Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Heizen mit Eis – Energiequelle der Zukunft ? Mit Video

Unten finden Sie ein sehr anschauliches Video

Besonders innovativ ist die Nutzung eines Eisspeichers als Energiequelle. Dabei handelt es sich um eine Zisterne mit eingebauten Wärmetauschern, die im Garten vergraben und mit normalem Leitungswasser gefüllt wird.

Auf dem Dach des Hauses werden spezielle Solar-Luftabsorber angebracht, die Wärme aus der Umgebungsluft sowie aus der solaren Einstrahlung sammeln und sie dem Eisspeicher zuführen. Darüber hinaus bezieht der Eisspeicher Wärme direkt aus dem Erdreich.

Kristallisationsenergie zum Heizen nutzen
Wird über die Solar-Luftabsorber nicht genügend Energie bereitgestellt, so entzieht die Wärmepumpe dem in der Zisterne gespeicherten Wasser die zum Heizen und zur Warmwasserbereitung benötigte Energie. Sinkt die Temperatur dabei innerhalb der Zisterne auf den Gefrierpunkt, wird die Vereisung des Wassers zur weiteren Energiegewinnung genutzt – daher der Name Eisspeicher. Beim Übergang von Wasser zu Eis wird genauso viel Kristallisationsenergie frei, wie man für den umgekehrten Prozess – das Auftauen – benötigt. Bei der für Einfamilienhäuser üblichen Größe des Eisspeichers von zehn Kubikmetern Wasserinhalt entspricht das dem Energiegehalt von ca. 120 Litern Heizöl. Während jedoch Heizöl für die Wärmeerzeugung vollständig verbraucht wird, steht der Wasserinhalt des Eisspeichers durch Regeneration mit Energie aus Sonne und Luft nahezu unbegrenzt als Wärmequelle zur Verfügung.

Umweltbewusst und wirtschaftlich
Energiebewusst leben und Heizkosten sparen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Das auch aus gutem Grund, denn Heizung und Warmwasser machen in deutschen Haushalten zirka 70 Prozent des Energieverbrauchs aus. Deshalb entscheiden sich immer mehr Bauherren und Renovierer für die Kombination verschiedener regenerativer Energiequellen.

Primärquellenspeicher als Alternative zu Erdsonden und Erdkollektoren
Wärmepumpen haben seit einigen Jahren im Mix der jährlich installierten Wärmeerzeuger einen festen Platz eingenommen. So war 2010 jedes zehnte neu eingebaute Heizgerät eine Wärmepumpe. Das Eisspeicher-Konzept für die Erschließung und Nutzung der Naturwärme macht jetzt den Einsatz dieser Technologie noch attraktiver.

Chinesen auch nicht von E-Autos überzeugt

(Moning Briefing) – Ausgerechnet China, wichtigster Absatzmarkt für Autos traditioneller wie auch alternativer Art, stellt derzeit unter Beweis, was geschieht, wenn man eine Revolution erzwingen will. Im September brach der Absatz für Elektro- und Hybrid-Wagen im Vergleich zum Vormonat um 34,2 Prozent ein. Demnach wurden nur 69.027 Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge neu zugelassen. Der Grund: China hat Förderungen für diese alternativen Antriebe Mitte des Jahres halbiert, bis 2020 sollen sie komplett auslaufen.

Die Erkenntnis, was das wirtschaftlich bedeutet, liefert China gleich mit. Künstlich geschaffene Aufsteiger fallen tief: Tesla-Herausforderer Nio fuhr im zweiten Quartal dieses Jahres einen Verlust von 479 Millionen US-Dollar ein, trennte sich im Laufe des Jahres bereits von etwa 2000 Angestellten. Seit der Kürzung der staatlichen Förderung büßte das Unternehmen 80 Prozent seines Börsenwertes ein.

Wir lernen: Die Marktwirtschaft lässt sich vom Staat stimulieren, aber nicht suspendieren.

Gabor Steingart

Wasserstoff aus Erdgas ohne CO2-Emissionen

(KIT) – Durch Methanpyrolyse lässt sich fossiles Erdgas zukünftig klimafreundlich nutzen: Methan wird dabei in gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten, der einen wertvollen Grundstoff für verschiedene Industriezweige darstellt und darüber hinaus sicher gelagert werden kann. Dies kann ein wichtiger Baustein für eine künftig klimaneutrale Energieversorgung sein. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben hierfür ein besonders effizientes Verfahren entwickelt. Gemeinsam mit dem Industriepartner Wintershall Dea wird es nun für den Einsatz im industriellen Maßstab weiterentwickelt.

Wasserstoff gilt in der Energiedebatte zunehmend als Schlüssel für das Gelingen der Energiewende. Experten der International Energy Agency IEA haben errechnet, dass schon eine Beimischung von 20 Prozent Wasserstoff im europäischen Gasnetz die CO2-Emissionen um 60 Millionen Tonnen pro Jahr reduzieren. Das ist so viel, wie Dänemark in einem ganzen Jahr ausstößt. „Die direkte thermische Spaltung von Methan und anderen Kohlenwasserstoffen bietet eine Möglichkeit, um Wasserstoff aus Erdgas herzustellen – und zwar ohne direkte CO2-Emissionen“, erklärt Professor Thomas Wetzel vom Institut für Verfahrenstechnik des KIT. Seine Forschungsgruppe am KIT entwickelte dafür zusammen mit dem Institute for Advanced Sustainability Studies e. V. in Potsdam ein Verfahren, bei dem Methan in einem mit Flüssigmetall befüllten Blasensäulenreaktor kontinuierlich in seine Bestandteile zerlegt wird: in Wasserstoff und festen Kohlenstoff. Der Kohlenstoff kann als Reinstoff in fester Form sicher gelagert und in vielen industriellen Bereichen genutzt werden. Der Wasserstoff wiederum lässt sich als sauberer Energieträger im Strom-, Wärme- und Mobilitätsbereich nutzen oder in industriellen Prozessen einsetzen, beispielsweise bei der Herstellung von Stahl.

Forschungskooperation mit Wintershall Dea
In einem gemeinsamen, zunächst auf drei Jahre angelegten Projekt wollen das KIT und der Industriepartner Wintershall Dea in den nächsten drei Jahren nun die Grundlagen für einen künftigen industriellen Einsatz der Methanpyrolyse schaffen. „Es gibt weltweit große Mengen Erdgas und es gibt die Möglichkeit, dieses Erdgas klimaneutral nutzbar zu machen. Wie wir das technisch effizient umsetzen und später auch für große Gasmengen einsetzen können: Das wollen wir in unserem Forschungsprojekt nun untersuchen“, sagt Wetzel. „Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit und sind überzeugt, dass wir gemeinsam einen wichtigen Beitrag für eine zukunftsfähige Energieversorgung leisten können.“ Hugo Dijkgraaf, Vorstandsmitglied und Chief Technology Officer von Wintershall Dea sagt: „Die Perspektiven, die wir in unserer Kooperation mit dem KIT etablieren, zeigen: Erdgas kann Zukunft. Schon heute ist Erdgas der sauberste konventionelle Energieträger. Aber Erdgas kann künftig noch klimafreundlicher werden: indem wir das CO2 abspalten und aus Erdgas Wasserstoff gewinnen.“

Preisgekrönte Forschung zur Methanpyrolyse
Die Forschung von KIT und dem Institute for Advanced Sustainability Studies e. V. zur Methanpyrolyse wurde 2018 mit dem Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft ausgezeichnet und gewann außerdem den Publikumspreis bei der Zukunftswerkstatt ERDGAS 2018, den die Brancheninitiative Zukunft ERDGAS ausgerichtet hat. „Bei der Zukunftswerkstatt und beim Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft bekommen zukunftsweisende Gastechnologien eine Bühne“, sagt Dr. Timm Kehler, Vorstand der Brancheninitiative Zukunft ERDGAS. Dass KIT und Wintershall Dea nun ein gemeinsames Projekt starten, um dekarbonisiertes Erdgas auf den Markt zu bringen begrüße er sehr: „Wir brauchen grünes Gas und solche zukunftsgerichteten Partnerschaften, um die Herausforderungen des Klimawandels zügig zu meistern“, so Kehler. Zukunft ERDGAS ist gemeinsam mit anderen Branchenverbänden ebenfalls Träger des Innovationspreises. Beide Veranstaltungen werden von Wintershall Dea unterstützt.

Über Wintershall Dea
Mit dem Zusammenschluss von Wintershall Holding GmbH und DEA Deutsche Erdoel AG bilden zwei erfolgreiche Firmen mit langer Tradition das führende unabhängige Erdgas- und Erdölunternehmen Europas: Wintershall Dea. Das Unternehmen mit deutschen Wurzeln und Sitz in Kassel und Hamburg sucht und fördert weltweit in 13 Ländern Gas und Öl auf effiziente und verantwortliche Art und Weise. Mit Aktivitäten in Europa, Russland, Lateinamerika und der MENA-Region (Middle East & North Africa) verfügt Wintershall Dea über ein weltweites Upstream-Portfolio und ist mit Beteiligungen im Erdgastransport zudem im Midstream-Geschäft aktiv.

Wintershall Dea steht für mehr als 120 Jahre Erfahrung als Betriebsführer und Projektpartner entlang der gesamten E&P-Wertschöpfungskette. Das Unternehmen beschäftigt weltweit rund 4.000 Mitarbeiter aus über 60 Nationen. Die durchschnittliche Tagesproduktion im Jahr 2018 von rund 590.000 Barrel Öläquivalent will das Unternehmen bis 2023 auf rund 750.000 Barrel steigern.

Dehnbare Elektronik – Neue Verfahren

(Uni Saarland) – Dehnbare Elektronik hat den Vorteil, dass sie auch in Textilien wie beispielsweise der Kleidung funktioniert. Allerdings gilt ihre Herstellung als sehr aufwendig. Ein neues, vereinfachtes Verfahren wurde jetzt von zwei Informatikern der Universität des Saarlandes vorgestellt. Es basiert auf einem sogenannten Laserschneider und dessen präzisen, schnellen Schnitten. Letztere werden von einer leicht bedienbaren Software vorgegeben, die Daniel Gröger und Professor Jürgen Steimle für Designerinnen und Designer entwickelt haben. Da die notwendigen Materialien im Handel erhältlich sind, kann nun nahezu jede Person dehnbare Elektronik für die eigenen Zwecke herstellen.

Eine Jacke, die durch das Zupfen am Ärmel eingehende Anrufe verstummen lässt. Eine Bandage, die Alarm schlägt, wenn das zu schonende Gelenk zu stark gebeugt wird. Das sind zwei von vielen Anwendungen, die nur mit dehnbaren Schaltkreisen machbar sind. „Aktuelle Herstellungsverfahren sind jedoch zeitaufwendig und sehr komplex“, erklärt Daniel Gröger, Informatik-Doktorand an der Universität des Saarlandes. Zusammen mit Professor Jürgen Steimle hat er daher ein Verfahren entwickelt, mit dem sich dehnbare Schaltkreise in nur wenigen Minuten produzieren lassen. Herzstück des Verfahrens ist ein sogenannter Laserschneider. Sein Laserstrahl trägt kontinuierlich und gepulst Material ab. Auf diese Weise macht er sehr viele genaue Schnitte in kürzester Zeit. Das nutzen die Forscher aus, indem sie den Laser mehrmals ein bestimmtes Muster, ähnlich in der Form eines Ypsilon, in das Material schneiden lassen. Die Größe des Musters, die Dicke seiner Linien und der Abstand zwischen den Schnitten bestimmen die Dehnbarkeit des Materials. Dieses wiederum besteht aus einer leitenden und nichtleitenden Schicht. Daraus entsteht der Schaltkreis, indem der Laser während des Schneidens die leitende Schicht an vorab definierten Stellen abträgt.

Da nicht nur das schnelle, akkurate Schneiden für Menschen schwierig ist, sondern auch das Planen dieser Schnitte, haben die Forscher dieses ebenfalls automatisiert. Das Ergebnis ist eine Software, über die Designerinnen und Designer ähnlich wie bei einem Zeichenprogramm die Umrisse des Stückes angeben und festlegen, was davon dehnbar sein soll. Den Grad der Dehnbarkeit bestimmen sie über einen virtuellen Schieberegler. Zum Schluss platzieren sie noch die elektronischen Komponenten. Danach berechnet die Software Position und Beschaffenheit der Ypsilons samt Schaltkreis und zeigt alles an. Das blitzschnell erzeugte Ergebnis ist nicht selbstverständlich, da das Berechnen der besten Leiterroute bisher sehr viel Rechenzeit und Rechenkraft benötigte. Die Forscher haben jedoch eine Abkürzung ausgetüftelt, indem sie das Rechenproblem als Graph darstellen, für den eine effiziente Berechnung möglich ist.

Auf diese Art und Weise haben die Forscher drei Prototypen produziert und dabei jeweils weniger als fünf Minuten benötigt. Der erste ist ein transparentes Armband mit einer Leuchtdiode. An dessen Seite befindet sich eine Lasche, ähnlich wie das Drehrad (Krone) seitlich an einer Uhr. Sowohl das Ziehen am Armband als auch an der Lasche schalten die Leuchtdiode ein und aus. Das erfülle die Grundfunktionalität einer Stoppuhr, so Gröger. Ein Ziehen an der Lasche entspreche dem Start und Stopp. Ziehe man am Armband, beginne die Zeitmessung erneut. Die beiden weiteren Prototypen sind eine flexible Steuerung für Computerspiele und ein Sensor, der in eine Ellbogenbandage integriert ist und den Beugungsgrad misst. Die dafür verwendeten Materialien, wie zum Beispiel mit Indiumzinnoxid beschichtete Kunststofffolien, sind im Online-Handel erhältlich. Daher, so Gröger, können mit dem neuen Verfahren auch Personen, die nicht mit Materialforschung vertraut sind, dehnbare Schaltkreise erstellen. Die Forscher weisen darauf hin, dass die bisherigen Versuchsmodelle mindestens tausend Dehnungen aushalten und damit noch nicht kommerziellen Qualitätskriterien entsprechen. Dennoch ist Gröger überzeugt: „Auch wenn die Technologie noch verbessert werden muss, die Konzepte werden halten.“

Ihre Forschung haben die Wissenschaftler mit Fördermitteln aus dem Horizon 2020-Programm der Europäischen Union und mit Geldern des Exzellenzclusters „Multimodal Computing and Interaction“ finanziert.

Nobelpreis für Chemie

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, den Nobelpreis für Chemie 2019 an John B. Goodenough, The University of Texas at Austin, USA, M. Stanley Whittingham, Binghamton University, State University of New York, USA und Akira Yoshino, Asahi Kasei Corporation, Tokio, Japan och Meijo University, Nagoya, Japan zu verleihen.

„für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien“. Sie schufen eine wiederaufladbare Welt. Illustration: Johan Jarnestad. Der Nobelpreis für Chemie 2019 würdigt die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie. Dieser leichte, wiederaufladbare und leistungsstarke Akku wird heute in allen Bereichen von Mobiltelefonen über Laptops bis hin zu Elektrofahrzeugen eingesetzt. Sie kann auch erhebliche Mengen an Energie aus Sonnen- und Windkraft speichern, was eine fossile, brennstofffreie Gesellschaft ermöglicht.

Lithium-Ionen-Batterien werden weltweit eingesetzt, um die tragbare Elektronik zu betreiben, mit der wir kommunizieren, arbeiten, studieren, Musik hören und nach Wissen suchen. Lithium-Ionen-Batterien haben auch die Entwicklung von Elektroautos mit großer Reichweite und die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar- und Windenergie ermöglicht. Der Grundstein für die Lithium-Ionen-Batterie wurde während der Ölkrise in den 1970er Jahren gelegt. Stanley Whittingham arbeitete an der Entwicklung von Methoden, die zu fossilen, brennstofffreien Energietechnologien führen könnten. Er begann mit der Erforschung von Supraleitern und entdeckte ein extrem energiereiches Material, aus dem er eine innovative Kathode in einer Lithium-Batterie herstellte. Dieses wurde aus Titandisulfid hergestellt, das auf molekularer Ebene Räume hat, in denen Lithiumionen untergebracht – interkaliert – werden können.

Jörn Pütz

Hier geht’s zum Original-Text

Keramik wird wird unkaputtbar

(pte) – Ein elektrisches Feld könnte dafür sorgen, dass Keramik nicht mehr in unzählige Stücke zerfällt, wenn sie einem plötzlichen heftigen Schlag ausgesetzt wird oder einfach zu Boden fällt. Forscher der Purdue University haben ein Verfahren entwickelt, ohne dass Keramik ihre Hitzebeständigkeit verliert. Der Prozess ist unter der Bezeichnung Flash-Sintern im elektrischen Feld bekannt.

Bauteile aus Titandioxid
Keramiken werden aus einer pastösen Masse hergestellt. Sie wird in Form gebracht, etwa in die einer hitzebeständigen Kachel. Fest wird sie durch Sintern, also durch hohe Temperaturen in einem Brennofen. Experte Haiyan Wang lässt den Sinterprozess in einem elektrischen Wechselfeld ablaufen. „Wir konnten zeigen, dass Keramiken, die auf diese Weise hergestellt werden, sich plastisch verformen, wenn sie einer großen Kraft ausgesetzt werden“, meint Wang. Mit seinem Team stellte er Bauteile aus Titandioxid her.

Verantwortlich für die überraschende neue Eigenschaft von Keramik sind Nanotwins – winzige lineare Grenzen im Atomgitter, die auf beiden Seiten identische kristalline Strukturen aufweisen. Bisher wurde diese Technik lediglich bei Metallen angewandt, um diesen eine höhere Festigkeit zu verleihen. Das elektrische Feld sorgt dafür, dass sich auch in den Keramiken Nanotwins ausbilden. Hier hätten sie jedoch eine andere Wirkung, sagt Jin Li, der zum Team gehört. Sie sorgen für Plastizität. In normal gesinterten Keramiken befänden sich Fehlstellen, die sie spröde machen.

Keramik für Autos und Waffen
„Unsere Ergebnisse sind bedeutsam, weil sie die Tür zu einer veränderten Keramiknutzung öffnen“, verdeutlicht Li. Die Bauteile seien hoch belastbar und temperaturbeständig, jedoch gegen Sprödbrüche gefeit. Xinghang Zhang, Professor für Materialwissenschaften und Mitglied im Entwickler-Team, sieht eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten. Er denkt an Bauteile für Kernreaktoren, Waffen und Autos.

Elektrische Energie für das Internet der Dinge – Mit einer Vorbemerkung von Jean Pütz

Gestatten Sie mir eine kurze Vorbemerkung.

Offenbar steht das Internet der Dinge kurz vor der Realisierung. Es scheint auch manchem Bürger das Leben erleichtern zu wollen, aber das ist auch die Gefahr, denn die Nebenwirkungen und Risiken werden selten bedacht.

Ich bin bekanntlich kein Technologie-Verweigerer, gebe aber zu bedenken, dass über die Verknüpfung mit dem Internet immer mehr private Daten preis gegeben werden die unsere individuelle Freiheit auf längere Sicht beeinträchtigen. Die gut meinenden Datenschutzgesetze können auf einfachste Weise ausgehebelt werden, nicht nur durch kriminelle Machenschaften.

Ihr Jean Pütz

(pte) – Schwedische und chinesische Wissenschaftler haben organische Solarzellen entwickelt, die normales Umgebungslicht in Innenräumen in Elektrizität verwandeln. Die Leistung, die dabei erzeugt wird, ist zwar relativ gering. Immerhin soll sie aber ausreichen, um den Energiehunger von Millionen von Produkten zu stillen, die künftig im Internet of Things (IoT) zuhause, im Büro oder im Supermarkt betrieben werden, so die Forscher.

