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Verfahren zum Betrieb von magnetohydrodynamischen (MHD-) Vorrichtungen,
insbesondere MHD-Generatoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von
magnetohydrodynamischen (NM-)Vorrichtungen, insbesondere MHD-Generatoren, mit einem
Kanal zur Förderung eines Stroms von thermisch ionisiertem und elektrisch leitendem
Gas zwischen entgegengesetzten Elektroden und durch ein magnetisches Feld an diesen
Elektroden, an deren dem Gas ausgesetzten Enden Nuten vorhanden sind, die senkrecht
zu der Richtung der Gasströmung verlaufen.
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MHD-Generatoren sind MI-ID-Vorrichtungen, die zur Erzeugung elektrischer
Energie durch Bewegung C c
eines elektrisch leitenden strömenden Mediums oder
eines Plasmas relativ zu einem magnetischen Feld dienen. Das verwendete Plasma ist
im allgemeinen ein elektrisch leitendes Gas aus einer Quelle mit hoher Temperatur
und hohem Druck. Aus der Quelle strömt das Plasma durch den Generator hindurch,
und infolge seiner Bewegung relativ zu dem magnetischen Feld induziert es eine elektromotorische
Kraft zwischen einander gegenüberstehenden Elektroden in dem Generator. Das Gas,
welches das Plasma enthält, kann sich bis zu einem Tiefpunkt entspannen, welches
im einfachsten Fall der Atmosphärendruck ist; das Gas kann in unechten Systemen
dieser Art auch in eine Wiedergewinnungsanlage oder Rückwinnungsanlage auspuffen,
in der sich auch Pumpen e zur Rückführung des Gases in die Gasquelle befinden. Die
elektrische Stromleitfähigkeit des Gases kann auf thermischem Wege erzeugt werden
und/oder durch Impfen mit einer Substanz, die sich bei der Betriebstemperatur des
Generators leicht ionisiert. Für die Zwecke der Impfung kann man Natrium, Kalium,
Zäsium oder einen Alkalimetalldampf verwenden. Unabhängi 'g von der Art des
benutzten Gases oder von der Art des Impfverfahrens enthalten die Gase, die im Endeffekt
gewonnen werden, eine Mischung von Elektronen, positiven Ionen und neutralen Atomen,
die als »Plasma« bezeichnet wird.
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Ein NMD-Generator dieser bekannten Art macht im allgemeinen Gebrauch
von einem stationären magnetischen Feld und einer Gasströmung in einer einzigen
Richtung. Infolgedessen stellt ein solcher Generator eine Gleichstromquelle dar.
Wird dagegen Wechselstrom verlangt, dann benötigt man im allgemeinen eine Hilfseinrichtungg,
um den Gleichstrom in Wechselstrom umzurichten.
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MHD-Pumpen sind MHD-Vorrichtungen, die nach dem Prinzip des Induktionsmotors
arbeiten, d. h"
man kann eine stromleitende Flüssigkeit als Draht oder Stromleiter
ansehen, der in einem magnetischen Feld aufgehängt ist, und durch den ein elektrischer
Strom fließt, der wechselseitig senkrecht zur Längsausdehnung des Stromleiters und
zu dem magnetischen Feld liegt. Bei diesen Gegebenheiten wird in dem Stromleiter.
eine mechanische Kraft induziert, die bestrebt ist ihn in einer Richtung zu bewegen,
die abwechselnd senkrecht zu der Richtuno, des Stroms und senkrecht zu der Richtung
des magnetischen Flusses verläuft. Läßt man diese Kraft auf einen flüssigen Stromleiter
wirken, dann drückt sie den flüssigen Leiter wie eine herkömmliche Pumpe weiter.
