Magnetwirbel-Antennen für drahtlose Datenwege

Dreidimensionale Magnetwirbel entdeckten Wissenschaftler des
Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des
Paul Scherrer Instituts (PSI) im Rahmen einer internationalen
Kooperation. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift �Physical
Review Letters� veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.177201).
Wirbelzustände sind mögliche Antennen für die ultraschnelle, drahtlose
Datenübertragung der Zukunft.

�Magnetische Wirbelzustände wurden bisher nur in zwei Dimensionen, also
innerhalb einer Fläche, beobachtet�, erklärt Sebastian Wintz, Physiker
am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Sie treten typischerweise in
nanometerkleinen Magnetscheiben auf. In einer Kooperation untersuchte
Wintz nun mit Kollegen des Schweizerischen Paul Scherrer Instituts
dreidimensionale magnetische Schichtsysteme: Die Forscher stapelten
jeweils zwei Magnetscheiben, getrennt durch eine dünne nichtmagnetische
Metallschicht, übereinander. Der spezielle Aufbau führt dazu, dass sich
alle um die Zwischenschicht herumliegenden Magnete zu gleichgerichteten,
dreidimensionalen Wirbeln anordnen � eine vollkommen neue Beobachtung.

Die Magnetwirbel helfen den Forschern, magnetische Materialien
grundlegend besser zu verstehen. Sie bieten aber auch vielversprechende
Anwendungen, zum Beispiel in der Informations- und
Kommunikationstechnologie. �Die dreidimensionalen Magnetwirbel könnten
stabile und leistungsstarke Antennen für die ultraschnelle, drahtlose
Übertragung von Informationen ermöglichen, zum Beispiel beim Mobilfunk
oder W-Lan�, sagt Wintz. Warum das so ist, verrät ein genauerer Blick in
eine einzelne Magnetscheibe sowie das am HZDR hergestellte magnetische
Schichtsystem.

In einer Magnetscheibe sind alle Magnete � wie einzelne Stabmagnete
hintereinander � im Kreis angeordnet. Auch wenn sich die Magnete nicht
bewegen, sprechen Wissenschaftler von Magnetwirbeln, eben �statischen�.
In der Mitte der Magnetscheiben, dem Wirbelkern, können sich die Magnete
nicht weiter im Kreis ausrichten; sie zeigen aus ihm heraus, entweder
nach oben oder nach unten. Ein solcher Magnetwirbel eignet sich als
Antenne für die drahtlose Datenübertragung: Legt man einen Gleichstrom
an, fängt der Wirbelkern an, sich im Kreis zu drehen. Dabei strahlt er
charakteristische elektromagnetische Wellen ab. Wird die Geschwindigkeit
aber zu hoch, wird das System instabil, die Magnetisierungsrichtung
klappt um und die Funkwelle wird unterbrochen. Die Magnete im Wirbelkern
richten sich nun in entgegengesetzter Richtung aus, beginnen wieder sich
zu drehen und senden erneut Wellen aus � bis die Geschwindigkeit wieder
zu hoch wird. Eine kontinuierliche Datenübertragung ist damit also nicht
möglich.

Das ist anders, wenn man zwei Magnetscheiben, getrennt durch eine dünne
nichtmagnetische Metallschicht, übereinander stapelt. Die Struktur ist
extrem flach; jede Magnetscheibe ist ca. zehn Nanometer dick und hat
einen Durchmesser von etwa 500 Nanometern. Die Zwischenschicht kann dazu
führen, dass in jeder Magnetscheibe die Magnete nicht genau im Kreis
zeigen, sondern entweder leicht Richtung Wirbelkern geneigt sind oder
nach außen. Je näher die Magnete an der Metallschicht liegen, desto mehr
sind sie außerdem in Richtung dieser Barriere gekippt. Und zwar so, dass
alle � sowohl über als auch unter der Zwischenschicht � in die gleiche
Richtung zeigen: Die Magnete bilden zwischen Kern und äußerem Rand einen
statischen, dreidimensionalen Wirbel um die Metallschicht herum.