Nachfrage steigt kontinuierlich
„Mit der Ausbreitung des IoT werden wir bald Millionen vernetzte Produkte sowohl in öffentlichen Orten als auch bei uns zuhause haben“, erklären Feng Gao, Senior Lecturer in der Division of Biomolecular and Organic Electronics der Linköping University, und Jianhui Hou, Professor am Institut für Chemie der Chinese Academy of Sciences  . Viele davon werden mit Sensoren ausgestattet sein, die etwa die Feuchtigkeit, Temperatur oder bestimmte Partikelkonzentrationen messen. „Deshalb wird die Nachfrage nach kleinen und günstigen erneuerbaren Energiequellen rapide ansteigen“, sind die Experten überzeugt.

Genau hier will das internationale Team aus Schweden und China mit seiner Entwicklung ansetzen. „Diese Arbeit lässt Großes hoffen, wenn es um den Einsatz von organischen Solarzellen in unserem täglichen Alltagsleben und die Versorgung von IoT-Geräten geht“, stellt Gao klar. Im Moment stecke die Technologie für Indoor-Anwendungen allerdings noch eher in ihren Kinderschuhen. „Wir sind zuversichtlich, dass sich die Effizienz von organischen Solarzellen, die bei Umgebungslicht funktionieren, in den kommenden Jahren noch weiter steigern lässt“, so Hou.

Über ein Volt Stromspannung
Organische Solarzellen basieren auf der Verwendung eines sogenannten Donator-Akzeptor-Systems. Dieses lässt sich durch geschickte Kombination verschiedener Halbleiter flexibel feintunen, um Lichtstrahlen mit bestimmten Wellenlängen einzufangen. Das Team hat einen neuen Mix aus Donator- und Akzeptor-Materialien entwickelt, der sich als aktive Beschichtung von organischen Solarzellen nutzen lässt und exakt jene Lichtwellen absorbieren kann, die beispielsweise im heimischen Wohnzimmer zu finden sind.

Zu Testzwecken haben die Wissenschaftler zwei Varianten ihrer Indoor-Solarzellen im Labor hergestellt: eine mit einem Durchmesser von einem Quadratzentimeter und eine mit vier Quadratzentimetern. Die kleinere wurde Umgebungslicht mit einer Stärke von 1.000 Lux ausgesetzt und konnte 26,1 Prozent der Energie in Elektrizität umwandeln. Dabei erzielte sie eine Stromspannung von über einem Volt, die mehr als 1.000 Stunden anhielt. Die größere Solarzelle schaffte es immerhin auf eine Energieeffizienz von 23 Prozent.

Überwachung mittels KI nimmt weltweit zu – Mit einem Statement von Jean Pütz

Liebe Besucher meiner Homepage !

Wie im Artikel dargestellt, ist die KI-Überwachung nicht nur ein Problem in autoritären Staaten. Leider machen immer mehr Demokratien davon Gebrauch. Das soll allen Menschen, die individuelle Rechte als Grundbestandteil unserer freien aber engagierten Lebensart eine Warnung sein. Das Punkte-System in ‚Plus‘ und ‚Minus‘, selbst bei geringsten Verhaltensanomalitäten sollte uns alle wachrütteln.

Auch in Deutschland entwickeln sich immer mehr solche Tendenzen, die schleichend damit beginnen, Verbote in unseren Alltag zu verordnen. Sogar Abmahn-Organisationen, die sich ‚Umwelthilfe‘ nennen und als Ziel den Umweltschutz vorgeben. Sie animieren Gerichte, für jeden Verstoß im Namen des Gesetzes Sanktionen auszuüben, die in individuelle Überwachung münden. Schon heute existiert die Technologie,  jedes Auto mit Nummernschild zu fotografieren und in der Datenbank festzuhalten. In Parkhäusern wird das heute schon angewandt.  Aber auch Verbote wie die Ächtung des Verbrennungsmotors, lechzen nach Kontrolle – und vieles andere mehr.

Leider ist auch vielen Volksparteien diese unmerkliche Tendenz zur Überwachung des Einzelnen nicht bewusst. Es entstehen immer mehr Gesetze die das fördern. Keiner merkt, dass durch die Einschränkung individueller Freiheit auch ein großes Stück Kreativität verloren geht.

Das ist ein Meinungsartikel – Sie können sich ihre eigene Meinung selbst gestalten.

Ihr Jean Pütz

(pte027/19.09.2019/13:30) – Die Überwachung von Menschen mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI), etwa durch automatische Gesichtserkennung, nimmt weltweit zu. Das stellt die Carnegie-Stiftung für internationalen Frieden fest. Führend sei in diesem Bereich China, doch immer mehr Staaten folgten diesem Beispiel. Derzeit nutzen 75 Länder KI zur Überwachung der Bürger, darunter längst nicht nur mehr autokratisch regierte Staaten, sondern auch jene wie die USA und Frankreich, so die Forscher.

Illegal und oft sogar gefährlich
Den Experten nach sind chinesische Unternehmen technologisch führend im Bereich der Überwachung durch KI, angeführt von Huawei und Hikvision. Dazu gesellen sich das japanische Unternehmen NEC sowie die US-Firmen IBM, Palantir und Cisco. Der Report nennt eine breite Palette von KI-Werkzeugen zur Überwachung. Er unterscheidet allerdings nicht zwischen Maßnahmen, die der öffentlichen Sicherheit dienen, und solchen, die illegal oder gar gefährlich sind, etwa das Ausspionieren von politischen Gegnern.

„Ich hoffe, dass die Menschen härtere Fragen dazu stellen, wie und wozu diese Technologie genutzt wird und welche Auswirkungen sie hat“, sagt Steven Feldstein, Mitglied der Stiftung und Professor an der Boise State University . Viele Projekte, die Feldstein anspricht, stehen in Zusammenhang mit dem Konzept der Smart City. Städte installieren Kameras, Sensoren und andere internetgebundene Geräte, um Informationen über das Geschehen in der Stadt zu sammeln. Huawei ist hier führend. Die gesammelten Daten lassen sich nutzen, um die Verkehrsführung zu optimieren und Energie zu sparen. Die Systeme würden allerdings zunehmend zur Überwachung und zur Verbesserung der Sicherheit genutzt.

Einsatz von KI beschleunigt sich
Feldstein zeigt sich erstaunt, wie viele Staaten in Europa und anderswo die Einführung von KI-Systemen beschleunigen. Dazu gehören ihm zufolge neben der Gesichtserkennung automatische Grenzkontrollen und Algorithmen, mit denen sich voraussagen lässt, wo und wann Verbrechen geschehen. „Ich dachte, China und sein geografisches Umfeld sowie die Staaten am Golf seien die wichtigsten Nutzer“, so Feldstein. Dabei nutzt inzwischen bereits auch mehr als die Hälfte aller demokratischen Staaten derartige KI-Werkzeuge.

 

Ferroelektrizität für bessere Solarzellen

(KIT) – Silizium gilt als Platzhirsch unter den Solarzell-Technologien. Doch schnell haben metallorganische Perowskit-Solarzellen aufgeholt und im Labor ebenfalls Wirkungsgrade von 25 Prozent erreicht, auch dank der Forschung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Ein multidisziplinäres Team von sechs Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT hatte etwa Belege für ferroelektrische Mikrostrukturen gefunden und konnte damit die Eigenschaften moderner Perowskit-Solarzellen erklären. Für diese herausragende Leistung erhielt das Team gestern Abend den mit 50 000 Euro dotierten Erwin-Schrödinger-Preis der Helmholtz-Gemeinschaft und des Stifterverbandes.

„Für die Stromversorgung aus erneuerbaren Energien ist die Photovoltaik ein wichtiger Baustein mit hohem Potenzial in Forschung und Entwicklung – gerade mit Blick auf die eingesetzten Materialien“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. „Mit seiner Forschung, die die Felder Optoelektronik und keramische Werkstoffe erfolgreich kombiniert, liefert das Team des KIT entscheidende Beiträge zur Weiterentwicklung der Perowskit-Solarzellen. Mit solchen neuartigen Materialien in künftigen Solarzellen-Generationen kann Sonnenlicht noch effizienter in elektrischen Strom umgewandelt werden – und das mit einem Material, das technisch einfach zu verarbeiten und kostengünstig ist. Der Erwin-Schrödinger-Preis ist eine herausragende Auszeichnung dieser Leistung.“

Wie sähe die perfekte Solarzelle aus? Neben der schwarzen Oberfläche für eine optimale Absorption des Lichtes führt die perfekte Solarzelle die durch das Licht erzeugten Ladungsträger effizient aus dem Bauteil zu den Elektroden und minimiert so Rekombinationsverluste. Es gehen somit weniger Ladungsträger verloren. Dem Wissenschaftler-Team ist es gelungen, Expertise aus den Bereichen der Optoelektronik und der Keramischen Werkstoffe so zusammenzubringen, dass sie ein vertieftes Verständnis der Perowskit-Solarzellen ermöglichen. Das multidisziplinäres Team aus den Fächern Elektrotechnik, Materialwissenschaften und Physik hat nun im neuen Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT den Nachweis erbracht, dass ein typischer Baustein von metallorganischen Perowskit-Solarzellen, Methylammonium-Bleiiodid (MAPbI3), ferroelektrisch ist: MAPbI3-Dünnschichten bilden spontan alternierende polare Domänen mit einer typischen Breite von 90 nm. „Die mikroskopischen elektrischen Felder in den Domänen können helfen, die photogenerierten Ladungsträger voneinander zu trennen und damit ihre Rekombination zu reduzieren“, sagt Holger Röhm, Doktorand am MZE. Gemeinsam mit Tobias Leonhard und Alexander D. Schulz hat Röhm die mikroskopischen elektrischen Felder des ferroelektrischen MAPbI3 und seine Mikrostruktur untersucht.

