AT509864B1 - Nukleationsmittel - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT509 864B1 2011-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Nukleationsmittel, wie es für das Herstellen von Kunstschnee (= technischer Schnee = Maschinenschnee) Verwendung finden kann.

[0002] Die zunehmende Klimaänderung, insbesondere Klimaerwärmung, bedingt, dass intensiv an Verfahren zum künstlichen bzw. technischen Beeinflussen der atmosphärischen Wasserdampfkondensationsprozesse und insbesondere Schneeerzeugung gearbeitet wird.

[0003] Eine der Folgen der Klimaerwärmung bedingt vermehrt negative Auswirkungen, einerseits auf Sach- und Agrargüter bei Hagelschlag und andererseits auf den Tourismus, insbesondere auf Grund unzureichender Schneemengen.

[0004] Verfahren unter Verwendung von Nukleationsmitteln (= Additive) in technischen/ künstlichen Verfahren, Regen herbeizuführen bzw. Hagel abzuwehren und die Kunstschneeerzeugung zu optimieren, sind insbesondere kritisch, da sie möglicherweise nachteilige Einwirkungen auf die Umwelt haben (beschränkte Umweltverträglichkeit) und Langzeitauswirkungen bzw. der Energiebedarf zu berücksichtigen sind.

[0005] Beim Erzeugen von Kunstschnee werden als Additive (= Nukleationsmittel) Gefrierkerne eingesetzt. Alternativ werden Kondensationskeime in wasserdampfgesättigten Wolkenformationen eingesetzt, um Hagel abzuwehren oder um Wolken zum gezielten Abregnen zu veranlassen.

[0006] Bekannt sind Gefrierkerne als Nukleationsmittel auf Basis beispielsweise gefriergetrockneter Bakterien "pseudomonas syringae", die auf Grund spezieller Proteine in der Lage sind, die Nukleationstemperatur von Wasser anzuheben. Wird dieses Nukleationsmittel (= Additiv), also das getrocknete Bakterium "pseudomonas syringae", im Schneiwasser verwendet, kann bei höheren Feuchtkugeltemperaturen eine effektive künstliche Beschneiung erfolgen, wobei dies bei höheren Temperaturen möglich ist, als bei Schneiwasser ohne Zugabe von Nukleationsmitteln. Nachteilig bei diesem Verfahren, bei dem als Nukleationsmittel (= Additiv) beim Erzeugen von technischem Schnee gefriergetrocknete Bakterien zugesetzt werden, ist, dass dieses Nukleationsmittel auf Grund seines biologischen Ursprunges nicht in allen Ländern zugelassen ist.

[0007] Es ist weiters bekannt, dass natürliche Mineralien in Staubform atmosphärische Nukleatoren für das Bilden von Tropfen/Eiskristallen in Wolken sind und dass Verunreinigungen in Form von Partikeln mineralischen Ursprungs (z.B. Gletscherschliff) im Schneiwasser das Bilden von Kunstschnee bei höheren Temperaturen fördern.

[0008] Als Kondensationskeime für das Impfen von Wolken wird in wasserdampfgesättigten Wolkenformationen üblicherweise Silberjodid eingesetzt, wobei diese Kondensationskeime aus Flugzeugen oder mit Hilfe von Hagelabwehrraketen in die Wolken gebracht werden. Nachteilig bei der Verwendung von Silberjodid für das Impfen von Wolken ist eine mögliche negative Beeinflussung von Gesundheit und Sicherheit sowie ein möglicher nachteiliger Einfluss auf die Vegetation.

[0009] Aus der DE 694 20 522 T2 ist es bekannt den Saft der Sanddornpflanzen bei der Speiseeiszubereitung zu verwenden, um höhere Herstellungstemperaturen zu erlauben.

[0010] Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Minerale, darunter auch Calziumcarbonat enthaltende Mineralien, als Nukleationsmittel zum Beilden von Eis dienen können (F. Zimmermann, M. Ebert, St. Weinbruchl and L. Schütz. "Ice-nucleating ability of the most abundant mineral dust phases in the atmosphere" European Aerosol Conference, 2007 Sept. 9th-14th, Salzburg, Special Session: UT/LS Aerosols and Clouds -Measurements and Modeling, Abstract T13A034; Zimmermann, F., S. Weinbruch, L. Schütz, H. Hofmann, M. Ebert, K. Kandier, and A. Worringen (2008), Ice Nucleation properties of the most abundant mineral dust phases, J. Geo-phys. Res., D23204, doi:10.1029/2008JD010655; Eastwood, M. L., S. Cremel, C. Gehrke, E. Girard, and A. K. Bertram (2008), Ice nucleation on mineral dust particles: Onset conditions, 1 /5 österreichisches Patentamt AT509 864B1 2011-12-15 nucleation rates and contact angles, J. Geophys. Res., 113, D22203, doi:10.1029/ 2008JD010639 und US 6 151 902 A). LF Evans. "Ice Nucleation by Amino Acids". Journal of the Atmospheric Sciences November 1966, Vol. 23, page 751-2 beschreibt Aminosäuren wie L-Leucin als Nukleationsmittel für die Eisbildung.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nukleationsmittel (= Additive) vorzuschlagen, die ausschließlich auf Stoffe zurückgreifen, die in der Natur häufig und in entsprechenden Mengen Vorkommen.