Da die Magnete ganz innen fast senkrecht liegen und benachbarte Magnete
immer in die gleiche Richtung zeigen, sind auch die senkrecht stehenden
Magnete in den Wirbelkernen zweier übereinanderliegender Magnetscheiben
stets gleich ausgerichtet: Sie folgen dabei der Richtung des
Magnetwirbels. Ein einfaches Umklappen der Magnete ist dadurch nicht
mehr möglich. �Die dreidimensionalen Magnetwirbel stabilisieren die
Magnetisierung im Wirbelkern. Magnetische Schichtsysteme, wie die von
uns hergestellten, eignen sich deshalb vermutlich für Wirbelantennen
besser als vergleichbare Einzelschichten�, fasst Sebastian Wintz
zusammen. Selbst bei hohen Drehgeschwindigkeiten bleibt die magnetische
Richtung im Wirbelkern so erhalten. �Es ist denkbar, Frequenzen von mehr
als einem Gigahertz, also eine Milliarde Umdrehungen pro Sekunde, zu
erreichen. In diesem Bereich arbeiten zum Beispiel W-Lan-Netze�, so
Wintz weiter.

Um die Magnetscheiben mit hauchdünner metallischer Zwischenschicht
herzustellen, nutzte er die Elektronenstrahl-Lithografie am HZDR. �Wir
haben das seltene Metall Rhodium benutzt und schließlich die gewünschten
Eigenschaften erreicht, indem wir die Dicke und Rauigkeit der Schichten
verändert haben�. Die Magnetwirbel kamen an der Synchrotron Lichtquelle
Schweiz (SLS) des Schweizerischen Paul Scherrer Instituts zum Vorschein.
Synchrotronlicht ist eine besonders intensive Form von Licht, das in
seinen Eigenschaften genau an die Bedürfnisse eines Experiments
angepasst werden kann. Die Arbeitsgruppe von Jörg Raabe betreibt an der
SLS ein Raster-Transmissions-Röntgen-Mikroskop, es kann
Magnetisierungsrichtungen mit einer Auflösung von 20 Nanometern direkt
abbilden und die Signale zweier verschiedener magnetischer Schichten
voneinander trennen. Mit der gleichen Methode wollen die Forscher als
nächstes das Verhalten der Magnetscheiben-Paare als hochfrequente
Wirbelantennen untersuchen.

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Publikation:
S. Wintz, C. Bunce, A. Neudert, M. Körner, T. Strache, M. Buhl, A. Erbe,

Geheimdienste können trotzdem zugreifen

London/ Dresden (pte/13.09.2005/07:55) – Verschlüsselungs-Programme, so
genannte Anonymizer, wie das deutsche JAP (Java Anon Proxy Server-)
http://anon.inf.tu-dresden.de/, die anonymes Surfen im Internet
garantieren sollen, erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Laut der
BBC werden Anonymizer in China und im Iran von der US-Regierung
unterstützt, um die Redefreiheit zu fördern. Die Software verschlüsselt
sämtliche Handlungen im Internet und vernichtet die Datenspuren, indem
sich die User statt einer individuellen IP-Adresse eine gemeinsame
Adresse teilen. So kann nicht verfolgt werden, welcher User welche
Website aufgerufen hat. "JAP wurde bisher etwa eine Mio. Mal herunter
geladen, wir gehen von rund 50.000 aktiven Usern aus", so Stefan
Köpsell, wissenschaftlicher Mitarbeiter der TU Dresden, im
pressetext-Interview.

Der Anonymizer JAP ist ein gemeinsames Projekt der TU Dresden, der
Universität Regensburg und des Landeszentrums für Datenschutz
Schleswig-Holstein. Das Programm, das noch in der Entwicklung steckt,
ist online frei verfügbar. Völlig anonymes Surfen ist bislang noch
nicht möglich. "JAP schützt noch nicht vor professionellen Angreifern
wie etwa Geheimdiensten. Es ist auch eher für User gedacht, die sich
vor neugierigen Nachbarn schützen wollen", meint Köpsell. Im August
2003 wurden die Mitarbeiter des Projekts auf Betreiben des deutschen
Bundeskriminalamts dazu verpflichtet, die Zugriffe auf Websites für
eine gewisse Zeit aufzuzeichnen. "Um auf diese Daten zuzugreifen ist
allerdings eine richterliche Verfügung nötig, also muss der Verdacht
auf ein schweres Verbrechen bestehen. Man kann sich das ähnlich wie
Telefon-Überwachung vorstellen", so Köpsell.