Unter dem Dach des MZE versammelte das Team Experten aus der Photovoltaik und den Materialwissenschaften, um die einzigartigen Eigenschaften der Perowskit-Solarzellen zu analysieren. „Es war faszinierend zu sehen, wie Solarzellen mit Methoden charakterisiert werden können, die bislang für die Analyse klassischer Keramiken eingesetzt wurden“, sagt Michael J. Hoffmann, Leiter des Institutes für keramische Werkstoffe und Technologien, der seit mehr als drei Jahrzehnten ferroelektrische Keramiken untersucht. Und tatsächlich kann die Ferroelektrizität als Schlüsseleigenschaft von Perowskit-Solarzellen ein neues Designkriterium für neuartige lichtabsorbierende Materialien in Solarzellen bieten.

Alexander Colsmann, Leiter der Forschungsgruppe Organische Photovoltaik, betont, dass „MAPbI3-Perowskit-Solarzellen bekanntlich instabil und ihre Zersetzungsprodukte wasserlöslich und umweltgefährdend sind“, was einen dringenden Bedarf an bleifreien Alternativen zeigt. Während in der Vergangenheit durch die schrittweisen Modifikationen der Kristallzusammensetzung keine bleifreien Alternativen zu MAPbI3 mit ausreichender Photovoltaikleistung entdeckt wurden, ist die in den Perowskit-Solarzellen beobachtete Ferroelektrizität ein vielversprechendes Muster für eine neue Klasse von potenziell stabileren und umweltfreundlicheren Solarzellen. „Es ist faszinierend zu sehen, wie zwei Forschungsbereiche miteinander verschmelzen, die in der Vergangenheit nichts gemeinsam hatten, aber die Zukunft der modernen Photovoltaik prägen können“, resümiert Susanne Wagner, Expertin des Teams für die Charakterisierung von Ferroelektrika und ihrer Mikrostruktur.

Das Materialwissenschaftliche Zentrum für Energiesysteme (MZE) wurde vor drei Jahren als disziplinübergreifende Plattform eingeweiht, um die Forschung des KIT zur Energieumwandlung und -speicherung zu stärken. Damit ist das MZE das ideale Umfeld, um die Forschung an neuartigen Photovoltaik-Konzepten voranzutreiben. Auf der wissenschaftlichen Grundlage, für die der Erwin-Schrödinger-Preis verliehen wurde, wird das Team künftig neue ferroelektrische Verbindungen für eine verbesserte Energiegewinnung erforschen, wobei der Schwerpunkt auf umweltfreundlichen und nachhaltigen Lösungen liegt.

Diese Herausforderung wird auch im Helmholtz-Forschungsprogramm verankert. Nach 15 Jahren Forschung auf dem Gebiet der organischen Photovoltaik ergänzt das KIT dieses Feld seit einiger Zeit mit umfangreichen Forschungsarbeiten zu Perowskit-Solarzellen und darüber. Der Erwin-Schrödinger-Preis unterstreicht die führende Position des KIT in der Materialforschung zur photovoltaischen Energieumwandlung.

Neuer Sender für neue Hertz-Welten im Nanobereich

(HZDR) – Der „Landau-Niveau-Laser“ ist ein spannendes Konzept für eine ungewöhnliche Strahlungsquelle. Er hat das Zeug, höchst effizient sogenannte Terahertz-Wellen zu erzeugen, die sich zum Durchleuchten von Materialen und für die künftige Datenübertragung nutzen ließen. Bislang jedoch scheiterten nahezu alle Versuche, einen solchen Laser in die Tat umzusetzen. Auf dem Weg dorthin ist einem internationalen Forscherteam nun ein wichtiger Schritt gelungen: Im Fachmagazin Nature Photonics (DOI: 10.1038/s41566-019-0496-1) stellen sie ein Material vor, das Terahertz-Wellen durch das simple Anlegen eines elektrischen Stroms erzeugt. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) waren maßgeblich an den Arbeiten beteiligt.

Ebenso wie Licht zählen Terahertz-Wellen zur elektromagnetischen Strahlung. Ihre Frequenzen liegen zwischen denen von Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sowohl für die Technik als auch für die Wissenschaft zeigen sie interessante Eigenschaften: So können Grundlagenforscher mit ihnen die Schwingungen von Kristallgittern oder die Ausbreitung von Spinwellen studieren. „Für technische Anwendungen ist interessant, dass Terahertz-Wellen zahlreiche Stoffe durchdringen können, die ansonsten undurchsichtig sind, etwa Kleidung, Kunststoffe und Papier“, erklärt HZDR-Forscher Stephan Winnerl. Eingesetzt werden sie heute bereits bei Sicherheitskontrollen an Flughäfen. Hier lässt sich mit Terahertz-Scannern prüfen, ob Fluggäste gefährliche Gegenstände unter ihrer Kleidung tragen – und zwar ohne den Einsatz schädlicher Röntgenstrahlung.

Nützlich könnten die Terahertz-Wellen eines Tages auch für die Datenübertragung sein. Der Grund: Sie haben eine höhere Frequenz als die derzeit verwendeten Radiowellen. WLAN beispielsweise funktioniert heute bei Frequenzen von rund zwei bis fünf Gigahertz. Terahertz-Frequenzen sind rund tausendmal höher und könnten Bilder, Videos und Musik entsprechend schneller übermitteln, wenn auch bei geringeren Reichweiten. Allerdings ist die Technik noch nicht ausgereift. „Zwar gab es in den letzten Jahren viele Fortschritte“, berichtet Winnerl. „Aber nach wie vor ist es nicht ganz einfach, die Wellen zu erzeugen – die Fachwelt spricht von einer regelrechten Terahertz-Lücke.“ Insbesondere gibt es noch keinen kompakten, leistungsfähigen und zugleich durchstimmbaren Terahertz-Laser.