Derartige bekannte Pumpen sind im Laboratorium sehr gebräuchlich, insbosondere in
Verbindung mit der Bewegung von flüssigem Natrium und C ZD flüssi-em Natrium-Kalium
in Kernreaktoren. Elektroden, die dazu dienen, einen elektrischen Strom durch den
flüssigen Stromleiter innerhalb des magnetischeu Feldes hindurchzutreiben,. sind
an der Stelle angeordnet, die man im allgemeinen als die Einschnürung der Pumpe
bezeichnet.
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MHD-Beschleuniger sind bekanntlich MHD-Vorrichtungen, die praktisch
auf ähnliche Weise aufgebaut sind und in ähnlicher Weise wirken wie MHD-Pumpen;
der Unterschied besteht im wesentlichen darin, daß man MHD-Beschleuni,-,er im allgemeinen
zur Beschleunigung eines elektrisch leitenden Gases verwendet, während MHD-Pumpen
im allgemeinen dazu dienen ' Flüssigkeiten zu pumpen.
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Es wurde bereits eine Elektrode vorgeschlagen, die für hohe Temperaturen
bestimmt ist, anisotropisch arbeitet und nicht zerstörbar ist; sie ist für den Betrieb
in einer oxydierenden Atmosphäre bestimmt,
wie beispielsweise Luft
oder Gase, die sich aus der Verbrennung eines Brennstoffes mit Sauerstoff ergeben.
Das außerste Ende der Elektrode, welches in Berührung mit dem Plasma kommt, besteht
aus einem hitzebeständigen Metall und ist mit einer Vielzahl von Ausnehmun 'gen
versehen, in welchen ein Elektronen emittierendes Material für hohe Temperaturen,
beispielsweise Zirkon oder Chromoxyd, fest untergebracht ist. Diese Ausnehmungen
haben im allgemeinen längliche Form und verlaufen senkrecht zur Strömungsrichtung
des Plasmas. Dieses Metall und das für hohe Temperaturen bestimmte Material, welches
sich in Berührung mit dem Plasma befindet, ist auch gegenüber den Temperaturen der
Verbrennungsprodukte widerstandsfähig und behält seine Unzerstörbarkeit; die Ausnehmungen
sind so angeordnet, daß das Metall die Beanspruchungen auf Ab-
scheren aufnimmt,
die sich aus der Gasreibung ergeben. Diese Beanspruchungen würde das Elektronen
aussendende Material nicht aushalten können. Eine Kühlung des metallischen Teils
der Elektrode ist für kontinuierlichen Betrieb langer Dauer vorgesehen und insbesondere,
wenn die Temperatur des Plasmas anfangs un-efähr 3000' K beträgt, wie dies
der Fall bei einem geeigneten stromleitenden Gas ist, welches Verbrennungsprodukte
enthält. Bei derartigen Kühlvorrichtungen kann die exponierte Oberfläche des Elektronen
aussendenden Materials sich auf einer Temperatur von 20001 K befinden, während sich
der metallische Teil der Elektrode, der dem Plasma abgewendet ist bzw. von diesem
entfernt ist, sich auf einer Temperatur von nur etwa 600 bis 1500'
K befindet.
