VDI-Wettbewerb ChemCar - Präzision schlägt Tempo

This year, the 22nd generation of Spektronics’s Car, Spektronics 22 was presented at this competition. It is a pressurized car powered by the decomposition of hydrogen peroxide and catalyzed by ferric chloride. The oxygen generation will occur and it will be compressed in a reactor vessel. The produced gas will be filtered, regulated, and stabilized which in the end will be entering the water tank and pushing the water out of it through the nozzle to rotate the turbine which will create momentum to move the car forward. 

Spektronics would like to always push the limit of this pressurized Chem-E-Car and reach its maximum potential by adding some new unique features such as a 3D-printed Pelton turbine, pressure transducer, water aquarium, needle valve, electrical delayer circuit, and solenoid valve. Based on our 4 months of research, this type of Chem-E-Car can reach a more accurate distance with the given load.

For the single action mechanism, we use a check valve and simple “electrical delayer circuit”. The catalyst (FeCl₃) will be injected using a syringe on the starting line into the reactor vessel through the check valve. The reaction between hydrogen peroxide-ferric chloride will produce oxygen gas on the starting line. In order to create enough gas momentum to push the water, we utilize an “electrical delayer” circuit to open the solenoid valve as the oxygen gas outlet after a certain time. 

Our car will stop if the produced gas from the reaction is unable to push out the water inside the tank, thus the water can't rotate the turbine and the car will stop by itself.

Für das ChemCar der TU Berlin wurde, abgesehen von den chemischen Reaktionen, ein rein mechanisches System entworfen. Dabei werden Gase als Arbeitsmedien für die Energieübertragung verwendet. Der Antrieb wird über die Neutralisationsreaktion von Zitronensäure und Kaliumhydrogencarbonat realisiert. Das bei dieser Reaktion freigesetzte CO₂ wird aus dem Reaktor durch eine Turbine geleitet, welche über ein Getriebe die Räder des ChemCars antreibt. Dabei wurden die Turbine und das Getriebe vom ChemCar-Team in Eigenarbeit entwickelt. Für das Stoppkonzept wird die exotherme Reaktion von Calciumoxid und Wasser verwendet. Die Luft im Reaktor, welcher mit einem Kolben verbunden ist, dehnt sich aufgrund steigender Temperatur aus und bewegt den Kolben. Erreicht der Kolben eine vorgesehene Auslenkung, löst dieser einen Entkopplungsmechanismus aus, welcher den Kraftschluss zwischen dem Getriebe und den Rädern des ChemCars unterbricht, indem die Antriebswelle und Achse des ChemCars getrennt werden. Über die Variation der Eduktmenge bei der Stoppreaktion lässt sich die Fahrtzeit und die damit zurückgelegte Strecke einstellen. 

Der Antriebsmechanismus unseres CARmpagners besteht darin, dass sich Druck in einem Behälter aufbaut, ähnlich wie bei einer Champagner Flasche, die auch namensgebend für unser ChemCar ist. Zuerst lösen wir hierfür CO₂ in Wasser, welches sich gemeinsam mit Luft in einem System, bestehend aus dem Druckbehälter, der Pumpe und der Kupferspirale, befindet. Der Befüllvorgang findet bei um die 2° C statt, da dort die Löslichkeit von CO₂ deutlich höher ist als bei Raumtemperatur. Nach der Befüllung wird der gesamte Druck im Druckbehälter abgelassen. Nach Aktivierung des Single-Action- Starts fließt Salzsäure in einen Behälter mit Natronlauge und die Mischung erwärmt sich durch eine sehr exotherme Neutralisationsreaktion. In dem Behälter mit der Natronlauge befindet sich auch die Kupferspirale, die durch die Reaktion erwärmt wird und die Wärme an das darin zirkulierende Wasser abgibt. Durch die Erwärmung nimmt die Löslichkeit von CO₂ in Wasser ab und es baut sich ein Druck im Druckbehälter auf. Nach Erreichen des Betriebsdrucks wird ein Ventil ausgelöst, und der selbst konzipierter Druckluftmotor beginnt das CARmpagner anzutreiben. Gleichzeitig wird die Reaktion ausgelöst, die später den Stoppmechanismus initiieren wird. Dafür wird Natriumthiosulfat in eine sehr dunkle Iodlösung getropft. Ab einer gewissen Menge an Natriumthiosulfat wird die Mischung farblos. Der eingebaute Photosensor detektiert den Zeitpunkt des Umschlags und sendet ein Signal, sodass die Druckluft nicht mehr in den Motor, sondern in den Bremszylinder geleitet wird und dadurch die Wirbelstrombremse auslöst. Das CARmpagner kommt anschließend zum Stehen und die restliche Druckluft wird manuell abgelassen. 

