, isochoren Erwärmung, isothermen Expansion und isochoren Abkühlung wird die Energie des Temperaturpotential in mechanische Energie zur Fortbewegung des ChemCars umgewandelt. Das Stoppen und damit die zurückgelegte Weglänge des ChemCars wird durch eine weitere chemische Reaktion gesteuert. Dabei handelt es sich um die Reaktion von Iodat mit Disulfit, bei der elementares Iod gebildet wird. Dieses bildet mit der zugegebenen Stärke eine dunkelblau bis schwarz gefärbte Lösung. Allerdings tritt dies erst nach einer Verzögerung ein, wobei die Dauer der Verzögerung durch die Konzentrationen der Edukte beeinflusst werden kann. Der Farbumschlag wird mittels einer Diode detektiert. Dies löst eine Pumpe aus, welche das kalte und warme Reservoir mit Wasser durchspült. Daraufhin hält der Stirlingmotor an, da das treibende Temperaturpotential zu gering wird.

Teammitglieder: Ali Ahmed, Daniel Auth, Nils Bues, Johannes Hahmann, Boris Schüpp, Yannick Tschauder, Julius Walorski und der Betreuer Maik Tepper

TU Dortmund – Alte Rostlaube

Das diesjährige Konzept der TU Dortmund steht unter dem Motto Korrosion. Der Korrosionsprozess ist in der Industrie eine zu vermeidende Reaktion, da diese zu Beschädigungen führen kann. Unser Team möchte diesen Prozess nutzen, um mittels Korrosion kontrolliert die gefahrene Distanz des ChemCars einzustellen. Dazu werden in einem Reaktor mehrere dünne Kupferdrähte mit Salpetersäure korrodiert. Diese Reaktion dient als Abbruchreaktion für eine Stromquelle. Dabei kann die Geschwindigkeit der Korrosionsreaktion über die Konzentration der Salpetersäure eingestellt werden und somit auch die Distanz des ChemCars. Als Stromquelle dient eine Batterie nach dem Konzept der Voltasäule. Bei einer Voltasäule werden Kupfer und Zinkbleche verwendet, um einen Stromfluss zu generieren. Das Batteriekonzept wurde von uns übernommen und verbessert. Als Antrieb für das ChemCar wird ein Elektromotor genutzt, welcher den elektrischen Strom in kinetische Energie umwandelt.

Teammitglieder: Tobias Conen, Sebastian Derkum, Cedric Küpper und der Betreuer Felix Funke

Turbine HAW

Das Antriebskonzept des Galaxy Shooters basiert auf einem Schaufelrad, welches mit Druckwasser angetrieben wird. Eine Reaktion, wie sie auch in Brausetabletten abläuft, erzeugt den für die Beschleunigung des Wassers benötigten Druck.
Die chemische Reaktion, die in unserem druckfesten Reaktor abläuft, ist eine alltägliche Reaktion von Backnatron mit Citronensäure. Das entstehende Kohlenstoffdioxid drückt Wasser aus einem Vorratsbehälter durch eine Düse, welche auf die Schaufelräder der Turbine gerichtet ist.

NaHCO3 + C6H8O7 → Na+ + H2O + C6H7O7- + CO2

Für dieses Projekt wurden viele Bauteile mit einem 3D-Drucker realisiert. So wurden nicht nur das Schaufelrad sowie die Düse damit gefertigt, auch beim Fahrwerk fand dieses System Anwendung.
Das Design der Düse ist einer Pelton-Turbine nachempfunden, welche gerade bei weiten Fahrtdistanzen mehr Energie für die Vorwärtsbewegung bereitstellen kann.

Teammitglieder: Paul Töllner, Lea Tiedemann, Patrick Biedinger, Sabile Zumberi, Marianne Kronsbein, Felix Peschutter, Vico Hölk

Smarttrons is a prototype of ChemCar from Universitas Negeri Semarang, Indonesia which has the car dimension of  46   27   29 cm. Smarttrons uses aluminum as a chassis and supported by four wheels. The car powered by the pressure of carbon dioxide gas generated when sodium bicarbonate reacts with acetic acid. The reaction equation takes place as follows:

NaHCO3 (s) + CH3COOH(aq) → CO2(g) + CH3COONa(aq) + H2O(l)

The pressurized gas as a driving force then converted to mechanical energy using a pneumatic system. The stopping mechanism of the car occurred once the reaction was completed. The reaction occurs in a pressure vessel reactor which has three nozzles consists of the first nozzle as connected part with temporary chemical storage for acetic acid, the second nozzle as a safety valve and the third nozzles as a place for pressure regulator and filter.

Carbon dioxide gas stored in a pressure vessel reactor. The pressurized gas is regulated downstream through a pressure regulator before released to the pneumatic system. Roller valve supports the gas to generate a back and forth motion in pneumatic stroke. This reaction also forms foams that consist of gas and water. A filter is assembled next to a regulator to separate gas and water.  The stopping mechanism in this car depending on the amount of sodium bicarbonate and the volume of acetic acid. The concentration of acetic acid is fixed at 2.5 M. The car will stop when sodium bicarbonate is completely reacted. Thus, there is no additional stopping mechanism system is required in this car.