[0012] Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Nukleationsmittel, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

[0013] Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Nukleationsmit-tels sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0014] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass grundsätzlich alle natürlich vorkommenden oder auf synthetischem Weg (z.B. mit Hilfe von Fällungsreaktionen) herstellbaren Mineralien als Additive (= Nukleationsmittel) im Sinne der Erfindung zur Anwendung gebracht werden können.

[0015] Vorteil des erfindungsgemäßen Additivs (= Nukleationsmittel) ist es, dass dieses exakt in Größe, Menge und Beschaffenheit und in seiner Form an die Gegebenheiten angepasst werden kann. Dies gilt hinsichtlich Größe, Menge und Beschaffenheit für natürlich vorkommende und für synthetisch hergestellte Nukleationsmittel der Erfindung, wobei die Morphologie, also die Form, insbesondere bei künstlich hergestellten Nukleationsmitteln an die Gegebenheiten angepasst werden kann.

[0016] Mit der Erfindung werden also Nukleationsmittel zur Verfügung gestellt, die hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Korngröße, Korngrößenverteilung, Konzentration und Morphologie gezielt ausgewählt werden können. Die erfindungsgemäßen Nukleationsmittel können durch Mahl- oder Fällverfahren exakt mit den Parametern erzeugt werden, die sie für die Verwendung als Additiv (= Nukleationsmittel) geeignet machen.

[0017] Im Vorliegenden wird unter einem Mineral ein natürlich vorkommender, meist kristalliner Feststoff mit einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung und einem auf mikroskopischer Ebene gleichförmigen Aufbau verstanden. Erfindungsgemäße Mineralien können im Rahmen der Erfindung auch synthetisch mit gleicher chemischer Zusammensetzung wie das natürlich vorkommende Mineral hergestellt werden.

[0018] Insbesondere sind im Rahmen der Erfindung folgende Mineralien bzw. deren Mischungen in Betracht gezogen: [0019] Carbonate: Calciumcarbonat

Calcium-Magnesium-Carbonat (Dolomit)

Bariumcarbonat

Kaliumcarbonat

Natriumcarbonat

Magnesiumcarbonat

Strontiumcarbonat [0020] Sulfate: Calciumsulfat

Bariumsulfat

Strontiumsulfat [0021] Silikate: Kaolin

Talk

Quarzsand (Si02) [0022] Im Rahmen der Erfindung werden die als Nukleationsmittel (= Additiv) eingesetzten 2/5 österreichisches Patentamt AT509 864B1 2011-12-15

Mineralien entweder mechanisch auf eine Korngröße von 0,05 bis 5 gm zerkleinert oder sie werden, wenn sie durch Fällung erzeugt werden, durch Einhalten definierter Randbedingungen, so gefällt, dass sie im Korngrößenspektrum 0,05 bis 5 pm liegen.

[0023] Besonders in Betracht gezogen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zuletzt auf Grund von seiner Verfügbarkeit gemahlenes Calciumcarbonat einerseits und gefälltes Calciumcarbonat andererseits.

[0024] Gemahlenes Calciumcarbonat kann z.B. als Kreide, Kalkstein oder Marmor vorliegen und wird nach dem bergmännischen Abbau in mehreren Stufen trocken und/oder nass auf die erfindungsgemäß in Betracht gezogene Korngröße zwischen 0,05 und 5 pm mechanisch zerkleinert. Das so zerkleinerte Calciumcarbonat (zerkleinertes Korn) liegt mit amorpher Struktur vor, wobei die Form auf Grund des Mahlvorganges nicht signifikant beeinflusst worden ist.

[0025] Gefälltes Calciumcarbonat, das im Rahmen der Erfindung als Nukleationsmittel (= Additiv) ebenfalls bevorzugt in Betracht gezogen ist, hat gegenüber gemahlenem Calciumcarbonat den Vorteil, dass es in verschiedenen Morphologien und in einem sehr engen Korngrößenband mit hoher Reinheit hergestellt werden kann. Gefälltes Calciumcarbonat hat auch den Vorteil, dass es ohne Kontamination durch organische Substanzen hergestellt werden kann, insbesondere wenn als Ausgangsprodukt vor dem Fällprozess gebrannter Kalk verwendet wird. Bei gefälltem Calciumcarbonat kann, je nach den Ausfällbedingungen, eine der folgenden Morphologien erreicht werden: - Skalenoeder - Rhomboeder - Aragonit - Vaterit [0026] Die Kristalle können als erfindungsgemäßes Nukleationsmittel (= Additiv) dis-kret/vereinzelt oder auch in Form von Agglomeraten verwenden werden. Dabei liegen die Einzelkristallgrößen in einem in der Erfindung bevorzugten Bereich von etwa 0,05 bis 5 pm.