The drive mechanism of our CARmpagner consists of pressure building up in a container, like a champagne bottle, which also gives our ChemCar its name. First, we dissolve CO₂ in water, which together with air is in a system consisting of the pressure vessel, the pump and the copper spiral. The filling process takes place at around 2° C, since the solubility of CO₂ is significantly higher there than at room temperature. After filling, all pressure in the pressure vessel is released. After activation of the single-action start, HCl flows into a container with NaOH and the mixture heats up by a very exothermic neutralization reaction. In the container with the sodium hydroxide solution is also the copper spiral, which is also heated by the reaction and transfers the heat to the water circulating in it. Due to the heating, the solubility of CO₂ in water decreases and pressure builds up in the pressure vessel. After the operating pressure is reached, a valve is triggered and the self-designed air motor begins to drive the CARmpagner. At the same time, the reaction that will later initiate the stopping mechanism is triggered. To do this, sodium thiosulfate is dropped into a very dark iodine solution. Above a certain amount of sodium thiosulfate, the mixture becomes colourless. The built-in photosensor detects the moment of turnover and sends a signal so that the compressed air is no longer directed into the motor but into the brake cylinder, thereby triggering the eddy current brake. The CARmpagner then comes to a stop and the remaining compressed air is released manually. 

Zum Antrieb des Silver Arrow der TU Dortmund wird sich der Seebeck-Effekt zu Nutze gemacht. Über einem mit Wasser gefüllten Behälter befindet sich ein Trichter mit Calciumoxid. Zieht man einen Schieber aus dem Trichter (single action zum Start) fließt das Calciumoxid in den Behälter und reagiert mit dem Wasser in einer exothermen Reaktion, wodurch sich der Behälter stark aufheizt. In einem weiteren Behälter befindet sich Eiswasser. Die beiden Behälter sind über Thermoelektrische Generatoren verbunden, welche durch die Temperaturdifferenz der beiden Behälter eine Spannung erzeugen. Diese Spannung wird genutzt, um den Motor des Silver Arrow anzutreiben. 

Zeitgleich mit dem Antrieb des Motors wird die erzeugte Spannung verwendet, um einen Kolben aus einem Linearmotor auszufahren, welcher auf eine mit Glucose gefüllte Pipette drückt. Somit wird die zum Stoppen des Silver Arrows verwendete Tollensreaktion ausgelöst. Diese erzeugt eine Spiegelschicht auf einem Reagenzglas, welche durch eine Reflektionslichtschranke detektiert wird und für eine Unterbrechung des Antriebsstromkreises sorgt. Über die Konzentration der zudosierten Glucose kann die Kinetik der Bildung der Spiegelschicht und folglich die gefahrene Strecke des ChemCars kalibriert werden.

The Cylux 2.0 is a chemical prtototype car,  powered by a thermoelectric system, which converts a temperature difference into electric energy. This car is an environmentally friendly chemical car. Cylux 2.0 has several supporting parts, this car consists of 3 main parts: The power box, brakes, and driving mechanic. In the power box section, there is a chamber for the seebeck effect reaction to take place, due to the temperature difference between the cold chamber and the hot chamber. Oil is heated to 140 °C and filled into the hot chamber, whereas the cold solution used reaches temperatures of negative 7 °C, due to an endothermic reaction. The heat difference in the chamber will be converted by the TEG into electrical energy and will be forwarded to the mechanical part of the car. The flow of electricity in the power box will be forwarded to the stopping and driving parts. The two poles will be connected with a magnesium plate. The Stopping mechanism makes use of the titration of hydrochloric acid. Hydrochloric acid is injected into the titration box using a syringe. The hydrochloric acid in the titration box will drip through the infusion tube. The dripping acid will react with the electrified Mg plate in the power box. When the Mg plate is etched away, the mechanical parts of the car will also stop.

Zum Starten des ChemCars „Spring O2’clock“ werden die Edukte Wasserstoffperoxid und Kaliumiodid für eine Druckreaktion gemischt und eine Natriumacetat-Trihydrat-Kristallisation in einem Rohr ausgelöst.  Entlang des Kristallisationsrohres befinden sich zwei Lichtschranken, welche bei Aktivierung jeweils ein Ventil schalteten. Der entstehende Druck spannt mit Hilfe eines Pneumatikzylinders eine Druckfeder, die die chemische Energie zwischenspeichert. Kurz bevor die Feder vollständig gespannt ist, verkuppelt diese mit einer Zahnstange, die über ein Getriebe mit der Antriebswelle verbunden ist. Durch das Schalten des ersten Ventils wird der Auslass des Kolbens geöffnet, sodass dieser keinen Widerstand mehr bietet und die Feder zurückstellen kann. Dabei wird die Zahnstange mitgenommen, und das ChemCar setzt sich in Bewegung. Das Auslösen der zweiten Lichtschranke schaltet das Bremsventil, welches Druck in zwei Bremskolben leitet, die Antriebsachse anhebt und damit das Fahrzeug zum Stillstand bringt. Die Räder des ChemCars verlieren den Bodenkotakt und drehten sich in der Luft weiter, bis die Feder entspannt ist. 

Im Konzept war außerdem ein Uhrwerksmechanismus am Getriebe vorgesehen, der für eine konstante Geschwindigkeit des ChemCars sorgen sollte. Dies konnte jedoch nicht rechtzeitig umgesetzt werden, weshalb im Wettkampf mit einer konstanten Beschleunigung gefahren wurde.

Teammitglieder: Justin Bettenhausen, Nora Meisl, Tilman Schiffer

To start the ChemCar “Spring O2’clock” the reactants hydrogen peroxide and potassium iodide are mixed for a pressure reaction and a sodium acetate trihydrate crystallization is triggered in a tube. Along the crystallization tube are two photoelectric barriers; each of which switched a valve when activated. The resulting pressure tensions a compression spring using a pneumatic piston to temporarily store the chemical energy. Shortly before the spring is fully tensioned it couples with a gear rack which is connected to the drive shaft via a gear. Switching the first valve opens the outlet of the piston which no longer offers resistance. This allows the spring to reset which entrains the rack and the ChemCar starts to move. The triggering of the second photoelectric barrier switches the brake valve which directs pressure to the brake pistons lifting the drive shaft and thus bringing the vehicle to a standstill. The ChemCar's wheels lose ground contact and continue to spin in the air until the spring is completely released.

The concept originally included a clockwork mechanism attached to the gear that would provide a constant speed for the ChemCar. However, this could not be implemented in time which is why the car was raced with constant acceleration in the competition.

