Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat mit COSMOS-H eine neuartige Forschungsanlage eröffnet, die Experimente unter realitätsnahen Hochdruck-Bedingungen ermöglicht. Die Thermohydraulik-Versuchsanlage bietet Temperaturen bis zu 360 Grad Celsius und Drücke bis zu 170 bar. Damit eröffnet sich der Wissenschaft erstmals die Möglichkeit, Wärmeübertragung und Siedephänomene so zu untersuchen, wie sie in echten Kraftwerken auftreten.
COSMOS-H wurde speziell für die Reaktorsicherheitsforschung entwickelt und verfügt über modernste Messmethoden, darunter optische Hochgeschwindigkeitsanalysen. Die präzise Regelung von Druck, Temperatur und Strömung erlaubt eine flexible Anpassung an spezifische Fragestellungen aus der Energie-, Chemie- und Verfahrenstechnik. So leistet die Anlage einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung effizienter, sicherer Energiesysteme der Zukunft.
Forschung unter Hochdruck: Experimente für Energiesysteme der Zukunft
Die Anfang Mai 2025 eröffnete Versuchsanlage COSMOS-H (Critical heat flux On Smooth and MOdified Surfaces – High pressure) ermöglicht erstmals detaillierte Forschung unter realistischen Hochdruckbedingungen. Mit einer installierten thermischen Leistung von 1,8 Megawatt und Temperaturen bis zu 360 Grad Celsius lassen sich komplexe thermische Prozesse untersuchen.
„Unsere neue Forschungsanlage COSMOS-H erweitert die experimentellen Möglichkeiten und stärkt den Forschungsstandort KIT“, sagte Professor Jan S. Hesthaven, Präsident des KIT bei der Eröffnungsfeier. „Sie ermöglicht die kontrollierte Untersuchung komplexer thermischer Strömungsphänomene mit fortschrittlichen Messmethoden und leistet so einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und Effizienz zukünftiger Energiesysteme.“
Forschungsinfrastruktur für die Energiesicherheit von morgen
COSMOS-H erlaubt die präzise Regelung aller experimentellen Randbedingungen – darunter Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Heizleistung. Damit lassen sich exakt die Bedingungen erzeugen, wie sie in realen thermischen Kraftwerken herrschen. Die Versuchseinrichtung besteht aus einer modularen Druckhülle mit Hochleistungsheizern, Thermoelementen, Drucksensoren und Strömungsmesstechnik.
„Mit COSMOS-H können wir erstmals Wärmeübertragung und auch transiente Siedephänomene unter realistischen Bedingungen wie in einem echten Kraftwerk untersuchen“, sagte Professor Daniel Banuti, Leiter des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT. „Das ist von großer Bedeutung, um sichere und effiziente Energiesysteme zu entwickeln.“ Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Weiterentwicklung sowohl konventioneller Kraftwerke als auch alternativer Systeme wie konzentrierender Solarkraftwerke beitragen. „Wir sind überzeugt, dass die Forschungsergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten werden“, so Banuti.
Hochleistungsmesstechnik und flexible Experimentieranordnung
„Die Versuchsanordnung sowie die Messgeräte können wir flexibel an die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Experiments anpassen“, erklärt Dr. Stephan Gabriel vom ITES, der den Aufbau der Anlage seit 2014 leitete. Um optische Messverfahren auch unter Hochdruckbedingungen zu ermöglichen, wurden spezielle Schaugläser entwickelt. „Mithilfe eines Robotersystems werden Hochgeschwindigkeitskameras während des Experiments präzise bewegt und positioniert. Dadurch können wir die aufwendige Messtechnik in einem Experiment gleichzeitig an mehreren Messstellen einsetzen“, so Gabriel.
Beitrag zur Reaktorsicherheitsforschung
COSMOS-H wird im Rahmen des Helmholtz-Programms NUSAFE durch das ITES betrieben. Die Forschung konzentriert sich unter anderem auf das Strömungssieden bis zur kritischen Wärmestromdichte und die sogenannte Siedekrise („Dryout“ bzw. „Departure from Nucleate Boiling“). Dank modernster Steuerungstechnik kann die Heizung der Teststrecke automatisch abgeschaltet werden, um Schäden zu vermeiden.
Darüber hinaus leistet COSMOS-H wertvolle Beiträge zur Material- und Komponentenerprobung in der Kraftwerks-, Chemie- und Verfahrenstechnik. Die Kombination aus hoher Instrumentierung und extremer thermodynamischer Belastung macht COSMOS-H zu einer einzigartigen Forschungsplattform im Bereich der Hochdruck-Thermohydraulik.