JAP wendet sich in erster Linie an "ganz normale Internetuser", aber
auch Personen, die etwa beruflich sensible Informationen sicher
austauschen wollen. Zu den JAP-Nutzern gibt es naturgemäß keine Daten.
"Durch das Feedback per Mail schätzen wir aber, dass hauptsächlich
Privatanwender die Software nutzen", so Köpsell gegenüber pressetext.
Die Befürchtung, Anonymizer würden Verbrechern im Internet Tür und Tor
öffnen, teilt der Entwickler nicht. "Am Anfang hatten wir Probleme mit
einer rechtsradikalen Seite, die zum Download von JAP aufgerufen hat.
Verbrechen wie Rechtsextremismus oder Pädophilie spielen ansonsten aber
kaum eine Rolle, JAP wird eher für anonyme Beleidigungen oder
Online-Betrügereien genutzt. Generell glauben wir aber nicht, dass die
Zahl von Online-Verbrechen durch Anonymizer steigt", so Köpsell. Auch
die Telefonseelsorge Deutschland rät ihren Klienten seit 2002, bei
Anfragen per E-Mail JAP zu verwenden.

Auch Freenet arbeitet an anonymen Internet-Plattformen. Freenet
ermöglicht es, digitales Datenmaterial aller Art hochzuladen und zu
tauschen (pressetext berichtete:
http://www.pte.at/pte.mc?pte=050801010) Experten werfen Freenet vor,
ein Forum für kriminelle Gruppen anzubieten. "Wir glauben, dass die
Vorteile durch Freenet für Regimekritiker in Ländern wie China,
Saudi-Arabien oder im Irak größer sind als die Gefahr, dass Freenet von
Pädophilen oder Terroristen missbraucht wird", meint Freenet-Gründer
Ian Clarke.

Zürich (pte/05.05.2005/08:00) – Wissenschaftler der Universität Zürich
haben gezeigt, dass unbewusst aufgenommene Informationen das
anschliessende bewusste Lernen von gleichen oder ähnlichen
Informationen beeinträchtigen. Der Hippokampus – eine für das bewusste
Lernen unerlässliche Gehirnstruktur – war auch beim unbewussten Lernen
beteiligt. Diese Experimente werden in der heute, Donnerstag,
erscheinenden Zeitschrift Neuron publiziert.
http://www.sciencedirect.com/science/journal/08966273

Jeder Mensch lernt und erinnert sich täglich an Dinge, ohne sich dessen
bewusst zu sein. Ob wir allerdings komplexe Zusammenhänge ohne
Bewusstsein erfassen und von Moment zu Moment abspeichern können, wurde
bisher kaum erforscht. Die heutigen Gedächtnistheorien gehen davon aus,
dass unbewusste Lern- und Erinnerungsprozesse über andere
Hirnstrukturen vermittelt werden als die bewussten. Insbesondere wird
dem Hippokampus ausschliesslich eine Rolle beim bewussten Lernen und
Erinnern zugeordnet.

Das Forscherteam um Katharina Henke von der Abteilung für
Psychiatrische Forschung der Universität Zürich http://www.unizh.ch
konnte nun zeigen, dass Bilder von Gesichtern mit einer
Berufsbezeichnung (z.B. Physiker) trotz der extrem kurzen
Darbietungszeit von 17 Tausendstel Sekunden durch das Nervensystem
verarbeitet werden. Obwohl nicht bewusst wahrgenommen, wurden die
Gesichter und die Berufsbezeichnungen augenblicklich erfasst und vom
Gehirn unbewusst in einen Bedeutungszusammenhang gestellt. Diese
Bedeutungszusammenhänge wurden abgespeichert und beeinträchtigten das
spätere bewusste Lernen derselben Gesichter, welche entweder mit
demselbem Beruf kombiniert wurden oder mit einem ähnlichen oder ganz
anderen Beruf.

In all diesen Situationen wurde das bewusste Lernen durch das
vorgängige unbewusste Lernen dermassen beeinträchtigt, dass die spätere
Erinnerung an die bewusst erlernten Kombinationen zu etwa 50 Prozent
herabgesetzt wurde. Besonders interessant war dabei die Tatsache, dass
während des unbewussten Lernens sehr ähnliche Regionen des Hippokampus
und der Grosshirnrinde aktiviert waren wie beim bewussten Lernen.

Neuer Akku aus Schweden hält unendlich

Forscher der Stockholm University entwickeln idealen Speicher für die elektrifizierte Gesellschaft

(pte002/24.12.2018/06:05) – Nickel-Metallhydrid-Akkus haben eine
relativ hohe Speicherkapazität, lassen sich aber nicht allzu häufig
aufladen. Diesen Mangel haben Forscher der Stockholm University http://su.se nun behoben. Deren Akku kommt an die extrem lange Lebensdauer von
Nickel-Wasserstoff-Akkus heran. Letztere werden bei vielen
Raumfahrtmissionen genutzt, weil sie nahezu unverwüstlich sind. Sie
haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Weil der Wasserstoff in
Druckflaschen gelagert wird, ist die Batterie äußerst sperrig und
ungeeignet für den Alltagsgebrauch.