[0027] Bei Verwendung können die erfindungsgemäßen Nukleationsmittel mit Hilfe pyrotechnischer Hilfsmittel versprüht werden oder als Suspension im Wege einer gezielten Flüssigdosierung im Schnei-/Zulaufwasser von Schneekanonen eingesetzt werden.

[0028] Beim Herstellen von Kunstschnee (= technischer Schnee) kann mit Hilfe einer Dosierung der erfindungsgemäßen Nukleationsmittel (= Additive) in Form einer Suspension die Anzahl der Nukleationskeime je Wassertropfen genau definiert werden und somit auch eine kontinuierliche, an die Erfordernisse angepasste Menge gewählt werden, die auf die jeweils gegebenen Verhältnisse einstellbar ist. So kann auch der Verbrauch an Nukleationsmittel gemäß der Erfindung optimiert werden.

[0029] Im Falle des Erzeugens von Kunstschnee (= technischer Schnee) kann das erfindungsgemäße Nukleationsmittel in allen Schneeerzeugungsgeräten, wie Schneilanzen oder Propellermaschinen, eingesetzt werden.

[0030] Da im Rahmen der Erfindung natürlich vorkommende Mineralien (auch wenn sie synthetisch erzeugt worden sind) verwendet werden, ist eine Gefährdung oder negative Beeinflussung von Flora und Fauna ausgeschlossen.

[0031] Im Rahmen der Erfindung ist die Wirkung der Nukleationsmittel als Nukleationskeime erhöht, da diese mit einer Beschichtung mit L-Leucinverwendet werden.

[0032] Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Nukleationsmittel zum Erzeugen von Kunstschnee ist noch, dass das Schneevolumen gesteigert, die Kunstschneequalität verbessert und/oder der Wasser-/Energieverbrauch verkleinert werden kann.

[0033] Versuche mit einer Propellerschneekanone, bei denen mit L-Leucin (in Pulverform) beschichtetes, gefälltes Calciumcarbonat als Nukleationsmittel verwendet wurde, haben ge- 3/5 österreichisches Patentamt AT509 864B1 2011-12-15 zeigt, dass bei etwa 1,5° C höherer Feuchtkugeltemperatur schon technischer Schnee hergestellt werden kann verglichen zu Standardbedingungen ohne erfindungsgemäßes Nukleations-mittel.

[0034] Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben:

Versuchsdatum: Ort: Maschinentype: Additiv: Mittlere Korngröße: Morphologie: Spezifische Oberfläche: Beschichtung: Dosierstelle: Nukleationskeime: 10.12.2009 Villach (AT)

Areco/Sufag Standard Propellermaschine PCC (gefälltes Calciumcarbonat) 100 Nanometer (= 0,1 pm) rhomboedrisch ca. 17m2/gr L-Leucin (Aminosäure) Kühlturmbecken = Saugstelle für Versorgungspumpe ca. 70 (bei angenommenem Tropfendurchmesser von 0,75 mm)

Additiv Dosierung Feuchtkugel Temperatur Wassertemperatur Ergebnis Nein -2,2°C ca. 2°C Kein Schnee Nein -3,7°C ca. 2°C Nassschnee Ja -2,2°C ca. 2°C Nassschnee [0035] Die erfindungsgemäßen Nukleationsmittel aus gemahlenen, beschichteten Mineralien, insbesondere Calciumcarbonat als gefälltes oder gemahlenes Calciumcarbonat, können beim Herstellen von Kunstschnee (= technischer Schnee = Maschinenschnee) mit einer Beschich-tung/Behandlungsmittel aus proteinischen und lipidischen Bestandteilen der Sanddornpflanze (Hippophae) und/oderaus Aminosäuren, wie z.B. L-Leucin, bestehen.

[0036] Die erfindungsgemäßen Nukleationsmittel können, abgesehen vom Erzeugen von Kunstschnee (technischer Schnee oder Maschinenschnee), auch für beschleunigte Kondensation von Wasser in der Atmosphäre, insbesondere als Hagelabwehrmaßnahme, eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist die beschleunigende Kondensation und Tropfenbildung von Wasser in der Atmosphäre von Bedeutung.

[0037] Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden: [0038] Als Additiv/Nukleationsmittel für das Herbeiführen einer Kondensation von Wasser in Wolken, um Regen auszulösen und/oder um Kunstschnee zu erzeugen, werden natürlich vorkommende, mechanisch aufbereitete Mineralien oder synthetisch hergestellte Mineralien mit gleicher chemischer Zusammensetzung, oder auch eine Mischung beider Arten in einer Korngröße zwischen 0,05 und 5 pm verwendet. Insbesondere in Betracht gezogen sind Nukleationsmittel in Form von mineralischen Carbonaten, Sulfaten oder Silikaten, wobei Calciumcarbonat besonders bevorzugt ist. Die Nukleationsmittel sind mit einer Beschichtung aus L-Leucin versehen, die als Nukleationspromotor wirkt. 4/5