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Aus den französischen Patentschriften 1308 804, 1334
774 ist es bekannt, Elektroden von NIHD-Generatoren zu kühlen. Die Kühlung
kann sich sowohl auf das Innere der Elektroden als auch auf die Regelung der Oberflächentemperatur
der Elektroden beziehen. Zweck dieser Maßnahme ist in erster Linie, eine Zerstörung
der Elektroden zu verhindern, wenn diese Gasen ausgesetzt werden, die sich auf hohen
Temperaturen (etwa 27601 C und mehr) befinden.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Elektroden von MHD-Generatoren
in einem solchen Ausmaß zu kühlen, daß sich auf deren Oberfläche ein emissionsfähiger
dünner Belag aus den Bestandteilen des Arbeitsgases des Generators bildet und daß
dieser Belag durch Verdampfen und neuen Niederschlag beim Betrieb des Generators
etwa konstant bleibt (deutsche Patentschrift 1170 521).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektroden für MHD-Vorrichtungen
der oben beschriebenen Art zu verbessern. Das Zurückhalten des Elektronen emittierenden
Materials ist im wesentlichen durch die Verdampfung des Materials, durch die Erosion
des Elektrodenmaterials infolge der Reibungskräfte, durch die Korrosion von Verbrennungsprodukten,
durch die Festigkeit gegenüber thermisehen Beanspruchungen und durch den Niederschlag
von Stoffen auf der Elektrodenoberfläche gegeben. Wegen der oxydierenden Atmosphäre
und deren Temperatur in MHD-Generatoren, die mit Verbrennungsprodukten arbeiten,
werden Zirkon und Chromoxyd auf Grund ihres geringen spezifischen Widerstandes bei
hoher Temperatur, insbesondere ihres kleinen Koeffizienten für die thermische Ausdehnung
und ihrer hohen Festigkeit gegenüber thermischen Stößen sowie auf Grund ihres niedrigen
Dampf-C drucks bevorzugt. So hat beispielsweise Zirkonoxyd einen kleinen Dampfdruck
von beispielsweise 4,5.10-5 mm Quecksilbersäule bei 20001 K.
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Während einige Brennstoffe praktisch frei von Verunreinigungen sind,
die zu der Korrosion zahlreicher Materialien bei hoher Temperatur beitragen, enthalten
industrielle Brennstoffe, wie beispielsweise Kohle oder Heizöle, bemerkenswerte
Anteile korrodierender Stoffe, wie beispielsweise Dioxyde von Silizium, Eisen, Vanadium
und Aluminium. Die Korrosion entsteht durch den chemischen An-
ff durch verschiedene Aschenreste in den Verbrennungsgasen. In der Asche
selbst betrachtet man Fe.O., Mn30.., A1203,
Sio, und K,0 als die hauptsächlichsten
korrodierenden Substanzen.
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Es ist gefunden worden, daß sich die schädlici-ite korrodierende Wirkung
aus der Bildung einer flüssigen Phase ergibt, die Verunreinigungen des Brennstoffs
und das Elektronen emittierende Material selbst enthält. Liegt der Schmelzpunkt
dieser flüssigen Phase unter der Betriebstemperatur des Elektronen emittierenden
Materials, dann bewirkt die Gasreibung, daß die flüssige Phase strömt, und daraus
ergibt sich wieder ein Gewichtsverlust an Elektrodenmaterial. Gleichzeitig nimmt
auch die Temperatur der Elektrode bis unter den Schwellwert für eine Elektronenemission
für den gewünschten elektrischen Strom ab. Diese aktive Korrosion läuft auf eine
rasche Zerstörung der Wirksamkeit der Elektrode hinaus. Das Verfahren zum Betrieb
der eingangs vorausgesetzten MHD-Vorrichtung besteht erfindungsgemäß darin, daß
in den Gasstrom stromaufwärts von den Elektroden in den Strömungskanal ein keramisches
Material eingebracht wird, dessen Elektronenemissionsfähigkeit mindestens ungefähr
1 Ampere je Quadratzentimeter bei etwa 15001' K beträgt; hierbei
wird die Temperatur des Gases an den Elektroden über etwa 20001 K aehalten, und
die Temperatur an jeder Elektrodenoberfläche wird höher eingestellt als diejenige
Temperatur, die erforderlich ist, um die erwähnte Elektronenemissionsfähigkeit herbeizuführen,
und die niedriger ist als die Temperatur, bei welcher dieses Material schmilzt.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Elektroden dadurch wieder aufzufüllen,
daß man in den Gasstrom, der über die Elektrode hinwegstreicht, ein Elektronen emittierendes
Material injiziert oder diesem Gasstrom beifügt, welches auf die Elektrode auftrifft
und an ihr haftet; gegebenenfalls kann die Atmosphäre über der Elektrodenoberfläche
durch Einfügung von Zuschlägen in den Gasstrom, der über die Elektroden strömt,
gesteuert werden. Die Zuschläge zur Regelung oder Steuerung der Atmosphäre über
der Elektrodenoberfläche können entweder zusammen mit dem Hauptbrennstoff oder mit
Hilfe üblicher Injektoren eingeführt werden, die stromaufwärts von den Elektroden
angeordnet sind. Die Auswahl des betreffenden Zuschlags erfolgt nach Maßgabe seiner
Eignung, den Schmelzpunkt irgendeiner Phase zwischen Stoffen in dem Gas und den
Elektronen emittierenden Material, welches einen Teil der Elektrode bildet, über
die Betriebstemperatur der Elektrodenoberfläche anzuheben. Die Elektroden werden
dadurch wieder aufgefüllt, daß der Gasstrom, der über die Elektroden fließt, ein
Material enthält, welches wenigstens in einer geeigneten Form dasjenige Material
enthält, welches für die Elektroden verwendet wird, also z. B. Zirkonerde. Falls
dies erwünscht ist,
kann das Elektronen emittierende Material auch
in dem Brennstoff enthalten sein.
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In der nun folgenden Beschreibung soll die Erfindunor unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im einzelnen näher erläutert werden. Darin ist Fi-.
1 eine Draufsicht auf eine Elektrode, deren Wirkung mit Hilfe des Verfahrens
nach der Erfindungr verbessert wird, und Fi-. 2 die Ansicht eines Querschnitts nach
Linie 2-2 der Fig. 1.
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Wie diese Figuren zeigen, besteht die Elektrode aus einer Basis
10 aus Metall, beispielsweise Kupfer, mit einer Bohrung 11 zum Durchleiten
eines Kühlmittels unter Verwendung der Rohrleitungen 9 sowie aus einem Endstück
12, welches beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht und eine Anzahl von Nuten
oder Ausnehmunaen 13 aufweist die sich über die gesamte Längsausdehnung der
Elektrode erstrecken. Jede einzelne Nut oder Ausnehmun- 13 ist mit einem
Elektronen emittierenden Material 14 gefüllt, welches im folgenden noch näher beschrieben
werden soll. Zur Erzielung einer möglichst kleinen Reibungswirkung ist die Elektrode
so ausgerichtet, daß die länglichen Nuten oder Ausnehmung ,en senkrecht zur Richtuna
der Gasströmung verlaufen, um zu verhindern," daß das Elektronen emittierende Material
aus den Ausnehmungen herausgespült wird. Die Verwendung von Kappen aus rostfreiem
Stahl erlaubt die Anwendung einer höheren Temperatur an den Elektrodenwänden der
Rohrleitung und infolgedessen auch einer höheren Temperatur an der Grenzschicht,
die ihrerseits den Wirkungsgrad von l#JHD-Vorrichtungen erhöht. Außerdem besitzt
eine Kappe aus rostfreiem Stahl eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Erosion
als eine Kappe aus Kupfer od. dgl.
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Sind die Elektroden dann in eine NH-ID-Vorrichtung eingebaut, dann
müssen sie natürlich elektrisch so isoliert sein, daß Kurzschlüsse vermieden werden.
Da die Isolation im allgemeinen getrennt von der Elektrode vorgenommen wird, ist
sie in der Zeichnung nicht dargestellt. Trotzdem können natürlich im Bedarfsfall
die Seitenffächen und der Boden des metallischen Teils der Elektrode mit irgendeinem
geeigneten Isolierstoff bedeckt sein. Im allgemeinen benutzt man Tetrafluoräthylen
od. dgl. für die Bodenfläche 15 und auch für die Teile 16 und
17 der Seitenflächen in der Nähe der Bodenfläche 15, während man ein
elektrisch isolierendes und feuerfestes Material für die oberen Teile
18 und 19 der Seitenflächen der Elektroden verwendet.