Team members: Justin Bettenhausen, Nora Meisl, Tilman Schiffer

Simple but smart design of Kimiacar avoids any kind of pressure and temperature change. Using new generation of rechargeable batteries as the heart of this car ensures repeatability behavior against defined amount of given energy. 
The handmade rechargeable Zinc–Silver oxide battery is the developed version of our last battery. This development ensures more energy density and a better reaction control.
The overall electrochemical reaction of our battery is:

Zn +Ag₂O + H₂O→ Zn(OH)₂ + 2Ag   →   E=1.56V

The anode and cathode are hard pastes made from nanomaterial mixed with electrolyte KOH and NaOH and the pastes will be applied on Copper and Stainless-steel collectors and it will be assembled with plexiglass and bolts.
In order to charge our battery, cyclic current is used to prevent the structural rupture of our material. The number of cycles can define the distance Kimiacar can move.

The breaking system is the battery discharge itself. The repeatability behavior of battery in charge and discharge is to be used to simplify the stopping mechanism. It is only needed to charge the battery for the certain amount, connect it to the car and with the single action on-off key connect the battery to the motors, and wait for the car to stop due to the complete discharge of the battery.

Our car concept gets inspired by the working mechanism of water turbines that convert energy from water flow into mechanical energy. In this case, we use pressurized oxygen gas produced by the reaction as our power source to push the water until the water hits the turbine so the turbine will spin and it makes the wheels move so the car can move. So, it is very environmentally friendly because we use pure oxygen gas to push the water and make the car run. We also have a vision to create a ChemCar that is strong to hold the weight, safe to be operated, using a clean power source, and cheap, both on the construction and the operational cost.

Das pHantastic Car der TU Dortmund wird mit einer biokatalytischen Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff angetrieben.  Dabei wird der durch die Sauerstoffproduktion erzeugte Überdruck mittels zwei parallel betriebener Kolbenmotoren in kinetische Energie umgewandelt.
Die Stoppreaktion beruht auf dem Konzept der pH-Clock, dem das ChemCar auch seinen Namen verdankt. Hierbei handelt es sich um ein chemisches System aus Formaldehyd- und Puffer-Lösung, welches nach Verbrauch des Puffers für einen schlagartigen Anstieg des pH-Wertes sorgt. Je nach Edukt-Konzentration ist diese Umschlagszeit variabel regulierbar und dient so zur Einstellung der Fahrdistanz.

Der pH-Wert-Anstieg wird mittels Indikator sichtbar gemacht und durch einen Photoresistor detektiert. Über die elektrische Schaltung wird daraufhin ein Drei-Wege-Ventil geschaltet, welches die Gaszufuhr von den Motoren zur Atmosphäre lenkt, wodurch das ChemCar zum Stehen gebracht wird.

Spektronics ChemCar is a pressurized car which is powered by the decomposition of hydrogen peroxide and catalyzed by ferric chloride. The Overall Car Dimension is 20.5cm x 30.5 cm x 37 cm with the weight up to 4.2 kg. This car is a new generation where we use unique features such as pressure transducer, solenoid valve, needle valve, timing pulley and check valve to reach a more accurate distance. Spektronics also has an integrated safety system to make sure safety will always be the first thing when the car is running.

Das ChemCar Steamtruck verwendet zwei getrennt voneinander ablaufende Reaktionen als Antriebs- bzw. Stoppmechanismen. Die Antriebsreaktion nutzt entstehenden statischen Druck aus einer Natriumhydrogencarbonat-Zitronensäure Reaktion, um über eine Kolben-Zahnrad-Verbindung translatorische in rotatorische Energie umzuwandeln. Das von uns konstruierte Zahnrad ist hierbei direkt mit der Vorderachse verbunden und überträgt das generierte Drehmoment auf die Räder, wodurch eine Vorwärtsbewegung ermöglicht wird.

Parallel dazu verläuft basierend auf der Reaktion von Natriumthiosulfat mit Salzsäure die Stoppreaktion, infolge welcher entsprechend der zu erwartenden Fahrtzeit elementarer Schwefel ausfällt, der eine Trübung verursacht. Dies löst einen Lichtsensor aus, welcher wiederum ein Ventil schaltet. Der aufgebaute Druck aus dem Reaktor kann somit entweichen und das ChemCar wird nicht weiter angetrieben.

Teammitglieder: Vera Schostok, See Yuan Choo, Kristof Kantel, Constantin Maaß, Alexander Oing, Chen Yie Thum, Wenqi Zhou

Die Elektrousine der TU-Dortmund verwendet, wie der Name schon verrät, einen elektrischen Antrieb. Drei Silber-Zink-Batterien liefern durch ihre elektrochemische Reaktion die notwendige Spannung und Stromstärke, um einen Gleichstrommotor anzutreiben. Als Zeitgeber wird das Auflösen von Natrontabletten in Schwefelsäure genutzt. Durch das Umlegen des Startventils startet die Elektrousine und die Reaktionskammer wird mit Schwefelsäure geflutet. Darin befinden sich drei redundante Tablettentester, die wie ein Stempel auf die Tablette drücken, herabsinken und einen Kontakt schließen, sobald sich diese zersetzt hat. Gesteuert wird die Reaktionszeit und dementsprechend die Fahrdistanz über die Konzentration der Schwefelsäure.

Das pandemiebedingte Teammotto „Was zu Hause geht, wird zu Hause gemacht“ hatte nicht nur Auswirkungen auf die Arbeitsweise, sondern auch auf das Design. So sind zahlreiche Teile der Elektrousine adaptiv zu Hause entworfen und gefertigt worden, beispielsweise die komplette Zeitgeber-Reaktionseinheit. Durch die modulare und flexible Bauweise kann sich die Elektrousine jeder Herausforderung stellen.

Teammitglieder: Katrin Halle, Jonas Korb, Magdalena Strebel, Daniel Kraas, Ertuğrul Furkan Düzenli, Simon Höving, Jan Sadowski

The design concept of our chemcar, namely Pramakarsa, is inspired by a simple concept of a steam train. The high pressure of the steam will push the pneumatic piston which is connected to the wheels. Because of that, the wheels will rotate and cause the train to move. In the same way, we used the high pressure gas to move our car. However, instead of steam we use oxygen gas as the pressurized gas which comes from the oxidation reaction between KMnO₄ and H₂O₂. We choose this reaction because it has high conversion (~100%), so the substrates will react effectively to produce oxygen and cause the car to travel quite a distance. Moreover, emission of this reaction is environmentally friendly. The oxygen from the reaction will spontaneously flow from the reactor into the regulator to stabilize the pressure. Subsequently, the oxygen flow into the Mechanical Roller Valve (MRV). MRV will distribute the oxygen alternately to each side of the pneumatic piston. The oxygen will push forward and backward the piston, which is connected to the front wheels. Because of this action, the wheels will rotate and the car will move forward until the oxygen gas is finished. 

Team members: Imat Nur Alim, Nugroho Sentoso, Faishal Hafizh Dinata, Fakhrurrazi Waridi Sidqi, M. Alif Akbar Basuki , Fiqri Hadi Hendriyansyah, Nurul Ratna Anisa

Das ChemCar der "Salzigen TUKCars" präsentiert den ersten Einsatz einer Säure-Base Flussbatterie als Antriebsquelle in einem Fahrzeug und feiert zugleich die Premiere der Technischen Universität Kaiserslautern beim ChemCar-Wettbewerb. Die innovative Säure-Base Flussbatterie ist Gegenstand aktueller Forschung ist und verspricht entscheidende Vorteile gegenüber den bekannteren Batterien. Wenn auch die Säure-Base Flussbatterie ihre Zukunft nicht in der Automobilindustrie finden wird, möchten wir mit unserem Fahrzeug das Potential und die Vorteile dieser Technik vorstellen.