Teammitglieder: Waliyuddin Sammadikun, Purbo Tri Prakoso, Deni Tri Wahyudi, Hanifah Nur Aini

This year our team decided to design a vehicle powered by a pressure engine.

The car is a platform on wheels and the installation consists of two stainless steel tanks and other stainless-steel fittings. There are four separate valves that are designed for filling the tanks with reagents and one for draining the residues after the reaction. There is also a safety valve which will be used in the case of an emergency. The gases generated in the reaction will be transferred to the steam engine also located on the platform through a Teflon hose. The engine is connected to the gears that moves the wheels. For safety reasons installation is provided with a manometer.

The vehicle is powered by the reaction occurring between an acidified solution of sodium ethanedioate and potassium manganate (VII), which serves as the catalyst. Carbon dioxide is produced during the reaction and then transmitted to the steam engine that drives the wheels.

Reaction equation is following:

2KMnO4 + 5Na2C2O4 + 8H2SO4  K2SO4+ 2MnSO4 + 5Na2SO4 + 8H2O + 10CO2

There is no separate braking mechanism. The vehicle is stopped following the depletion of substrates, which brings about a simultaneous pressure drop in the steam engine. The calibration is based on measuring the covered distances and their relation with the amounts of reactants.

Das Team der DHBW Mannheim geht dieses Jahr mit der LoChemotive an den Start. Die mit Chemie betriebene Lokomotive besitzt ein 3D-gedrucktes Chasis und nutzt die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid als Antrieb. Wir greifen den Klimakiller des 19. Jahrhunderts auf und machen ihn zum ChemCar der Zukunft mit einem transparenten Schornstein, aus dem weder Dampf noch Ruß ausgestoßen, sondern Wasserstoffperoxid zur sauberen und sicheren Reaktion eingefüllt wird.

Bei der Katalyse zersetzt sich H2O2 zu H2O und O2. Der Sauerstoff wird in den Motor geleitet und generiert das Drehmoment. Die Wahl für den Motor fiel hierbei auf einen pneumatischen Kolbenmotor. Durch eine Nebenreaktion entsteht Chlorwasserstoff, welches durch die wasserbefüllte Abgasreinigung in Lösung gebracht wird. Die dadurch entstehende schwache Salzsäure kann nach dem Betrieb leicht neutralisiert werden.

Teammitglieder: Klaus Benitz, Marvin Bart, Markus Ketterer, Patrik Molitor, Inga Müller, Tim Wehberg

Da wir ein neu gegründetes Team sind und daher noch keine Erfahrung im ChemCar-Wettbewerb besitzen, haben wir versucht, das Auto nach dem KISS(Keep It Simple and Stupid)-Prinzip zu designen. Daher besteht die Idee, dass wir auf vorerst auf bekannte Systeme zurückgreifen und die Energiequelle von der Stoppreaktion abkoppeln.

Aufgrund des Forschungsbereichs der erneuerbaren Energien der Universität Ulm haben wir uns für eine Brennstoffzelle als Energiequelle entschieden. Aus Sicherheitsgründen kamen wir zu dem Schluss, dass eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) die beste Wahl wäre, da eine brennbare Flüssigkeit im Umgang einfacher und gefahrloser ist, als ein hochreaktives Gas wie Wasserstoff. Zudem wird der Bedarf an unter Druck stehenden Apparaturen umgangen. Als Antrieb fungiert ein Gleichstrommotor.

Für die Stopp-Reaktion haben wir uns für die seit dem 19. Jahrhundert bekannte Landoldt-Reaktion entschieden. Dabei handelt sich um eine Zeitreaktion, die einen schlagartigen Farbumschlag aufweist. Durch die Veränderungen der Konzentrationsverhältnisse kann der Farbumschlag zeitlich variiert werden. Die Transmission, welche auch im IR-Bereich beeinflusst wird, wird über eine Photodiode gemessen. Ein Komparator vergleicht nun den Ausgang der Diode mit einer Referenzspannung und schaltet dann ein Relais, welches dem Motor die Stromversorgung abstellt.

Durch diese getrennten Reaktionen kann das Verhalten der Stopp-Reaktion und der Brennstoffzelle separat voneinander untersucht werden. Die Festlegung der Fahrstrecke erfolgt durch vorheriges Kalibrieren der Stopp-Reaktion.

Teammitglieder: Pascal Wörle, Benjamin Hämmerle, Christian Wolf, Sarah Hoffmann, Jonas Tetzloff, Kerstin Albers, Daniel Schumacher und dem Betreuer Jens Friedland

Dr. rer. nat. Ljuba Woppowa
Ihre Ansprechpartnerin

Dr. rer. nat. Ljuba Woppowa

Geschäftsführerin der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen