Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Polymerfaser formt kräftigen künstlichen Muskel

(pte/MIT) – Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neue Art von Faser aus Polymerstoffen entwickelt, die sich bei Erhitzung zu einer Spirale zusammenziehen und einen sehr starken künstlichen Muskel bilden kann. Dieser Muskel könne laut den Forschern ein wichtiger Fortschritt für Roboter und Prothesen sein. Er sei leichter und reagiere schneller als bestehende Konzepte für künstliche Muskeln.

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Gleiches Prinzip wie Gurkenpflanze
Das Forschungsteam orientierte sich bei den Fasern am Wachstum einer Gurkenpflanze. Aus dieser sprießen spiralförmige Ranken, die nach Objekten suchen, an denen sie die Pflanze nach oben ziehen können, damit sie möglichst viel Licht bekommt. Die Faser des MIT ist ebenfalls in eine Spirale gewunden, die sich bei Belastungen auseinander- und bei Erhitzung wieder zusammenzieht.

Um die Faser zu entwickeln, verbanden die Forscher zwei Polymerstoffe, die sich bei Hitze in unterschiedlichem Ausmaß zusammenziehen. Dank der Mischung des sehr steifen Polyethylen und dem deutlich dehnbareren Elastomer formt das Material bei Erhitzung eine Spirale, die eine hohe Zugkraft hat. Die Forscher hatten ursprünglich nicht damit gerechnet, dass die Faser bei Hitze zu einer so starke Kontraktion fähig ist. „Hier war viel glücklicher Zufall im Spiel“, freut sich MIT-Professorin Polina Anikeeva, die an der Entwicklung beteiligt war.

Faser hat große Zugkraft
Eine einzelne Faser kann das 650-Fache ihres eigenen Gewichtes heben. Im Experiment konnte sich die Faser 10.000 Mal strecken und wieder zusammenziehen, ohne ihre Stärke zu verlieren. Den Forschern zufolge sei es auch möglich, das Ausmaß zu bestimmen, in dem sich die Faser bei Hitze zusammenzieht. So könne man einen künstlichen Muskel, der die Faser enthält, durch Anwendungen zu Erhitzung automatisch kontrollieren.

Laut MIT-Postdoktorand Mehmet Kanik, der die Entwicklung der Faser leitete, eröffnen sich durch die Entdeckung, dass zwei Polymerstoffe mit unterschiedlichen Graden der Kontraktion bei Hitze Spiralen bilden, enorm viele Anwendungsmöglichkeiten. Alle möglichen Materialien könnten somit kombiniert werden, um kräftige Fasern zu entwickeln. „Die Stärke dieses Ansatzes ist seine Einfachheit“, meint Kanik.

Infrarotwärmestrahlen in elektrischen Strom umgesetzt

(Rice University) – Forscher der Rice University können Abwärme nun äußerst effizient recyceln. Der neue Ansatz basiert auf einer speziellen Anordnung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, durch die Strahlung im mittleren Infrarotbereich kanalisiert wird. Dies erhöht die Effizienz von Solarenergiesystemen deutlich. Die Methode hat das Potenzial, den Wirkungsgrad von Solarmodulen von 22 Prozent auf ein Maximum von 80 Prozent zu steigern.

Licht in Strom umgewandelt
Zum Einsatz kommen eine Reihe von Hohlräumen, die sich in einen Film aus ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren befinden. Optimiert absorbiert die Folie thermische Photonen und emittiert Licht in einer schmalen Bandbreite, das sich als Strom recyceln lässt. Bei der Erfindung handelt es sich um einen thermischen Emitter, der intensive Wärme absorbiert, die sonst in die Atmosphäre abgegeben würde, sie in eine schmale Bandbreite umwandelt und als Licht abgibt, das in Strom umgewandelt werden kann.

Die angeordneten Nanoröhrchen sind Leitungen, die Abwärme aufnehmen und in Photonen mit schmaler Bandbreite umwandeln. Da Elektronen in den Nanoröhrchen nur in eine Richtung wandern können, sind die ausgerichteten Schichten in diese Richtung metallisch und isolieren gleichzeitig in der senkrechten Richtung. Dabei handelt es sich um einen Effekt, den die Forscher als hyperbolische Dispersion bezeichnen. Thermische Photonen können den Film aus jeder Richtung treffen, aber nur über eine Richtung verlassen.

Äußerst temperaturbeständig
„Indem wir die gesamte vergeudete Wärmeenergie in einen kleinen Spektralbereich pressen, können wir sie sehr effizient in Strom umwandeln“, schildert Gururaj Naik von der Rice University. „Die theoretische Vorhersage ist, dass wir 80 Prozent Effizienz erreichen können“, fügt er hinzu. Kohlenstoff-Nanoröhrchen eignen sich für diese Aufgabe, da sie Temperaturen bis zu 1.700 Grad Celsius standhalten.

 

Technologien für die sechste Mobilfunkgeneration

(KIT) – Drahtlose Datennetze der Zukunft müssen höhere Übertragungsraten und kürzere Verzögerungszeiten ermöglichen und dabei immer mehr Endgeräte versorgen. Dies erfordert Netzwerkstrukturen aus vielen kleinen Mobilfunkzellen. Zur Anbindung dieser Zellen bedarf es leistungsfähiger Übertragungsstrecken bei hohen Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich. Außerdem gilt es, die Übertragungsstrecken möglichst nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzen ultraschnelle elektro-optische Modulatoren ein, um Datensignale von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung zu konvertieren. Sie berichten in der Zeitschrift Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-019-0475-6)

Während der neue Mobilfunkstandard 5G noch getestet wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher bereits an Technologien für die nächste Generation der drahtlosen Datenübertragung. „6G“ soll noch deutlich höhere Übertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten, eine größere Gerätedichte sowie die Integration Künstlicher Intelligenz ermöglichen. Auf dem Weg zur sechsten Mobilfunkgeneration sind viele Herausforderungen zu meistern, was sowohl die einzelnen Komponenten als auch ihr Zusammenwirken betrifft. So werden die drahtlosen Netze der Zukunft aus einer Vielzahl kleiner Mobilfunkzellen bestehen, innerhalb derer hohe Datenmengen schnell und energieeffizient übertragen werden können. Zur Vernetzung dieser Zellen werden Funkstrecken benötigt, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, drahtlose Übertragungsstrecken nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen – hohe Kapazität und Zuverlässigkeit mit Mobilität und Flexibilität.

Einen vielversprechenden Ansatz zur Konversion der Datenströme von der Terahertz-Übertragung zur optischen Übertragung haben Wissenschaftler an den Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) des KIT und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg entwickelt: Wie sie in der Zeitschrift Nature Photonics berichten, verwenden sie ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und damit die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser anzukoppeln. Die Wissenschaftler nutzen in ihrem Experiment eine Trägerfrequenz von circa 0,29 THz und erreichen eine Übertragungsrate von 50 Gbit/s. „Der Modulator beruht auf einer plasmonischen Nanostruktur und hat eine Bandbreite von mehr als 0,36 Terahertz“, erklärt Professor Christian Koos, Leiter des IPQ und Mitglied der kollegialen Leitung des IMT. „Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial nanophotonischer Bauteile für die ultraschnelle Signalverarbeitung.“ Das von den Forschern demonstrierte Konzept kann die technische Komplexität von zukünftigen Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduzieren und Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten ermöglichen – vorstellbar sind mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 25 100 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.

Neue, preisgünstigere Solarzellen in der Forschung

(KIT) – Die Sonne ist eine unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle. Deshalb nimmt die Photovoltaik bei der Energieerzeugung in Deutschland eine immer wichtigere Rolle ein. Zu den vielversprechenden Materialien für Solarzellen – mit einem hohen Wirkungsgrad und kostengünstig in der Herstellung – gehören die metallorganischen Perowskite. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht aus Nickeloxid entwickelt, die großflächig abscheidbar ist und in diesen Solarzellen zu Rekordeffizienzen führt.

Mit Wirkungsgraden von über 24 Prozent im Labor gehören Perowskit-Solarzellen heute zu den effizientesten Dünnschichttechnologien der Photovoltaik. Sie versprechen im Vergleich zu den Silizium-Solarzellen, die derzeit den Markt dominieren, eine deutlich günstigere und einfachere Herstellung.

Trifft Sonnenlicht auf den Perwoskit-Absorber, lösen sich dort Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand und werden energetisch angeregt. Gleichzeitig bleiben positiv geladene Fehlstellen als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der Solarzelle entnehmen zu können, müssen diese Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt werden. In Perowskit-Solarzellen geschieht dies durch selektive Ladungsträgerschichten, also Membranen, die entweder nur die Elektronen oder nur die Löcher passieren lassen“, erklärt Tobias Abzieher, Doktorand am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Damit erfordern effiziente Perowskit-Solarzellen nicht nur eine Optimierung der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht, sondern auch dieser ladungsträgerselektiven Schichten.“

Zusammen mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT hat Abzieher eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht für Perowskit-Solarzellen auf Basis von Nickeloxid (NiOx) entwickelt. Diese Schicht ist nicht nur kostengünstig, sondern auch im Gegensatz zu den üblichen organischen Materialien unempfindlicher gegenüber Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Substrat abzuscheiden, nutzen wir eine Vakuumprozesstechnik – die Elektronenstrahlverdampfung. Dabei lagert sich das Metalloxid mittels Bedampfung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht großflächig homogen, sowie dank der geringen Anzahl an Prozessparametern mit gleichbleibend hoher Qualität herstellen“, so Abzieher.

Wirkungsgrade erzielen Weltrekord
Für vollständig vakuumprozessierte Perowskit-Solarzellen erzielt das Team Wirkungsgrade von bis zu 16,1 Prozent und demonstriert damit eine der effizientesten Perowskit-Solarzellen auf Basis dieser Methode. Neben der reinen Vakuumabscheidung bildet das hocheffiziente Substrat auch einen idealen Ausgangspunkt für die Abscheidung des Absorbers per Tintenstrahldruck – das heißt mittels einer Drucktechnik wie man sie von daheim kennt. Mit diesem Verfahren stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Weltrekord auf: Sie erzeugen mit tintenstrahlgedruckten Absorberschichten Wirkungsgrade bis zu 18,5 Prozent. „Aktuell dominiert in der Entwicklung die Abscheidung per Drehrotationsbeschichtung, für die Wirkungsgrade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerding lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertragen“, sagt Tobias Abzieher.

„In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf skalierbare Herstellungsverfahren. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die Perowskit-Photovoltaik aus dem Labor in die Fabriken zu bringen“, so Dr. Ulrich W. Paetzold, Leiter der Arbeitsgruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und dem Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT.

An dem Projekt ist neben dem KIT auch das Innovation Lab in Heidelberg beteiligt. Die Forschung wurde unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Initiierungs- und Vernetzungsförderung der Helmholtz-Gemeinschaft sowie die Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP).

Effizienz von Solarzellen – Forscher steigern sie in unglaubliche Höhen

(pte) – Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://www.mit.edu haben eine Methode entwickelt, um die Leistung von Solarzellen über das bislang angenommene Limit hinaus zu steigern. Ihnen ist es gelungen, mit einem einzigen energiereichen Photon gleich zwei Elektronen freizusetzen. Diese bilden, wenn sie in großen Mengen auftreten, einen elektrischen Strom, der sich für Solarzellen nutzen lässt. Damit könnte sich deren theoretisch möglicher Wirkungsgrad verdoppeln.

Die gewöhnliche Funktionsweise von Solarzellen ist laut dem Forschungsteam zu ineffizient. Jedes Lichtteilchen (Photon) befreit genau ein Elektron aus dem photoelektrischen Material einer Solarzelle, auch wenn es weit mehr Energie enthält, als für die Aktion eigentlich nötig ist. Diese bisher gültige Tatsache begrenzt den theoretisch möglichen maximalen Wirkungsgrad auf 29,1 Prozent – in der Praxis sind es gut 20 Prozent. Die neue Methode soll das wahre Potenzial von Solarzellen entfesseln.

Excitonen absorbieren Licht
Der Schlüssel für die neue Methode liegt in Halbleiter-Materialien, die Excitonen enthalten. Das sind Elektronen-Loch-Paare, die energetisch angeregt sind. „Diese fließen wie Elektronen in einem elektrischen Schaltkreis“, sagt Marc Baldo, Elektrotechniker am MIT. Das Material absorbiert Lichtteilchen, wobei Excitonen entstehen, die sich teilen lassen. Jedes Teil enthält dadurch die Hälfte der Energie, die das Photon abgegeben hat.

Damit ist allerdings noch kein Strom erzeugt. Dazu ist es nötig, die halben Excitonen ins benachbarte Silizium zu transferieren. Dies gelang den Forschern mit allerlei physikalischen Tricks. Im Silizium setzten die angeregten Teilchen jeweils ein Elektron frei. Damit produzierte ein einziges Photon letztlich zwei Elektronen. Weil das nicht immer hundertprozentig gelingt, schätzen die Forscher den damit möglichen Wirkungsgrad auf 35 Prozent.

Methode hat noch Raum für Verbesserung
Der von den Forschern gewünschte Wirkungsgrad ist jedoch noch lange nicht erreicht. Die Koppelung zwischen dem Excitonen-Material und dem Silizium müsse noch verbessert werden, sagt das Forschungsteam. Zusätzlich ist geplant, auf diese spezielle Zelle ein Perowskit-Modul zu setzen, das transparent ist, sodass Photonen die darunter liegende photoelektrische Schicht ungehindert erreichen können, nachdem ein Teil davon in der Perowskit-Schicht bereits Strom erzeugt hat. Diese sogenannte Tandemzelle hätte einen noch höheren Wirkungsgrad.

Droht Deutschland eine Strom-Versorgungs-Katastrophe ?

(Businessinsider) – Am 15.01.2020 um 19 Uhr könnte Deutschland schon nicht mehr in der Lage sein, Extremsituationen im Stromnetz selbst zu bewältigen. Die vier großen Übertragungsnetzbetreiber 50 Hertz, Amprion, Tennet und TransnetBW prognostizieren dies in ihrem „Bericht der deutschen Übertragungsnetzbetreiber zur Leistungsbilanz 2016-2020“, über den die „Welt“ berichtet. In diesem Bericht werden voraussichtliche Stromeinspeisung und Stromverbrauch gegenübergestellt und ein Stichtag und -Uhrzeit gewählt, an dem erwartungsgemäß der höchste Deckungsbedarf und der niedrigste Speicherwert im Stromnetz herrscht. Unter Betrachtung dieses „Extremwertes“ können die Netzbetreiber „die voraussichtlich kritischste Situation“ im Stromnetz bewerten. Eine Aussage der Eintrittswahrscheinlichkeit trafen die Netzbetreiber nicht.

Nach der Jahreshöchstlast 2016, welche am 7. Dezember eintrat, war eine Reservelast von 27,5 Gigawatt vorhanden, begünstigt durch unerwartet hohe Zufuhr an Windenergie. Am Referenztag 2017 betrug dieser Wert nur noch 3,5 Gigawatt und laut Prognosen soll er in weniger als 24 Monaten im negativen Bereich, bei -0,5 Gigawatt, liegen – und dabei sind Reservekraftwerke schon mit einberechnet. Das Ausmaß einer in diesem Falle eintretenden Unterdeckung ist schwer einzuschätzen.

Prognose der Bundesnetzagentur
Der Bundesverband für Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) rechnete bisher mit einer Unterdeckung erst zur Abschaltung des letzten Atomkraftwerks und Sicherheitsreserve der Braunkohle im Jahr 2023. Die Bundesnetzagentur äußert sich ebenfalls zu dem Thema. Sie beurteilt die Rechnung der Übertragungsnetzbetreiber als unwahrscheinlich: Die berechnete minimale Erzeugung erneuerbarer Energien sei sehr gering, die angenommene Anzahl der Ausfälle konventionelle Kraftwerke sehr hoch. Beide Ereignisse müssten mit der Jahresspitzenlast zusammenfallen, was „mit größter Wahrscheinlichkeit am 15. Januar 2020 um 19 Uhr so nicht gegeben ist“.

Die Gleichzeitigkeit der Jahresspitzenleistung mit der extrem niedrigen Zugabe von erneuerbaren Energien ist im Winter aufgrund des Klimas dennoch nicht ganz so unwahrscheinlich Durch die niedrigen Temperaturen steigt der Stromverbauch an, die Sonne scheint nur sehr wenig auf die Fotovoltaik-Anlagen und durch die Hochdrucklage generieren auch die Windräder nur sehr wenig Strom.

Was sind die Maßnahmen im Fall einer Unterdeckung?
Sollte der beschriebene Fall der aufgebrauchten Reserven eintreten, müsse man dieses Defizit durch Strom-Importe aus dem europäischen Verbundsystem kompensieren. Durch einen solchen Import kommt es allerdings zu einem Kontrollverlust, denn es besteht keine Garantie, dass in anderen Ländern Überschüsse zum Export bereitstehen. Selbst der Strom-Riese Frankreich muss im Winter Strom importieren. Deshalb bezeichnen die Übertragungsnetzbetreiber eine Untersuchung zur Verlässlichkeit solcher ausländischen Versorgungsbeiträge als notwendig.

Die wachsende Unsicherheit der deutschen Stromversorgung wirft die Frage auf, ob weitere Kohlekraftwerke wirklich kurzfristig stillgelegt werden sollten oder ob die Energiewende noch warten muss. Die Union zeigte sich in Sondierungsgesprächen bereit, durch solche Stilllegungen von Kohlekraftwerken sieben Gigawatt bis 2020 einzubüßen. Das SPD-geführte Wirtschaftsministerium sah in diesem Vorhaben keine Gefahr für die Versorgungssicherheit.

Ab 2023 wird es kritisch
Stefan Kapferer, Vorsitzender der BDEW-Hauptgeschäftsführung, erklärte gegenüber der „WELT“, dass die deutschen Übertragungsnetzbetreiber wahrscheinlich auch für 2019 und 2020 Reserveleistungen im Ausland einkaufen werden, um den Wert der „verfügbaren Leistung“ im positiven Bereich zu halten. Kritisch sah er die Situation ab 2023: „Bis dahin wird die gesicherte Leistung vollständig abgebaut sein“. Die BDEW prognostiziert die Jahreshöchstlast für 2023 auf etwa 81,8 Gigawatt, die gesicherten Leistungen würden aber nur Werte bis etwa 75 Gigawatt erreichen. Durch ähnliche Entwicklungen im Ausland sei „die Hoffnung, die Lücke vollständig durch Import-Strom zu schließen, trügerisch.“
Jonas Grundler

Graphen: Alleskönner aus Kohlenstoff

(KIT) – Die chemische Verbindung Kohlendioxid kennt die Allgemeinheit als Treibhausgas in der Atmosphäre und wegen seines klimaerwärmenden Effekts. Allerdings kann Kohlendioxid auch ein nützlicher Ausgangsstoff für chemische Reaktionen sein. Über eine solche ungewöhnliche Einsatzmöglichkeit berichtet nun eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift ChemSusChem. Sie nutzt Kohlendioxid als Ausgangstoff, um das derzeit sehr intensiv untersuchte Technologiematerial Graphen herzustellen. (DOI: 10.1002/cssc.201901404)

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl liefert Energie für Strom, Wärme und Mobilität, aber führt auch zum Anstieg der Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre und damit zur Klimaerwärmung. Diese Kausalkette zu durchtrennen, motiviert Wissenschaftler alternative Energieträger zu suchen, aber auch alternative Nutzungsformen für Kohlendioxid. Eine Möglichkeit könnte sein, das Kohlendioxid als günstigen Ausgangsstoff für die Synthese von Wertstoffen zu sehen und somit in den wirtschaftlichen Verwertungskreislauf – unter Umständen sogar gewinnbringend – wiedereinzuführen.

Ein Vorbild dafür findet sich in der Natur: Bei der Fotosynthese in den Blättern von Pflanzen entsteht aus Licht, Wasser und Kohlendioxid wieder Biomasse und der natürliche Stoffkreislauf ist geschlossen. In dem Prozess ist es die Aufgabe des metallbasierten Enzyms RuBisCo, das Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen und für die weiteren chemischen Reaktionen in der Pflanze nutzbar zu machen. Von dieser metallenzymbasierten natürlichen Umwandlung inspiriert stellen nun Forscherinnen und Forscher am KIT einen Prozess vor, in dem das Treibhausgas Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff mit Hilfe von speziell präparierten, katalytisch aktiven Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius direkt in das Technologiematerial Graphen überführt wird.

Graphen ist die zweidimensionale Form des chemischen Elementes Kohlenstoff, welches interessante elektrische Eigenschaften aufweist und daher für zukünftige, neuartige Elektronikbauteile in Frage kommt. Seine Entdeckung und Handhabbarmachung im Jahre 2004 führte zu weltweiter, intensiver Forschung und brachte den Entdeckern Andre Geim und Konstanin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik ein. Die beiden nahmen das Graphen händisch per Klebeband von einem Block Graphit ab.

Eine Zusammenarbeit mehrerer Arbeitsgruppen am KIT stellt nun in der Fachzeitschrift ChemSusChem eine Methode vor, Graphen mittels einem Metal-Katalysator aus Kohlendioxid und Wasserstoff abzuscheiden. „Wenn die Metalloberfläche das richtige Verhältnis von Kupfer und Palladium aufweist, findet die Umwandlung von Kohlendioxid zu Graphen direkt in einem einfachen einstufigen Prozess statt“, erklärt der Leiter der Studie, Professor Mario Ruben, vom Arbeitskreis Molekulare Materialien am Institut für Nanotechnologie (INT) und am Institut für Anorganische Chemie (AOC) des KIT. In weiteren Experimenten gelang es den Forschern sogar, das Graphen mit mehreren Schichten Dicke herzustellen, wie es für mögliche Anwendungen in Batterien, elektronischen Bauteilen oder Filtermaterialien interessant sein könnte. Das nächste Forschungsziel der Arbeitsgruppe ist es nun, aus dem gewonnen Graphen funktionierende elektronische Bauteile zu formen. Kohlenstoffmaterialien wie Graphen und magnetische Moleküle könnten die Bausteine für zukünftige Quantencomputer sein, die ultraschnelle und energieeffiziente Berechnungen ermöglichen, aber nicht auf der binären Logik heutiger Computer fußen.

 

Was bedeutet Freiheit ? Das Magazin der Leibniz-Forschungsgemeinschaft

(Leibniz-Institut) – Frei von staatlichen Eingriffen zu denken und zu leben, mag für uns in Deutschland alltäglich sein – aber es ist nicht selbstverständlich. Unsere grundlegenden Rechte schützt seit mittlerweile 70 Jahren das Grundgesetz, auch mit dem Grundrecht auf Wissenschaftsfreiheit, das freie Forschung und Erkenntnisse für alle ermöglicht. Andernorts kämpfen Menschen bis heute für ein selbstbestimmtes Leben. Wie kann Freiheit ein globales Gut werden?

Freie Forschung braucht unter anderem Autonomie, die Möglichkeit, Ergebnisse frei zu publizieren und finanzielle Förderung. In vielen Ländern finden Forschende diese Bedingungen heute vor; in anderen haben sie mit Repression und staatlichen Eingriffen zu kämpfen. Mit der Publizistin Carolin Emcke und der ungarischen Historikerin Andrea Petö haben wir über Wissenschaftsfreiheit gesprochen – und über ihre Gegner.

Am Leibniz-Zentrum für Zeithistorische Forschung befasst sich die Historikerin Juliane Fürst mit Freigeistern in Zeiten des Kalten Krieges: Inspiriert von den Hippies in den USA träumten in den 1960er Jahren auch in der Sowjetunion junge Menschen von Liebe, Frieden und Rock ’n’ Roll. Doch ihre Suche nach Freiheit brachte die Blumenkinder des Ostens in Konflikt mit dem Regime.

Weltweit erleiden Schätzungen zufolge jährlich 130.000 Menschen eine Querschnittslähmung als Folge eines Unfalls, andere schränkt sie von Geburt an massiv in ihrer Bewegungsfreiheit ein. Am DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Aachen forscht Laura De Laporte an einer Therapie für Rückenmarksverletzungen. Angetrieben wird sie dabei auch von ihrer persönlichen Geschichte.

Außerdem lesen Sie in leibniz:

Freie Köpfe: Im Mathematischen Forschungsinstitut Oberwolfach treffen sich die Koryphäen des Fachs zum Gedankenaustausch – in Workshops oder bei einer Wanderung durch den Schwarzwald.

Wiederansiedlung: Überfischung, Umweltverschmutzung und Dämme haben den Stör aus Deutschlands Gewässern verdrängt. Leibniz-Forscher arbeiten an seiner Rückkehr.

Homosexuelle Emanzipation: Im Interview spricht der Historiker Michael Schwartz über eine Erfolgsgeschichte mit dunklen Kapiteln und Rückschlägen.

Willensfrage: Wie frei sind unsere Entscheidungen wirklich?

Staubfrei: Selbst winzigste Partikel müssen draußen bleiben. Zu Besuch im Reinraum des IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik.

Autokratie: Um an der Macht zu bleiben, beschneiden autokratische Regime die Freiheiten ihrer Bürger – und greifen dazu auch auf demokratische Mittel zurück.

Forschungspolitik: Mit Bundesarbeitsminister Hubertus Heil und Wilhelm Bauer vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation hat Leibniz-Präsident Matthias Kleiner über die digitalen Arbeitswelten der Zukunft gesprochen.

Resilienz: Am Römisch-Germanischen Zentralmuseum – Leibniz-Forschungsinstitut für Archäologie untersucht Alexandra W. Busch, was Gesellschaften widerstandsfähig macht.

Nur so ein Vorschlag: In seiner Kolumne lädt Leibniz-Präsident Matthias Kleiner dieses Mal zum Seilspringen ein.

Die Leibniz-Gemeinschaft
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 95 selbständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen knapp 20.000 Personen, darunter etwa die Hälfte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro.

Wissenschaftlich gemessen: Wirbel von schwarzen Löchern im Universum

(pte) – Forschern an der NASA  ist es dank Röntgentechnologie gelungen, die Geschwindigkeit der Wirbel von fünf supermassiven schwarzen Löchern zu messen. „Die Masse in einem dieser kosmischen Wirbel bewegt sich mehr als 70 Prozent der Lichtgeschwindigkeit um sein schwarzes Loch herum“, schreiben die Forscher. Den Astronomen zufolge beschleunigt sich die Drehung von schwarzen Löchern durch die zunehmende Masse, die sie konsumieren.

Vergrößerung durch Krümmung von Raum und Zeit
Um die schwarzen Löcher untersuchen zu können, benutzten sie das Röntgenteleskop des Satelliten Chandra. Sie machten sich auch ein physikalisches Phänomen zunutze, das bereits Albert Einstein festgestellt hatte: den Gravitationslinseneffekt. Dieser bedeutet, dass es durch die Krümmung von Raum und Zeit durch eine große Masse möglich ist, weit entfernte Objekte vergrößert zu sehen.

Im Falle des NASA-Experimentes handelte es sich bei der großen Masse um eine große Galaxie. So konnten die Astronomen sechs Quasare studieren, die sich in einer Entfernung von der Erde von bis zu 10,9 Mrd. Lichtjahre befinden. Die Quasare bestehen alle aus einem schwarzen Loch, welches unaufhörlich Masse konsumiert.

Ereignishorizont dreht sich mit Lichtgeschwindigkeit
Für die Messung des Wirbels selbst verwendeten die Forscher den sogenannten Mikrolinseneffekt. Bei diesem konnten individuelle Sterne in der Galaxie zwischen Erde und Quasaren verwendet werden, um eine noch stärkere Vergrößerung zu erreichen. Die Astronomen gingen davon aus, dass schwarze Löcher, die in einem relativ kleinen Raum Röntgenstrahlen aussenden, sich schneller drehen müssen.

So konnten sie feststellen, dass sich der „Einsteinkreuz“ genannte Quasar mit der höchsten möglichen Geschwindigkeit dreht. Sie schätzen, dass sich der Ereignishorizont von dessen schwarzen Loch mit Lichtgeschwindigkeit dreht. Die anderen vier würden sich mit etwa der Hälfte dieser Geschwindigkeit drehen, eines konnte nicht gemessen werden. Der Grund für diese Geschwindigkeit ist möglicherweise die Masse, welche die schwarzen Löcher über Milliarden von Jahren angesammelt haben. Sie würden sich in einer immer gleichen Drehbewegung befinden, die durch die angehäufte Masse immer weiter beschleunigt wird.

Ist die batteriebetriebene Elektromobilität auf dem Holzweg ? Mit einem Vorwort von Jean Pütz

Liebe Besucher meiner Homepage,
der unten stehende interessante Artikel bestätigt meine These, dass mit Batterie betriebene Elektroautos die CO2-Bilanz weltweit leider nicht verbessern werden.

Schon seit vielen Jahren bemühe ich mich, eine Alternative zu finden, die unmittelbar einsetzbar ist und der Elektromobilität auf andere Weise Vorschub leisten könnte. Sie kostet trotzdem ebenso wie das reine Elektroauto 100%ig die geniale Erfindung des neuen elektromotorischen Antriebs aus. Ein weiterer Vorteil: Ein Getriebe wird überflüssig und die Batteriekapazität kann auf ein Drittel reduziert werden. Selbstverständlich kann die Bewegungsenergie beim Bremsen spritsparend regeneriert werden. Dazu ist nichts anderes notwendig, als ein Abgas-optimierter Lademotor – ob Diesel, Benziner oder Turbine. Eine Technologie, die in Perfektion vorhanden ist. Die Umdrehungszahl des Lademotors kann auf den besten Wirkungsgrad eingestellt werden und seine Abwärme löst auch das Problem der Heizung und des Klimaaggregats, das sonst die Reichweite reiner Elektroautos erheblich verringert.

Im Übrigen könnte der Motor demnächst mit regenerativem Treibstoff angetrieben werden. Diese sogenannte modifizierte Hybrid-Lösung ermöglicht es, extrem leichte Autos zu konstruieren, die bestenfalls ein bis drei Liter – je nach Größe – Treibstoff auf 100 Kilometern benötigen.

Eine langfristige Perspektive bildet der mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen-Antrieb.
Ihr Jean Pütz

(STIMME DES WESTENS) – In Deutsch­land ver­engt sich die Dis­kus­si­on über die An­trie­be der Zu­kunft auf die höchst pro­ble­ma­ti­schen Bat­te­rie­au­tos. In Chi­na, dem glo­ba­len Leit­markt für Elek­tro­mo­bi­li­tät, steu­ert man be­reits um. Das soll­ten wir auch.

Viel­leicht lie­fe in Deutsch­land ei­ni­ges an­ders, wenn im Land der In­ge­nieu­re auch mal ein In­ge­nieur Mi­nis­ter wür­de. So ei­ner wie Wan Gang. In der 80ern stu­dier­te er in Deutsch­land An­triebs­tech­nik, be­vor er zehn Jah­re lang in der Ent­wick­lungs­ab­tei­lung bei Au­di ar­bei­te­te. Dann kehr­te er nach Chi­na zu­rück und wur­de 2007 zum Mi­nis­ter für Wis­sen­schaft und Tech­no­lo­gie be­ru­fen. In der Au­to­bran­che hat Wan ei­nen Ruf wie Don­ner­hall: Er ist der Ar­chi­tekt der chi­ne­si­schen Elek­tro­au­to-Re­vo­lu­ti­on.

In nur ei­ner De­ka­de ent­wi­ckel­te sich un­ter Wans Ägi­de in Chi­na dank mas­si­ver staat­li­cher Sub­ven­tio­nen und ge­ziel­ter Ge­setz­ge­bung der welt­größ­te Markt für bat­te­rie­be­trie­be­ne Fahr­zeu­ge. Deut­sche Po­li­ti­ker wer­den nicht mü­de, auf das Bei­spiel Chi­na zu ver­wei­sen, wenn es dar­um geht, die Elek­tro­mo­bi­li­tät zu prei­sen. Und auch Her­bert Diess, Chef des welt­größ­ten Au­to­kon­zerns Volks­wa­gen, hat sich nicht zu­letzt mit Blick auf Chi­na, wo VW 40 Pro­zent sei­ner Pro­duk­ti­on ab­setzt, voll dem Bat­te­rie­an­trieb ver­schrie­ben und will Mil­li­ar­den in die­se Tech­no­lo­gie in­ves­tie­ren.

Der­weil wird in Chi­na das Ru­der schon wie­der her­um­ge­wor­fen, und aus­ge­rech­net Wan Gang gab im April am Ran­de ei­ner Au­to­mes­se in Shang­hai das Si­gnal da­für. Nicht der der Li­thi­um-Io­nen-Bat­te­rie, son­dern der mit Was­ser­stoff be­trie­be­nen Brenn­stoff­zel­le ge­hö­re die Zu­kunft, sag­te der 66-Jäh­ri­ge, der im ver­gan­ge­nen Jahr aus der Re­gie­rung aus­schied und jetzt Prä­si­dent ei­ner Wis­sen­schafts­ver­ei­ni­gung ist. Kurz dar­auf be­stä­tig­te ein Spre­cher des In­dus­trie­mi­nis­te­ri­ums die neu­en Prio­ri­tä­ten in Pe­king: Man wer­de die Markt­ein­füh­rung der Brenn­stoff­zel­le for­cie­ren, denn der Bat­te­rie­an­trieb sei auf lan­ge Sicht für län­ge­re Dis­tan­zen so­wie den Schwer­last­ver­kehr un­ge­eig­net.

Be­reits En­de März hat­te die Re­gie­rung die bis­her üp­pi­gen Sub­ven­tio­nen für Bat­te­rie­au­tos um zwei Drit­tel ge­kürzt. Im kom­men­den Jahr soll die För­de­rung dann ganz ge­stri­chen wer­den, wäh­rend sie für Brenn­stoff­zel­len­au­tos vor­erst wei­ter­läuft. Für ei­ni­ge Her­stel­ler dürf­te das ex­trem schmerz­haft wer­den. Al­lein BYD, Chi­nas Markt­füh­rer bei Bat­te­rie­fahr­zeu­gen, hat nach Schät­zun­gen in den ver­gan­ge­nen fünf Jah­ren vom Staat fast ei­ne Mil­li­ar­de Eu­ro für sein Elek­tro­pro­gramm er­hal­ten.

Nach Ein­schät­zung von Be­ob­ach­tern sind es aber nicht al­lein tech­ni­sche Grün­de, die zu ei­nem Um­den­ken der Re­gie­rung ge­führt ha­ben. Im­mer stär­ker sei den chi­ne­si­schen Be­hör­den auch be­wusst ge­wor­den, wie schlecht die Öko­bi­lanz der Bat­te­rie­au­tos in Wirk­lich­keit sei. Vor al­lem die ex­trem um­welt­schäd­li­che und res­sour­cen­ver­schlin­gen­de Ge­win­nung der nö­ti­gen Schwer­me­tal­le für die Bat­te­rie­fer­ti­gung wie auch die spä­te­re Ent­sor­gung gif­ti­ger Ab­fäl­le be­rei­te zu­neh­mend Sor­gen. Und dann gibt es da noch das Pro­blem mit den Bat­te­rie­brän­den bei E-Au­tos: Mehr als 40 sol­cher Vor­fäl­le wur­den im ver­gan­ge­nen Jahr in Chi­na re­gis­triert.

Nun ist ja auch der Um­gang mit Was­ser­stoff kei­ne ba­na­le An­ge­le­gen­heit, was die Ex­plo­si­on ei­ner Was­ser­stoff­tank­stel­le in Nor­we­gen erst un­längst wie­der in Er­in­ne­rung ge­ru­fen hat. Trotz­dem, so be­rich­te­te die „Chi­na Dai­ly News“, ha­be die Re­gie­rung in Pe­king ehr­gei­zi­ge In­fra­struk­tur­plä­ne. So wer­den zur Ver­sor­gung von ei­ner Mil­li­on Was­ser­stoff­au­tos, die bis 2030 auf Chi­nas Stra­ßen fah­ren sol­len, Dut­zen­de „Was­ser­stoff­kor­ri­do­re“ ent­ste­hen.

Ei­ne flä­chen­de­cken­de Ver­sor­gung mit dem ex­trem flüch­ti­gen Gas bleibt die größ­te Her­aus­for­de­rung, um der Was­ser­stoff-Mo­bi­li­tät zum Durch­bruch zu ver­hel­fen. Und da steht Deutsch­land mit sei­ner star­ken che­mi­schen In­dus­trie gar nicht so schlecht da. Hier­zu­lan­de exis­tiert mit der­zeit 70 öf­fent­lich zu­gäng­li­chen Stand­or­ten das welt­weit zweit­größ­te Netz an Was­ser­stoff­tank­stel­len. Nur in Ja­pan gibt es mit 96 noch mehr; in Chi­na sind es bis­her nur ein gu­tes Dut­zend. Be­zo­gen auf die Be­völ­ke­rungs­zahl hat aber Dä­ne­mark mit acht Zapf­säu­len das dich­tes­te Netz. Ge­plant ist in Deutsch­land der Aus­bau auf 400 Stand­or­te, aber bei sys­te­ma­ti­scher Auf­rüs­tung klas­si­scher Tank­stel­len lie­ße sich die­se Zahl schnell er­hö­hen. Es ist ei­ne Fra­ge des Gel­des: Die Kos­ten für den Bau ei­ner Was­ser­stoff­tank­stel­le be­gin­nen bei ei­ner Mil­li­on Eu­ro.

Die Fra­ge, wie der Was­ser­stoff am ef­fi­zi­en­tes­ten zum Kun­den trans­por­tiert wer­den kann, ist noch nicht ab­schlie­ßend ge­klärt. Am gän­gigs­ten ist bis­her die Me­tho­de, das Gas mit 700 Bar Druck zu ver­dich­ten und in Tanks zu fül­len oder es un­ter mi­nus 253 Grad Cel­si­us ab­zu­küh­len, um es zu ver­flüs­si­gen. Deut­sche For­scher ha­ben zu­dem ei­ne Me­tho­de ent­wi­ckelt, den Was­ser­stoff an ei­ne Trä­ger­sub­stanz zu bin­den, so dass ei­ne si­cher trans­por­tier­ba­re die­sel­ähn­li­che Flüs­sig­keit ent­steht. In Skan­di­na­vi­en setzt man da­ge­gen zu­neh­mend auf Was­ser­stoff­tank­stel­len, die das Gas di­rekt vor Ort per Elek­tro­ly­se her­stel­len. Be­nö­tigt wer­den da­für le­dig­lich Was­ser und Strom – idea­ler­wei­se ge­lie­fert di­rekt von ei­nem na­he ge­le­ge­nen Wind­park.

Kei­nes die­ser Ver­fah­ren kommt bis­her oh­ne grö­ße­re Ef­fi­zi­enz­ver­lus­te aus, aber so­lan­ge in Deutsch­land gro­ße Men­gen Wind- und So­lar­strom we­gen dro­hen­der Netz­über­las­tung nicht ver­wer­tet wer­den kön­nen (und die Ver­brau­cher da­für auch noch Hun­der­te Mil­lio­nen Eu­ro be­zah­len müs­sen), wä­re die Her­stel­lung von Was­ser­stoff per Elek­tro­ly­se im­mer­hin ei­ne ele­gan­te Form der Spei­che­rung der über­schüs­si­gen En­er­gie.

Wie Wan Gang glau­ben da­her auch deut­sche In­ge­nieu­re an ei­ne gro­ße Zu­kunft des Was­ser­stoffs. In ei­ner im Mai pu­bli­zier­ten Stu­die des Ver­eins Deut­scher In­ge­nieu­re und des Ver­bands der Elek­tro­tech­nik war­nen die Au­to­ren ein­dring­lich da­vor, ein­sei­tig auf die bat­te­rie­be­trie­be­ne E-Mo­bi­li­tät zu set­zen. Die gleich­be­rech­tig­te För­de­rung der Was­ser­stoff-Tech­no­lo­gie sei un­ver­zicht­bar, um Deutsch­lands en­er­gie- und um­welt­po­li­ti­sche Zie­le zu er­rei­chen. Man könn­te auch sa­gen: VW-Chef Diess ist schwer auf dem Holz­weg.
MAT­THI­AS BEER­MANN

IN­FO
Sau­ber, sehr ef­fi­zi­ent, aber auch noch sehr teu­er. Ei­ne Brenn­stoff­zel­le ist kein En­er­gie­spei­cher wie ei­ne Bat­te­rie, son­dern ein En­er­gie­wand­ler. In der Zel­le re­agiert Was­ser­stoff mit dem Sau­er­stoff aus der Luft. Da­bei ent­ste­hen Was­ser, Strom und Wär­me. Die­se Re­ak­ti­on wird auch als „kal­te Ver­bren­nung“ be­zeich­net.

An­wen­dung Brenn­stoff­zel­len eig­nen sich auch für sta­tio­nä­ren Ein­satz (z.B. zum Hei­zen von Ge­bäu­den). Au­tos mit sol­chen Zel­len sind er­heb­lich leich­ter als Bat­te­rie­fahr­zeu­ge. Sie las­sen sich eben­so schnell be­tan­ken wie kon­ven­tio­nel­le Au­tos, auch ih­re Reich­wei­te ist ver­gleich­bar. Der Ver­brauch be­trägt et­wa ein Ki­lo­gramm Was­ser­stoff auf 100 Ki­lo­me­ter.

Kos­ten Ein Ki­lo­gramm Was­ser­stoff kos­tet an der Tank­stel­le 9,50 Eu­ro. Vier bis fünf Ki­lo­gramm fasst der Tank der meis­ten Fahr­zeu­ge. Noch gibt es nur sehr we­ni­ge Was­ser­stoff-Pkw, die ent­spre­chend teu­er sind. Der To­yo­ta Mi­rai kos­tet rund 78.000 Eu­ro.

Her­stel­lung Der größ­te Teil der heu­ti­gen Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on ent­steht als Ne­ben­pro­dukt in der che­mi­schen In­dus­trie, vor al­lem aus Erd­gas. Da­ne­ben ist die Elek­tro­ly­se von Was­ser am ge­bräuchlisten.