Flexible Frequenzen
Verantwortlich für die Lichterzeugung in einem Laser sind die Elektronen im Lasermaterial. Steckt man Energie in sie, senden sie Licht aus. Der Grund dafür ist ein Quanteneffekt: Die Elektronen können nicht beliebige Energien aufnehmen, sondern nur bestimmte Portionen. Dementsprechend erfolgt auch die Lichtabgabe portionsweise – in einer bestimmten Farbe und als gebündelter Strahl. Für einen Terahertz-Laser hat die Fachwelt bereits seit längerem ein spezielles Konzept im Blick, den „Landau-Niveau-Laser“. Das Besondere: Bei ihm lassen sich die Energieniveaus der Elektronen mithilfe eines Magnetfeldes flexibel einstellen. Diese Niveaus bestimmen wiederum, welche Frequenzen die Elektronen abstrahlen. Dadurch ist der Laser durchstimmbar – ein großes Plus für viele wissenschaftliche und technische Anwendungen.

Nur: So einen Laser gibt es bislang noch nicht. „Das Problem war bislang, dass die Elektronen ihre Energie an andere Elektronen weitergeben, statt sie wie gewünscht als Lichtwellen abzustrahlen“, erläutert Winnerl. Den entsprechenden physikalischen Prozess bezeichnen die Fachleute als Auger-Streuung. Zum Leidwesen der Fachwelt spielt er sich auch in einem Material ab, das als besonders vielversprechend für einen „Landau-Niveau-Laser“ galt: Graphen – eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff – zeigte in Experimenten am HZDR eine ausgeprägte Auger-Streuung.

Eine Frage des Materials
Deshalb versuchte es das Forscherteam mit einem anderen Material – einer Verbindung aus Quecksilber, Cadmium und Tellur (HgCdTe). Bislang verwendete man diese Schwermetall-Legierung unter anderem für hochempfindliche Wärmebild-Kameras. Das Besondere an diesem Material: Der Gehalt an den jeweiligen Metallen Quecksilber, Cadmium und Tellur lässt sich sehr genau wählen. Dadurch lässt sich eine bestimmte Eigenschaft – im Fachjargon Bandlücke genannt – gezielt einstellen.

Als Resultat zeigte das Material ähnliche Eigenschaften wie Graphen – aber ohne dessen Nachteil von ausgeprägter Auger-Streuung. „Es gibt subtile Unterschiede zum Graphen, die diese Streuung vermeiden“, sagt Stephan Winnerl. „Vereinfacht ausgedrückt finden die Elektronen keine anderen Elektronen, die die passende Energie aufnehmen könnten.“ Infolgedessen bleibt ihnen nichts Anderes übrig, als ihre Energie in der gewünschten Form loszuwerden – als Strahlung im Terahertz-Bereich.

Das Projekt war ein internationales Teamwork: Russische Projektpartner hatten die HgCdTe-Proben hergestellt, die anschließend die federführende Arbeitsgruppe in Grenoble analysierte. Eine der entscheidenden Untersuchungen fand in Dresden-Rossendorf statt: Mit dem Freie-Elektronen-Laser FELBE feuerten die Fachleute starke Terahertz-Pulse auf die Probe und konnten das Verhalten der Elektronen zeitaufgelöst beobachten. Das Resultat: „Wir haben festgestellt, dass der Auger-Prozess, den wir in Graphen noch beobachtet hatten, tatsächlich verschwunden war“, freut sich Winnerl.

LED für Terahertz
Eine Arbeitsgruppe in Montpellier konnte schließlich beobachten, dass die Verbindung aus HgCdTe tatsächlich Terahertz-Wellen abgibt, wenn man elektrischen Strom anlegt. Indem die Fachleute das zusätzlich angelegte Magnetfeld von nur etwa 200 Millitesla variierten, konnten sie die Frequenz der abgegebenen Wellen im Bereich von ein bis zwei Terahertz variieren – eine durchstimmbare Strahlungsquelle. „Sie ist zwar noch kein Laser, sondern entspricht eher einer Terahertz-LED“, beschreibt Winnerl. „Das Konzept zu einem Laser zu erweitern, sollte aber machbar sein, auch wenn es einiger Anstrengung bedarf.“ Genau das wollen die französischen Projektpartner nun in Angriff nehmen.

Allerdings gilt eine Einschränkung: Bislang funktioniert das Prinzip nur, wenn man es auf sehr tiefe Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts kühlt. „Das ist sicher ein Manko für Alltagsanwendungen“, fasst Winnerl zusammen. „Aber für den Einsatz in der Forschung und bei manchen Hightech-Systemen dürfte man mit dieser Kühlung durchaus leben können.“