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Als elektrisch leitende Gase oder als Plasma verwendet man heute in
MI1D-Vorrichtungen entweder Edelgase, die auf eine Temperatur von mindestens 20001K
erhitzt sind, oder Verbrennungsprodukte bei einer Temperatur von etwa
30001 K. Dementsprechend muß eine Elektrode bei dem Verfahren nach der Erfindung,
die für NII-ID-Vorrichtungen bestimmt ist, in jedem Fall Temperaturen ausgesetzt
werden können, die über 20001 K liegen und die sich über einen weiten Bereich ändern
können, und sie müssen auch einem korrodierenden und/oder oxydierenden Plasma ausgesetzt
werden können. Infolgedessen ist ein keramisches Material, welches mit einem elektrisch
emittierenden Material dotiert ist, besonders gut geeignet.
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Das in den Nuten 13 untergebrachte Material sollte nicht oxydierbar
sein, wenn es dem elektrisch leitenden Gas ausgesetzt ist; es sollte auch einen
niedrigen Ausdehnungskoeffizienten haben, um ein Brechen, Zerbröckeln u. dgl. zu
vermeiden, und es sollte auch die Fähigkeit besitzen, Elektronen zu emittieren.
Mit dem Ausdruck »keramisches Material« soll ein Material gekennzeichnet sein, welches
eine Elektronenemissionsfähigkeit von mindestens 1 Ampere je Quadratzentimeter
bei etwa 15001 K besitzt, einen Schmelzpunkt, der oberhalb etwa
15001 K liegt, eine thermische Leitfähigkeit von etwa 0,03 Kalorien-cm
je Sekunde je Quadratzentimeter und je Grad Celsius und einen
spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 50 Ohm/cm bei etwa
15001 K. Für den Fall, daß das Plasma aus Verbrennungsprodukten besteht,
muß das keramische Material ein Oxyd sein, es kann beispielsweise Zirkon- oder Chromoxyd
sein. Wegen seiner Stabilität bei etwa 2000' K ist Zirkonoxyd oder Chromoxyd zu
bevorzugen; das Zirkonoxyd ist, wenn es mit Kalziumoxyd dotiert ist, am besten.
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Obwohl Elektroden, wie sie in dem eingangs erwähnten älteren Vorschlag
offenbart worden sind, anderen Arten von Elektroden oder bestimmten Elektroden für
MI-ID-Vorrichtungen überlegen sind, unterliegen sie doch dem obenerwähnten Effekt
korrodierender Substanzen in dem Plasma und auch dem erodierenden Effekt des Plasmas
selbst. Die Erfindung betrifft daher insbesondere die Beseitigung dieser schädlichen
Effekte durch Einführung geeigneter Zuschläge in das Plasma stromaufwärts von den
Elektroden.
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Angenommen, in den Nuten 13 befände sich ein entsprechend dotiertes,
Elektronen emittierendes Material, wie beispielsweise Zirkonoxyd, und es herrsche
eine Plasmatemperatur von ungefähr 30001 K, dann kann die Erosion des Zirkonoxyds
dadurch vermieden werden, daß man Zirkon in das Plasma injiziert oder Zirkonoxyd
dem Plasma hinzufügt, welches über die Elektroden strömt. Da der Dampfdruck von
Zirkonoxyd bei den hier in Betracht kommenden Temperaturen niedrig ist, schlägt
sich dieses Material auf den Elektroden nieder, wenn die Konzentration des Zirkonoxyds
in dem Gas oberhalb von 10-5 der Molkonzentration gehalten wird. Einen Niederschlag
von Zirkonoxyd erreicht man vorzugsweise dadurch, daß man dem Plasma Zirkon in Form
von (ZO 2- SiO.) hinzufügt. In dem Plasma, welches sich auf hoher Temperatur befindet,
sind Verbrennungsprodukte enthalten; in diesen zerfällt das Zirkon bei
1700' C in Zirkonoxyd und Siliziumoxyd. Die Zersetzuno, von Zirkon macht
Zirkonerde frei und bildet in dem Plasma Zirkonoxyd. Das Plasma wird auf einer Temperatur
von etwa 3000' K gehalten, wodurch der Dampfdruck des Zirkonoxyds auf solche
Pegel ansteigt, daß eine Kondensation auf den kälteren Elektroden eintritt, deren
Oberflächen auf ungefähr 2000' K gehalten werden, um eine genügend große thermische
Emission aufrechtzuerhalten. Infolge der Abkühlung der Elektroden ist selbstverständlich
ein Temperaturgradient quer durch das Material in den Nuten vorhanden. Dementsprechend
wird die Temperatur der Oberfläche des Materials in den Nuten in deren Mitte gemessen.
