Klimasimulation

Highlights aus Forschung und Entwicklung

Für den Versand von temperatursensiblen Produkten

© Foto Die Schweizerische Post

Thermische Vorkonditionierung einer Transportbox für den Versand von Medikamenten.

© Foto Die Schweizerische Post

Vermessung der Temperaturstabilität einer handelsüblichen Transportbox in der Klimakammer.

© Foto Fraunhofer IBP

Rechnerische Simulation der Auskühlung einer gedämmten Transportbox mit integriertem Flüssigkeitsbehälter.

Schnell eine Pizza bestellt – und ab auf die Couch. Damit das Gericht möglichst ofenfrisch ankommt, liefert der Pizzabote es in gut dämmenden Thermoboxen aus...

Ist die ersehnte Lieferung trotzdem schon kalt, ist das zwar ärgerlich, dennoch kann die Pizza ohne weiteres verzehrt oder bei Bedarf noch einmal aufgewärmt werden. Sehr viel kritischer ist die Situation beim Versand von temperatursensiblen Medikamenten. Wird der vorgesehene Temperaturbereich nicht eingehalten, kann das die Wirksamkeit der Medikamente beeinträchtigen und im schlimmsten Fall das Leben von Patienten gefährden. Daher kommen hier spezielle Transportbehälter zum Einsatz, in denen die Temperatur über mehrere Tage in einem konstanten Bereich bleibt. Bei der Wahl von geeigneten Transportbehältern spielt nicht nur die Lieferzeit eine Rolle, auch wechselnde klimatische Randbedingungen gilt es zu  berücksichtigen. Zudem spielen die Feuchteverhältnisse im Transportbehälter eine Rolle.

 

 

Untersuchungen in Klimakammern geben Aufschluss


Die Abteilung Hygrothermik am Fraunhofer IBP ist auf solche Fragestellungen spezialisiert: Die Forscher analysieren das Wärme- und Feuchteverhalten von Materialien und Hüllsystemen bei wechselnden klimatischen Einwirkungen. Mittels Klimasimulationen überprüfen sie die Funktion oder die Gebrauchstauglichkeit von Verpackungen und Transportbehältern. Das heißt: In speziellen Klimakammern setzen sie diese Produkte künstlich erzeugten wechselnden klimatischen Randbedingungen aus. Die Laboruntersuchungen können je nach Fragestellung mit der numerischen Klimasimulation kombiniert werden. Die hygrothermischen Rechenmodelle sind speziell auf die Wechselwirkung zwischen Temperatur und Feuchte ausgelegt.

Medikamente für 78 Stunden temperaturstabil halten


Für die Schweizer Post CH AG untersuchten die Forscher am Fraunhofer IBP Behältersysteme für den Versand von Medikamenten. Die Temperatur im Inneren der Transportbox sollte für zwei bis drei Tage zwischen 15 °C und 20 °C gehalten werden können – so die Anforderungen des Auftragsgebers. Dabei mussten die Forscher die unterschiedlichen klimatischen Belastungen im Sommer und im Winter ebenso berücksichtigen wie die Temperaturen während der verschiedenen Transportstationen, beispielsweise extreme Klimaverhältnisse beim Transport in abgelegene Bergregionen. Der vorgegebene Temperaturbereich sollte nur durch gute Wärmedämmung und durch Vorkonditionierung eingehalten werden, also ohne aktives Heizen oder Kühlen. Die Wissenschaftler untersuchten mehrere Varianten von Transportboxen. Als Wärmedämmung der Transporthülle dienten moderne Dämmstoffe wie EPS, Aerogel-Dämmstoffe oder Vakuumdämmstoffe. In den Transportboxen ist ein Flüssigkeitsbehälter integriert, ähnlich wie ein Kühlakku. Dieser stabilisiert als zusätzliche thermische Masse die Temperatur in der Transportbox und kann je nach Bedarf vortemperiert oder gekühlt werden. Die Forscher betrachteten unterschiedliche Lastfälle für den Transport im Sommer und im Winter, simulierten typische Klimarandbedingungen für Transporte in der Schweiz und generierten entsprechende Worst-Case-Klimaprofile. Zunächst präparierten sie verschiedene Boxenvarianten und platzierten diese mit vortemperiertem Wassergefäß in den Klimasimulator. Temperaturfühler ermittelten die Temperatur im Inneren der Boxen und zeichneten sie auf, während d Klimasimulator vorgegebene sommerliche oder frostige Temperaturen in der Klimakammer erzeugte. Zum Vergleich wurde eine Transportbox vermessen, die bereits real eingesetzt wird. Anschließend simulierten die Wissenschaftler die gemessenen Varianten rechnerisch mit einem dreidimensionalen, instationären Wärmetransfer-Programm. Die Ergebnisse der Berechnung stimmten gut mit den Messergebnissen überein. Im Rechenmodell betrachteten die Forscher zudem zusätzliche Dämmvarianten und variierten die Masse des Flüssigkeitsbehälters. Die Ergebnisse: Für den Lastfall »Sommer« lässt sich die Zeit, bis im Inneren einer mit EPS gedämmten Box die Temperaturobergrenze von 25 °C herrscht, von fünf auf acht Stunden erweitern – indem der Flüssigkeitsbehälter in der Box statt mit fünf Litern Wasser mit acht Litern gefüllt wird. Nutzt man Dämmstoffe auf Aerogel-Basis, erreicht man diese Temperaturgrenze erst nach 44 bzw. 56 Stunden. Und stehen noch längere Transportzeiten von bis zu 78 Stunden an, können die Transportboxen mit Vakuumdämmstoffen optimiert werden.

Temperaturgeführte Transporte nehmen zu


Viele Logistikdienstleister bieten sogenannte temperaturgeführte Transporte an und erweitern ihr Angebot in dieser Richtung kontinuierlich. Und zwar nicht nur, wenn es um den Versand von Medikamenten geht: Online-Bestellungen und der flächendeckende Versand werden mittlerweile für fast alle Warenklassen angeboten. Damit steigen auch die Anforderungen an Verpackungen und Transportbehälter. Mit den Methoden der Klimasimulation lassen sich nicht nur intelligentere und sicherere Transportbehälter entwickeln, auch die Transportketten und Logistikprozesse lassen sich klimaspezifisch optimieren. So kann sichergestellt werden, dass klimatische Einflüsse die Ware während des Transports nicht schädigen. Auch dann nicht, wenn künftig vielleicht Drohnen unsere gerade online bestellten Waren liefern und im Vorgarten abstellen 

© Foto Fraunhofer IBP

Vermessung von gedämmten Transportboxen zur Validierung der Simulation.