Richtige Sauerstoff-Dosis

In Nickel-Metallhydrid-Akkus wird der Wasserstoff nicht in Tanks,
sondern in Metallen gelagert. Das funktioniert prima, macht die
Batterien auch sicher. Doch das Metall korrodiert mit der Zeit, weil es
den wasserbasierten Elektrolyten aufsaugt, der die beiden Elektroden
voneinander trennt. Die Batterie trocknet aus und verliert ihre
Fähigkeit, Strom zu speichern.

Dag Noréus und Mitarbeiter Yang Shen haben mit einer
Nickel-Metallhydrid-Batterie des schwedischen Herstellers Nilar AB
experimentiert, die für alle Zellen ein gemeinsames
Wasserstoff-Reservoir hat. Die Forscher füllten eine bestimmte Menge an
Sauerstoff ein. Dieser sorgt dafür, dass das Gleichgewicht in der
Batterie wiederhergestellt wird, indem er den Verlust an Elektrolyt
wettmacht. Wenn die richtige Menge an Sauerstoff eingesetzt wird, reicht
die Lebensdauer an diejenige von Nickel-Wasserstoff-Akkus heran.

Breiteste Anwendbarkeit

Mit dem neuen Wissen halten die Akkus länger als alle Batterien, die
derzeit eingesetzt werden, einschließlich Lithium-Ionen-Akkus, die vor
allem in Autos, Flugzeugen und Anlagen genutzt werden. "Die umfassende
Elektrifizierung der Welt, einschließlich des Verkehrs, verändert die
Anforderungen an die Stromverteilnetze", sagt Noréus. Die
Nickel-Metallhydrid-Batterie sei dafür optimal geeignet.

Heute müssen die Akkus von Elektrofahrzeugen schon nach wenigen Jahren
ausgetauscht und recycelt werden. Mit den neuen Batterien ist das nicht
nötig. Sie haben allerdings eine geringere Kapazität. Besonders gut
geeignet sind langlebige Nickel-Metallhydrid-Batterien, wenn sie
stationär eingesetzt werden, etwa in Häusern mit Fotovoltaikanlagen, um
überschüssigen Strom zu speichern. Auch hier ist die relativ kurze
Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien ein Hindernis. Wann der neue
Akku auf den Markt kommt, ist noch offen.

Magnetwirbel in Nano-Scheiben geben Informationen preis

Forscher aus Dresden und Jülich nutzen Mikrowellen zum Auslesen von kleinsten Datenspeichern

Erstmals
ist es gelungen, die Ausrichtung von Magnetwirbeln in Nano-Scheiben
elektrisch auszulesen. Ein Team aus Forschern des Helmholtz-Zentrums
Dresden-Rossendorf (HZDR), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des
französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS,
Straßburg) nutzte dafür charakteristische Mikrowellen, die von den
Wirbeln ausgehen. Mit dem neuen Wissen über diese Signale könnten die
extrem kleinen Bauteile für neuartige Speicher und drahtlose
Datenübertragung eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen
werden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications (DOI:
10.1038/ncomms7409) veröffentlicht.

Die
innere Spin-Anordnung der Elektronen in magnetischen Nano-Scheiben
steht schon seit einigen Jahren im Zentrum der wissenschaftlichen
Aufmerksamkeit. Der Elektronenspin ist die Eigendrehung des Teilchens um
eine feste Achse. Dieser Spin verursacht ein magnetisches Moment des
Elektrons, das unter anderem dafür sorgt, dass zum Beispiel Eisen
magnetisch ist. Dort nämlich sind die Spins aller Elektronen parallel
zueinander ausgerichtet. Bei sehr dünnen und kleinen Schichten, den
Nano-Scheiben, kann es jedoch auch zu einer wirbelförmigen Anordnung
kommen. Seit Forscher von dieser komplexeren Struktur wissen, versuchen
sie, diese Eigenschaften für äußerst platz- und energiesparende
Datenspeicher zu nutzen. Die könnten zum Beispiel in Smartphones und
Laptops zum Einsatz kommen, wenn es gelingt, gespeicherte Informationen
abzurufen.

In
Nano-Scheiben sind die Spins so angeordnet, als hätte man gewöhnliche
Stabmagneten in einem Kreis aneinandergereiht. Im Kern der Scheibe
funktioniert diese Ordnung jedoch nicht mehr, weshalb sich die Magnete
aus der Ebene heraus nach oben oder unten ausrichten. „Über diese beiden
Eigenschaften, die Drehrichtung in der Ebene und die magnetische
Orientierung im Kern, lassen sich Informationen speichern“, erklärt Dr.
Attila Kákay, der vor kurzem vom Forschungszentrum Jülich nach Dresden
wechselte. „Damit können wir pro Wirbel bereits zwei Bit an
Informationen speichern. Werden zwei dieser Wirbelmagnete übereinander
gestapelt, sind es bereits vier Bit, also ein System mit 16
verschiedenen Zuständen.“

Kern der Nano-Scheiben ist zu winzig für herkömmliche Auslesemethoden

Ein
solches Doppelwirbel-Türmchen ist dann gerade mal 50 Nanometer hoch und
hat einen Durchmesser von nur 150 Nanometern – fast tausend Mal dünner
als ein menschliches Haar. Doch während die Drehrichtung der Wirbel und
die Kernorientierung noch recht einfach durch Ströme und Magnetfelder
beeinflusst werden können, war die geringe Größe der Nano-Scheiben beim
Auslesen der Informationen bislang ein Hindernis: „Die magnetische
Orientierung im Kern, die sogenannte Polarität, konnte nicht verlässlich
gelesen werden, weil der Kern einfach zu winzig ist“, so Dr. Kákay. Bei
Experimenten in Jülich fanden die Forscher dafür jedoch eine Lösung:
Mikrowellen. Diese elektrischen Wechselspannungssignale erzeugt ein
Doppelwirbel bei angelegtem Gleichstrom. Die spezifischen Frequenzen der
Mikrowellen nutzen die Physiker nun, um die Polarität und die
Drehrichtung der Wirbel zu bestimmen.

„Das
Prinzip ähnelt dem einer Blockflöte: Auch bei dem Musikinstrument
korrespondiert jeder Griff auf die Tonlöcher eindeutig mit einer ganz
bestimmten Tonlage, also Schwingungsfrequenz“, erklärt Dr. Alina Deac,
Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR.

Mit
dem neuen Prinzip haben die Wissenschaftler aus Dresden, Jülich und
Straßburg Nano-Bauteile entworfen, die nicht nur Informationen mit Hilfe
der Magnetwirbel speichern, sondern die auch zuverlässig elektrisch
ausgelesen werden können. In Zukunft könnten damit weitaus mehr Daten
auf immer kleineren Speicherbausteinen untergebracht werden und in
moderner Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Zudem kann die Frequenz
der Wechselspannung bis in den Gigahertz-Bereich reichen, was die
ultraschnelle, drahtlose Übertragung von Informationen möglich macht,
zum Beispiel beim Mobilfunk oder im WLAN.

eine Luftbeschichtung, die den
Reibungswiderstand von Schiffen reduziert, entwickeln Forscher aus ganz
Europa im Projekt AIRCOAT. Dabei nutzen sie den am Karlsruher Institut
für Technologie (KIT) erforschten Salvinia-Effekt, der es erlaubt, unter
Wasser eine Luftschicht dauerhaft zu halten. Die Europäische Kommission
fördert AIRCOAT mit insgesamt 5,3 Millionen Euro; davon erhält das KIT
rund eine Million Euro. Die wissenschaftliche Koordination liegt bei dem
Physiker und Nanotechnologie-Experten Professor Thomas Schimmel am KIT.

Das Projekt ist am 1. Mai 2018 gestartet und
läuft drei Jahre. Als Projektkoordinator fungiert das Fraunhofer-Center
für Maritime Logistik und Dienstleistungen CML in Hamburg. AIRCOAT (Air
Induced friction Reducing ship COATing) zielt darauf, eine passive
Luftschmiertechnologie für Schiffe zu entwickeln, die zum Schutz der
Meere und der Atmosphäre beiträgt. Eine auf den Schiffsrumpf
aufgebrachte selbstklebende Folie erzeugt eine dünne Lufthülle, die den
Reibungswiderstand wesentlich verringert und gleichzeitig als
physikalische Barriere zwischen Rumpfoberfläche und Wasser wirkt.
Dadurch lassen sich Kraftstoffverbrauch und Abgasausstoß des Schiffs
beträchtlich reduzieren. Die Luftschicht vermindert auch die Abstrahlung
von Schiffslärm. Überdies verhindert sie die Ansiedlung von
Meeresorganismen am Schiffsrumpf, das sogenannte Fouling, sowie die
Freisetzung von bioziden Substanzen aus darunterliegenden Beschichtungen
ins Wasser.

Bei der innovativen Luftbeschichtung handelt
es sich um eine bionische Anwendung – die Technik ist von der Natur
abgeschaut. AIRCOAT basiert auf dem Salvinia-Effekt, den der Botaniker
Professor Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn und der Physiker
Professor Thomas Schimmel vom KIT gemeinsam entdeckt haben. Dieser
Effekt ermöglicht es bestimmten Pflanzen wie den Schwimmfarnen
(Salvinia) auch unter Wasser zu atmen. Dazu halten sie eine dünne
Luftschicht auf der Oberfläche ihrer Blätter, die haarartige Strukturen
aufweist und extrem wasserabweisend ist. Das AIRCOAT Projekt setzt
diesen Effekt, der die Haltung von Luftschichten auf Oberflächen unter
Wasser ermöglicht, nun technologisch auf einem selbstklebenden
Foliensystem um.

Der wissenschaftliche Koordinator von
AIRCOAT, Professor Thomas Schimmel, der am Institut für Angewandte
Physik (APH), am Institut für Nanotechnologie (INT) sowie am Centrum für
Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT tätig ist, erforschte mit
seiner Arbeitsgruppe den Salvinia-Effekt in dem von
Bundesforschungsministerium geförderten Projekt ARES, an dem das KIT
sowie die Universitäten Bonn und Rostock beteiligt waren, sowie in einem
von der Baden-Württemberg Stiftung geförderten Projekt. „Nachdem wir
den Salvinia-Effekt verstanden hatten, erkannten wir das enorme
ökonomische und ökologische Potenzial einer technischen Umsetzung“,
berichtet Thomas Schimmel. „Wir entwickelten eine Methode zur
Herstellung einer künstlichen Oberfläche, die den Effekt im Labor
nachahmt. Ein früher Prototyp, den wir vor mehr als fünf Jahren unter
Wasser gesetzt haben, ist immer noch mit einer dauerhaften Luftschicht
bedeckt!“

Das AIRCOAT Konsortium optimiert die neue
Technologie und untersucht die Oberflächeneigenschaften experimentell
und numerisch. Anschließend demonstrieren die Forscher die Effizienz und
die industrielle Machbarkeit im Labor, auf Forschungsschiffen und auf
Containerschiffen. Ein umfassender Validierungsprozess wird den Nutzen
für Wirtschaft und Umwelt nachweisen. In AIRCOAT arbeiten
Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen – von der angewandten
Physik über Nanotechnologie, experimentelle und numerische
Strömungsmechanik sowie Bionik bis hin zu Schiffstechnik und
Schiffsemissionsmodellierung – mit Industrieexperten aus den Bereichen
Schiffsbeschichtung, Ökotoxikologie und Selbstklebefolientechnologie
sowie Containerschiffsbetreibern zusammen.

Insgesamt sind an dem von der Europäischen
Kommission im Rahmen des Programms Horizon 2020 geförderten Projekt zehn
Partner beteiligt: neben dem Fraunhofer CML und dem KIT auch die
Hochschule Bremen und die HSVA Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt
GmbH sowie Avery Dennison Materials Belgium, PPG Coatings Europe B.V.
(Niederlande), Danaos Shipping (Zypern), die AquaBioTech Gruppe (Malta),
das Finnische Meteorologische Institut und Revolve Water (Belgien).

Elektrofahrräder
sind voll im Trend! Oft sind die Antriebe der praktischen Flitzer aber
stärker im Hinblick auf die Herstellungskosten optimiert, weniger auf
die bestmögliche Kraftentfaltung. Im Vergleich zu anderen
strombetriebenen Fahrzeugen schneiden Pedelecs bei Wirkungsgrad und
Reichweite deshalb schlechter ab. Forscherinnen und Forscher des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen die E-Bikes jetzt
besser machen und haben dafür einen speziellen Prüfstand eingerichtet.