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Wie oben bereits erwähnt, ist aber Siliziumoxyd eine korrodierende
Substanz. Infolgedessen wird dem Plasma auch ein Alkalioxyd, wie beispielsweise
Kalziumoxyd, beigefügt, das zusammen mit dem Zirkon den Schmelzpunkt des Siliziumoxyds
in dem Plasma anhebt, während das Zirkonoxyd einen Teil der Elektroden bildet, der
über der Betriebstemperatur
der Elektrodenoberfläche liegt, wodurch
verhindert wird, daß bei Betriebstemperatur der Elektrodenoberfläche eine flüssige
Phase vorhanden sein kann. Haftet die so gebildete feste Phase an der Elektrode
an, dann bildet sie nur einen sehr dünnen Film, während der größere Teil der festen
Phase, der in Berührun- mit der Elektrode kommt, durch das Plasma entfernt wird.
Wird ein solcher dünner Film an den Elektroden geformt, dann wird die Wirkung mir
sehr wenig gestört; er macht sich in einer ganz kleinen c zD C
Erhöhun- des
inneren Widerstandes der Elektrode bemerkbar.
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Eine Konzentration des Zirkonoxyds von ungefähr 1 bis 2 Gewichtsprozent
der strömenden Masse genügt, um die Nuten in etwa 5 Minuten zu füllen, abhängig
von dem Volumen der zu füllenden Nuten. Die Nuten können also praktisch vollständig
gefüllt werden, wenn die Zirkonerde in ausreichend großer Men-e vorhanden ist oder
wenn wahlweise die Tonerde in einer Menge von 0,01 Gewichtsprozent der strömenden
Masse kontinuierlich beigefügt wird, wobei dann das Material, welches im Wege der
normalen Erosion entfernt worden ist, in konstanter Nachförderung ersetzt werden
kann.
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Für den Fall, daß das Plasma erhebliche Beiträge korrodierender Substanzen
enthält, kann der Anteil an Kalziumoxyd erhöht werden, um die Korrosion praktisch
zu beseitigen. Im allgemeinen hängt die Menge von Kalziumoxyd, die für die Steuerung
der Korrosion erforderlich ist, von der Menge korrodierender Substanzen in dem Plasma
ab. Benutzt man also beispielsweise Kohle, dann kann die erforderliche Kalziumoxydmenge
dadurch ermittelt werden, daß man eine bestimmte Menge Kohle aetrennt verbrennt
und den erzeugten Aschengehalt analysiert und auf diese Weise z. B. den Anteil von
Siliziumoxyd, Eisenoxyd und anderen korrodierenden Produkten ermittelt, die vorhanden
sind. Hat man diese Feststellungen getroffen, dann kann man die üblichen Phasendiagramme
benutzen, die zur Erhöhung des Kalziumoxyds erforderlich sind, um den Schmelzpunkt
irgendeiner Phase zwischen Siliziumoxyd und Zirkonoxyd oberhalb der Betriebstemperatur
der Oberfläche des Zirkonoxyds zu erhöhen.
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Die Erfindung ist nur in der Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs
zu sehen.