Neue Kühltechnik bis zu 300 Prozent effektiver
Magnetflüssigkeit soll Systemzusammenbrüche in Elektronik verhindern
 
Mikrochip: mit neuer Technik absturzsicherer (Foto: pixelio.de/Karl-Heinz Laube)

Cambridge (pte003/21.11.2013/06:10) – Forscher des amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu haben eine neue Technik für Kühlsysteme entwickelt, die bis zu 300 Prozent effektiver als Wasserkühlung sein kann. Statt wie bisher nur Wasser durch Leitungen zu pumpen, werden bei der neuen Methode Magnetfelder eingesetzt, um Hitzestaus und damit einhergehende Systemzusammenbrüche zu vermeiden. Mit der Technik könnten alle möglichen elektronischen Geräte bis hin zu Fusionsreaktoren gekühlt werden.

Forscher selbst überrascht

Die Funktionsweise des Systems wurde im International Journal of Heat and Mass Transfer veröffentlicht. Laut Lin-Wen Hu vom MIT-Nuklearreaktor-Labor sind die neuen Erkenntnisse das Resultat von mehreren Jahren Forschung zu Nanoflüssigkeiten, also Nanopartikel aufgelöst in Wasser. Bei der neuen Kühltechnik fließt ein Gemisch von Wasser und winzigen Partikeln Magnetit, eine Form von Eisenoxid, durch die Leitungen. Magnete werden dann außen an den Leitungen angebracht, um diese Nanoflüssigkeit zu manipulieren.

Die Magnete, so Hu, "ziehen die Partikel dann näher an die heiße Oberfläche" der Leitung, wodurch der Hitzetransfer durch die Wand der Leitung in die Flüssigkeit und dann an die Außenluft stark erhöht wird. Ohne die Magnete verhält sich die Flüssigkeit wie normales Wasser, ohne Änderung des Kühlungsgrades. Mit den Magneten dagegen ist der Hitzetransfer viel höher – im besten Fall etwa 300 Prozent. "Wir waren sehr überrascht vom Unterschied", berichtet Hu.

Anwendung in Chips und Fusionsreaktoren

Die Technik ist MIT-Angaben zufolge zwar unpraktikabel für ein komplettes Kühlsystem, aber dort nützlich, wo Hitzestaus an verschieden Punkten auf den Kühlleitungen auftreten. An solchen "Hotspots", die zu Systemzusammenbrüchen führen können, könnte dann eine magnetische Flüssigkeit in Verbindung mit Magneten den Hitzeabtransport erhöhen. Andere Methoden, etwa indem man Kühlflüssigkeit schneller durchpumpt, sind nach Angaben des MIT energieintensiver.

Für die neue Technik gäbe es vielfältige Anwendungszwecke, so Professor Jacopo Buongiorno vom MIT. Zum Beispiel in Mikrochips, die sich stark aufheizen. Denkbar sei sogar eine Anwendung der Methode bei Fusionsreaktoren. Allerdings sei das noch Zukunftsmusik. "Zu diesem Zeitpunkt ist das Grundlagenforschung. Sie zeigt nur, dass der Effekt existiert", unterstreicht Buongiorno abschließend.

Selbststeuernde Autos: China legt nach
Hongqi HQ3 fuhr alleine 283 Kilometer – ohne GPS
 
Hongqi HQ3: Fuhr 283 Kilometer und verzichtete auf GPS (Foto: Hongqi)

Changsha (pte139/12.08.2011/11:15) – Nicht nur an verschiedenen Universitäten im Westen und bei Google wird an der fahrerfreien Zukunft motorisierter Vehikel gearbeitet. Chinas Nationale Universität für Verteidigungstechnologie http://english.nudt.edu.cn zeigte vergangenen Juli in einem eigenen Versuch den Stand der Forschung im einwohnerstärksten Land der Erde. Ein Pkw des Modells HQ3 des Autobauers Hongqi http://faw-hongqi.com.cn navigierte sich selbständig über 283 Kilometer über Autobahnen, ohne dabei auf satellitengestützte Navigation zurückzugreifen.

Kommandozentrum im Kofferraum

"Wir haben nur eine Maximalgeschwindigkeit festgelegt und alles andere dem Auto überlassen", sagte Dai Bin, einer der Mitarbeiter des Projektteams gegenüber China Daily. Der PKW der oberen Mittelklasse benötigte für den Trip zwischen den Provinzhauptstädten Changsha und Wuhan lediglich drei Stunden und 20 Minuten. Das Auto war mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 87 km/h unterwegs und überholte 67 andere Fahrzeuge.

Der Verzicht auf GPS stellte die Funktionstüchtigkeit der anderen Sensoren auf die Probe. Das Fahrzeug war mit Kameras, einem Radar und einem Lasermessgerät ausgestattet. Kontrolliert wurde es von einem Kommandorechner im Kofferraum, der mit essentiellen Daten über die Reiseroute – Spurwechsel, Straßen und Geschwindigkeitsbegrenzungen – gefüttert war.

Geringe Reaktionszeit

Auf der Reise musste das Auto auf verschiedenste Einflüsse und Gefahren reagieren. "Es gab Nebel und Gewitterschauer auf der komplexen Route, teilweise waren die Spuren schlecht markiert", schildert Bin. Menschliche Autofahrer waren wegen plötzlicher Spurwechsel ebenfalls eine Bedrohung. Das System des Hongqi HQ3 ist jedoch in der Lage, innerhalb von 40 Millisekunden auf derartige Ereignisse zu reagieren, erklärt der Wissenschafter. Menschen würden im Schnitt rund eine halbe Sekunde, also mehr als die zehnfache Zeitspanne, benötigen.

He Hangen, ebenfalls ein Mitglied des Forscherteams, zeigte sich ebenfalls zufrieden mit dem Resultat des Testlaufs. "Die Forschung an fahrerlosen Autos hat in China erst spät begonnen, doch einige Technologien sind bereits auf dem Niveau internationaler Standards."

Anwendungen in der Biomedizin als Forschungsschwerpunkt

Biegsamer Silizium-Chip (Foto: John Rogers)
 
Champaign (pte/29.03.2008/06:15) – Forscher haben erstmals einen flexiblen Chip auf Silizium-Basis entwickelt. Er kann in komplexe Formen, etwa die einer Sphäre oder jene von Körperteilen, gebracht werden und erleidet auch bei starker Verformung keine Leistungsverluste. "Die Annahme, dass Silizium nicht für solche Anwendungen geeignet ist, weil es inhärent zu brüchig und steif ist, ist verworfen worden", erklärt der an der Entwicklung beteiligte Professor der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) http://www.uiuc.edu John Rogers. Damit öffnen sich der langjährig bewährten Silizium-Elektronik neue Anwendungsmöglichkeiten.

Die Forscher haben sich bei der Entwicklung daran orientiert, dass dünnere Materialien in der Regel auch flexibler sind und haben die Gesamtdicke ihres Chips auf 1,5 Mikrometer gedrückt. Das ist allerdings nicht der ganze Trick. "Wir haben herausgefunden, wie wir hochwertige Elektronik von den üblichen, steifen, brüchigen Halbleiter-Wafers trennen und sie mit weichem Gummi verbinden", erklärt Rogers gegenüber pressetext. Das Silizium wird dabei auf einen deformierten Gummi-Träger aufgebracht, der danach wieder entspannt wird. Das Ergebnis sind Schaltkreise mit einer Art Wellenstruktur, die voll reversibel gedehnt oder komprimiert werden können. Die Leistung ist dabei mit jener von klassischer Silizium-Chips vergleichbar, was einen Vorteil gegenüber flexibler Elektronik auf Basis organischer Halbleiter darstellt.

"Die Anwendungen, die uns am spannendsten erscheinen, liegen im biomedizinischen Bereich", so Rogers. Genau hier galt Silizium-Elektronik bisher als wenig attraktiv, da die Schaltkreise rigide waren. Das Team lege mit seinen Forschungsbemühungen den Schwerpunkt auf diesen Bereich. Ein Beispiel ist eine Zusammenarbeit mit Brian Litt an der University of Pennsylvania http://www.upenn.edu im Bereich der Diagnose und Therapie bei Epilepsie. "Wir arbeiten an dehnbaren Platten mit Sensoren und Elektronik, die direkt an der Oberfläche des Gehirns eines Epilepsiepatienten integriert werden können", erklärt Rogers. Ziel ist es, durch Beobachtung der Gehirntätigkeit epileptische Anfälle vorhersagen und durch elektrische Stimuli sogar verhindern zu können. Zwar sei das noch nicht gelungen, doch seien bereits erste Prototypen der entsprechenden Schaltkreise entstanden.

Die aktuelle Forschungsarbeit wurde vom Journal Science http://www.sciencemag.org in dieser Woche online veröffentlicht und baut auf einer rund zwei Jahre alten Arbeit auf. Gemeinsam mit noch zu veröffentlichen Forschungsergebnissen bildet es "eine Roadmap, um beinahe jede mechanische Charakteristik in Schaltkreisen von beinahe beliebiger Komplexität zu erreichen", so Rogers. Er rechnet damit, dass es in drei bis fünf Jahren erste kommerzielle Anwendungen der dehnbaren Elektronik geben wird. "Ich denke, dass das biomedizinische Geräte für die Prothetik, das Monitoring oder die Therapie sein werden", meint der Wissenschaftler.

Roboter der Zukunft mit Urin angetrieben
Künstliches Herz wandelt Harn in elektrische Energie um
 
Verkabelter Urin-Tank: Sprit für Roboter der Zukunft (Foto: brl.ac.uk)

Bristol (pte022/08.11.2013/13:15) – Ein neues Gerät soll menschliche Ausscheidungen in die Motorräume selbsterhaltender Roboter pumpen und somit deren Energieversorgung sicherstellen. Forscher der Bristol Robotics Laboratory http://brl.ac.uk haben die Apparatur dem menschlichen Herzen nachempfunden. Sie könnte dafür verwendet werden, die nächste Öko-Robotergeneration mit menschlichem Urin zu versorgen, die diese dann in elektrische Energie umwandelt.

Mikrobielle Brennstoffzellen genutzt

Bereits vier Generationen von Öko-Robotern haben die Wissenschaftler in den vergangenen zehn Jahren entwickelt, wobei jede einzelne Generation mikrobielle Brennstoffzellen, welche mit Hilfe von Mikroorganismen organische Substanzen verarbeiten, zur Energiegewinnung nutzt. In der Zukunft könnten solche Öko-Roboter in Gebieten hoher Verschmutzung oder hoher Gefahren eingesetzt werden. Ziel es es, dass nur geringe menschliche Instandhaltungsarbeiten vonnöten sind.

Roboter mit Urin als Treibstoff könnten Überwachungs- und Kontrolldienste leisten. Dazu gehören Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftqualitätsmessung. Gemeinsam können dabei mehrere solcher Roboter als Sensorennetzwerk fungieren, meint Peter Walters, einer der Forscher an dem Projekt. "In den Städten könnte man den Urin aus den öffentlichen Pissoirs gewinnen, auf dem Land wiederum aus den Schmutzwässern der Farmen", meint der Entwickler.

Künstliche Muskelfasern als Pumpe

Derzeit werden konventionelle Motorenpumpen verwendet, um die Brennstoffzellen der Roboter mit den notwendigen Abfällen zu beliefern. Jedoch sind diese anfällig für mechanisches Gebrechen. Die neue Gerätegeneration hingegen arbeitet ähnlich wie das menschliche Herz. Sie komprimiert den Körper der Pumpe und drängt dabei die Flüssigkeit nach außen. Dazu wurden intelligente Werkstoffe als künstliche Muskelfasern verwendet, die selbstständig und ohne Regelung von außen auf verändernde Umweltbedingungen reagieren.

Im Versuch konnte der urinbetriebene Roboter genug Energie generieren, um einen Kondensator aufzufüllen, der dann verwendet werden konnte, um einen neuerlichen Pumpzyklus des künstlichen Herzens zu beginnen. "Der künstliche Herzschlag ist mechanisch simpler als eine konventionell angetriebene Elektromotorpumpe mit dem Vorteil, dass wir künstliche Muskelfasern und keinen Elektromotor, der viel komplizierter im Aufbau ist, verwenden um, den Pumpvorgang zu ermöglichen", stellt Walters klar.