Die Batterie arbeitet mit Säure, Base und Salzwasser, wobei in unserem Fahrzeug Salzsäure (1 M), Natronlauge (1 M) und Wasser zum Einsatz kommen. Eine gezielte Verschaltung von Ionenaustauschermembranen ist in der Lage, Kationen und Anionen voneinander trennen, wodurch die “Polung” der Batterie entsteht. Treibende Kraft des Prozesses (Entladevorgang) sind die Konzentrationsgradienten zwischen den Flüssigkeiten. Die Flüssigkeiten werden mittels Pumpen zwischen dem sogenannten Membranstapel und den Vorlagebehältern stetig im Kreis gepumpt. Beim Entladen der Batterie nehmen die Konzentrationen der Säure und Base ab und das anfängliche Wasser wird zu Salzwasser, dessen Konzentration nach und nach zunimmt. An den Elektroden wird eine Elektrolytlösung (bei uns: 0,25 M Natriumsulfat) eingesetzt, um das elektrochemische Potential in einen elektrisch nutzbaren Strom umzuwandeln. 

Beim Ladevorgang wird eine Spannung angelegt und dadurch ein elektrisches Feld erzeugt, nach welchem sich die Ionen nun orientieren. Aus Salzwasser (das mengenreichste Element unseres Planeten) kann Säure und Base produziert werden. Lade- und Entladeprozess stellen zusammen einen reversiblen Kreisprozess ohne Emissionen dar. Darüber hinaus findet in der Batterie keine Selbstentladung statt, was sie zu einem geeigneten Langzeitenergiespeicher, bspw. in Kombination mit Erneuerbare-Energie-Anlagen, macht.
Im Fahrzeug stellt die Batterie elektrischen Strom für einen Gleichstrommotor zur Verfügung. Um eine ideale Fahrgeschwindigkeit für den Wettbewerb zu erzielen, das Anfahren zu vereinfachen und den Ausrollweg zu minimieren, kommt eine Übersetzung von 1:40 zwischen dem Elektromotor und der Antriebswelle des Fahrzeugs zum Einsatz. Der steife Rahmen aus Aluminiumvierkantrohren bietet eine hohe Traglast, der Einsatz von Kugellagern reduziert die notwendige Antriebskraft und die großen Aluminiumräder reduzieren den Einfluss von Fahrbahnunebenheiten.

Als Stoppreaktion kommt der Landolt-Reaktionsmechanismus zum Einsatz, welcher nach einer von der Iodat- und Sulfitkonzentration abhängigen Zeit einen akkuraten Farbumschlag verursacht. Dieser Farbumschlag wird von einer Photodiode detektiert, welche im angeregten Zustand den Stromkreis zwischen Motor und Batterie trennt.

Teammitglieder: Martin Bubel, Justus Arweiler , Simon Eberweiser, Patrick Schiller, Tanja Weber

A  search  for  a  challenging  task  during  our  studies  and  a  passion  to  implement our knowledge fueled our desire to participate in the VDI and kjVI  organised  ChemCar  2020  competition.  Our  car  runs  on  an  electrochemical  source:  the  ​Aluminum-air  battery​, which  has  a  huge potential  to  replace  the  current  Lithium-powered electric vehicles. It not  only has the capacity to supply four times more power than the traditional batteries,  but  is  also  inexpensive  and  abundant  in  nature,  making  it a sustainable option.  

Our  car  has  a  separate  mechanism  to  stop  once  it  crosses  the  required  distance.  The  principle  of  the  stopping  mechanism  is  the  ​iodine  clock reaction using Vitamin C​. The car is set in motion when a beam of light passes  through  a  colourless  solution,  closing  the  circuit  with  a  light  dependent resistor. Once the solution changes its colour to blue-black, the path of light is obstructed, breaking the circuit and halting the car. Load vs time and distance vs time graphs were determined to ensure precision. 

Building a ChemCar from scratch that runs on an electrochemical reaction and stops due to a separate chemical reaction required us to be hands-on and  frugal.  It  challenged  our  capabilities  and  improved  our  skill  sets  by  pushing us into uncharted territories!
 
Team  members:  Mrudula  Prasad,  Kashfia  Mahin,  Viswa  Ratnasri  Sunkavalli, Shivangi Borate