Rarefied gases and functionalized surfaces

Abstract

Das Strömungsverhalten von verdünnten Gasen und ihre Interaktion mit Oberflächen ist von großer Bedeutung unter anderem für Katalyseforschung, Gastrennungsmembranen und Weltraumtechnik. Um solche Strömungen zu beschreiben sind häufig aufwendige, numerische Berechnungen notwendig. Einfache, analytische Modelle haben entweder einen sehr eingeschränkten Gültigkeitsbereich oder benötigen empirische Parameter, die die Übertragbarkeit des Modells auf unbekannte Situationen schmälern. Diese numerischen als auch analytischen Modelle beschäftigen sich hauptsächlich mit einfachen Oberflächen. In Gastrennungsmembranen werden Oberflächen jedoch häufig mit funktionalen Molekülen behandelt, die die Interaktion zwischen Gas und Oberfläche verändern. Membranen haben zudem eine irreguläre Struktur. Eine definierte Geometrie in Form eines geraden Kanals hilft dabei, sich auf die zugrundeliegenden Effekte zu konzentrieren. In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell entwickelt, das in der Lage ist Gasströmungen über alle Verdünnungsbereiche in geraden Kanälen zu beschreiben. Es werden Gasströmungen in unbehandelten und funktionalisierten Kanälen experimentell untersucht und mit dem analytischen Modell verglichen. In Verbindung mit den experimentellen Daten erlaubt das Modell eine intuitive Interpretation der involvierten Phänomene und beleuchtet grundlegende Aspekte der Gas-Oberflächen-Interaktionen von verdünnten Gasen.