„Die meisten Motoren,
die heute in E-Bikes verbaut sind, wurden ursprünglich als Antriebe für
andere kleine Elektrogeräte entwickelt, zum Beispiel als Lenkhilfe in
Autos“, sagt Martin Doppelbauer vom Elektrotechnischen Institut (ETI)
des KIT. Deswegen seien sie nicht per se schlecht, aber eben auch nicht
so optimiert, dass sie die allerbeste Fahrleistung erbrächten,
konstatiert der Professor für Hybridelektrische Fahrzeuge. So erreiche
ein durchschnittliches Elektroauto gegenwärtig einen Wirkungsgrad von 90
Prozent. Die zugeführte Energie wird also fast vollständig in Leistung
umgesetzt. „Bei handelsüblichen Pedelecs beträgt er hingegen nur 70
Prozent“, sagt Doppelbauer. Zukünftige Motoren müssten vor allem
kompakter und damit auch kleiner, leichter und reichweitenstärker sein.
Dazu wenden die Forscher am ETI Entwicklungsmethoden und Erkenntnisse
von größeren Antrieben für batterieelektrische Fahrzeuge, die heute
bereits sehr weit entwickelt sind, auf die kleinen Pedelec-Motoren an.

Doch nicht nur der
Motor selbst könne noch verbessert werden, sondern auch Komponenten wie
Getriebe, Kühlung, Leistungselektronik und nicht zuletzt die Batterie.
„Bislang fehlt bei den meisten Herstellern ein Schnellladesystem“, so
Doppelbauer. Ein solches entwickelt das ETI jetzt gemeinsam mit einem
Heidelberger E-Bike-Produzenten. „Räder für den Stadtverkehr muss man in
einer halben Stunde während des Einkaufens aufladen können, dann kann
man die Batterien kleiner, leichter und damit praxistauglicher machen“.

Um die angepeilten
Neuentwicklungen auf Herz und Nieren zu testen, haben die ETI-Forscher
eigens einen neuartigen Prüfstand eingerichtet wie er in der
Automobilindustrie üblich ist. „Hier können wir Fahrräder
vollautomatisch realistischen Dauertests unterziehen“, erklärt
Doppelbauer. Die Räder durchliefen dabei unterschiedliche Fahrzyklen in
allen Geschwindigkeiten, ebenso könnten Berg- und Talfahrten
nachgestellt werden, „wie bei den großen Motoren auch“.

Details zum KIT-Zentrum Mobilitätssysteme: http://www.mobilitaetssysteme.kit.edu

Chemikern am Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren
durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das
Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der
Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher
Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte
Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als
Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige
Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access
Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch
Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT
nutzen diesen Effekt, um unter Licht die Verknüpfung von Molekülen zu
definierten Polymerketten gezielt in Gang zu setzen. „In vielen
herkömmlichen Verfahren entstehen Polymerketten unterschiedlicher Länge
und die Anordnung der Bausteine entlang der Kette ist zufällig
verteilt“, sagt Professor Christopher Barner-Kowollik vom Institut für
Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) am KIT. „Unser Ziel war es,
eine lichtinduzierte Methode zum Polymeraufbau zu entwickeln, die die
Präzision der Natur erreicht“, so der Inhaber des Lehrstuhls für
Präparative Makromolekulare Chemie. Denn die natürlichen Vorbilder, zum
Beispiel Proteine, weisen einen exakt definierten Aufbau auf. Das neue
lichtinduzierte Syntheseverfahren ermöglicht ein maßgeschneidertes
Moleküldesign, bei dem die Bausteine in ihrer Abfolge – vergleichbar dem
Muster einer bunten Perlenkette – genau an die gewünschte Stelle
platziert werden können.

„Durch die Kontrolle über den Aufbau des
Moleküls, die sogenannte Sequenz, lassen sich die Eigenschaften der
Makromoleküle steuern“, sagt Barner-Kowollik. „Sequenzdefinierte
Polymere lassen sich möglicherweise auch als molekulare Daten- und
Informationsspeicher nutzen.“ Informationen könnten durch die Abfolge
der Monomere verschlüsselt werden, ähnlich wie die Natur die
Erbgutinformation in der DNA hinterlegt hat.

Die Forschergruppe des KIT um Barner-Kowollik
stellt die neue, lichtgesteuerte hochpräzise Polymerisationsmethode
unter dem Titel „Coding and Decoding Libraries of Sequence Defined
Functional Copolymers Synthesized via Photoligation“ in der
Fachpublikation Nature Communications vor. Die Entwickler erwarten, dass
das grundlegende Verfahren ein Werkzeug für Chemiker, Biologen und
Materialforscher wird und ein Schlüssel für die künftige
Makromolekularchemie ist.

Entwickelt wurde das neue Verfahren im Rahmen
des Sonderforschungsbereiches (SFB) 1176 „Molekulare Strukturierung
weicher Materie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der vom KIT
koordiniert wird. Neun Millionen Euro stehen dem im Januar 2016
gestarteten SFB in den ersten vier Jahren zur Verfügung.

Nicolas Zydziak, Waldemar Konrad, Florian
Feist, Sergii Afonin, Steffen Weidner, and Christopher Barner-Kowollik:
Coding and Decoding Libraries of Sequence Defined Functional Copolymers
Synthesized via Photoligation. DOI: 10.1038/NCOMMS13672

Weitere Informationen:

https://www.kit.edu/kit/pi_2015_143_struktur-von-makromolekuelen-gezielt-steuern.php

https://www.kit.edu/kit/pi_2016_091_chemische-reaktionen-lassen-sich-mit-licht-schalten.php

Weiterer Kontakt:

Kosta Schinarakis, PKM – Themenscout, Tel.: +49 721 608 41956, Fax: +49 721 608 43658, E-Mail: schinarakis@kit.edu

Das Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und
Innovation zu einer Mission. Mit rund 9 300 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeitern sowie 25 000 Studierenden ist das KIT eine der großen
natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen
Europas.

Wissenschaftler stärken Bürgerbeteiligung an der Energiewende

Start der Forschungsinitiative zum gesellschafts- und umweltverträglichen Umbau des Energiesystems / Wanka: "Wir brauchen tragfähige Lösungen"

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bietet beim Netzausbau an, zwischen der Stromwirtschaft und betroffenen Bürgerinnen und Bürgern unabhängig moderierte und von der Wissenschaft begleitete Bürgergespräche zu organisieren. "Wir sind bereit, konkrete Projekte dazu beispielhaft zu fördern", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der Vorstellung der neuen Forschungsinitiative zum gesellschafts- und umweltverträglichen Umbau des Energiesystems. Dabei werden 33 Verbünde mit insgesamt 100 Partnern an den Start gehen, die vom BMBF mit insgesamt 30 Millionen Euro gefördert werden. Gut zwei Drittel der Forschungsproje kte beschäftigen sich mit Formen und Methoden, die Bürger stärker in die Entscheidungen zur Energiewende einbeziehen.

"Für die große Aufgabe der Energiewende brauchen wir tragfähige und von allen akzeptierte Lösungen vor Ort. Die Wissenschaft kann als neutraler Makler helfen, den Dialog zwischen Bürgern, Wirtschaft, Planern und Entscheidungsträgern zu fördern. Bürgerinnen und Bürger müssen dabei sicher sein können, dass sie frühzeitig einbezogen werden und ihre Argumente in die Entscheidungen einfließen", sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka. Dafür sei der laufende Ausbau der Stromnetze ein gutes Beispiel.

Der aktuell gestartete Förderschwerpunkt stellt insgesamt drei Forschungsthemen in den Mittelpunkt. Neben dem Schwerpunkt der Analyse und Bewertung von gesellschaftlichen Voraussetzungen für die Akzeptanz der Energiewende und Entwicklung neuer Strategien zur Bürgerbeteiligung wird als zweites Thema der Netzausbau, die Regionalisierung und Dezentralisierung der Energieerzeugung und -versorgung aus gesellschaftswissenschaftlicher Perspektive betrachtet. Zum dritten werden neue Geschäftsmodelle für die Energieversorgung auf lokaler und regionaler Ebene erprobt. Das Spektrum reicht von Ideen, wie Bürgerinnen und Bürger zu Miteigentümern von Stromnetzen werden über die Frage, wie stromsparende Geräte schneller in die Haushalte kommen bis hin zu Konzepten, steigende Energiepreise gerecht zu verteilen.

Die 33 Projekte wurden aus insgesamt 150 eingereichten Vorschlägen ausgewählt. "Das zeigt: Wir haben mit diesem fächerübergreifenden Thema den Nerv getroffen", sagte Wanka. Die beteiligten Hochschulinstitute und außeruniversitären Forschungseinrichtungen decken ein breites wissenschaftliches Spektrum ab. Vertreten sind sowohl Wirtschafts-, Sozial-, Klima-, Energie- und Umweltwissenschaften sowie die Rechts-, Kommunikations-, Kultur- und Raumwissenschaften, als auch die Ingenieur- und Naturwissenschaften, die Philosophie und Stadtforschung. In der Regel arbeiten etwa zwei bis vier Insti tute interdisziplinär zusammen und beziehen dabei Kommunen, Stadtwerke, Energie- und Kommunikationsagenturen als Praxispartner mit ein.

Bundesministerium für Bildung und Forschung