Mangelndes Grundwissen verhindert Vermittlung möglicher Gefahren

Kaum jemand kann sich eine molekulare Nanoröhre vorstellen (Bild: bfr)
 
Bonn (pte/21.10.2009/06:10) – Obwohl kaum jemand eine Vorstellung hat, was Nanotechnologie ist, schätzen die meisten Menschen deren Nutzen höher ein als die Risiken. Zu diesem Schluss kommen Marktforscher der Universität Bonn http://www.uni-bonn.de gemeinsam mit Wirtschaftspsychologen im Journal of Nanoparticle Research. Die Wissenschaflter analysierten im Auftrag des Bundesinstituts für Risikobewertung (bfr) per Befragungen, wie die Nanotechnologie heute wahrgenommen wird. Sichtbar wurden dabei nur geringe Kenntnisse in der Bevölkerung rund um das Thema.

Unter dem Schlagwort Nanotechnologie versteht man die Entwicklung von Werkstoffen oder Bauteilen, denen besonders kleine Komponenten besondere Eigenschaften verleihen. Auch wenn die Technik bereits längst in den Alltag eingezogen ist und etwa in Sonnencremes, Zahnfüllungen oder auch bei bestimmten Lebensmitteln Anwendung findet, gibt es noch sehr wenig Verständnis über die Materie in der Bevölkerung. "Fast niemand weiß genau, was Nanotechnologie genau bezeichnet. Häufig assoziiert man damit den Lotuseffekt, Produkte aus dem IT-Bereich oder Verbraucherprodukte, die Nanotechnologie ausloben wie etwa Schuhpflegesprays", berichtet Forschungsleiter Johannes Simons im pressetext-Interview.

Beruhigendes Halbwissen

Grund für das fehlende Wissen ist die Schwierigkeit, sich Nanoteilchen vorzustellen. „Die Materie ist viel zu kompliziert, als dass man sie ohne große Mühe verstehen könnte. Denn wir wollen zwar wissen, scheuen jedoch in der Regel den Aufwand zu lernen“, urteilt Simons. Die Nanotechnologie sei in ihrer Komplexität mit der Gentechnik vergleichbar, wobei Simons jedoch deutliche Unterschiede in der allgemeinen Bewertung erkennt. „Das Nicht- oder Halbwissen macht in der Gentechnik Angst, da hier die Vorstellung vorherrscht, man wolle dem Herrgott ins Handwerk pfuschen. Bei der Nanotechnologie bewirkt die Unkenntnis hingegen Zuversicht."

Zum positiven Image von Nanotechnologie hätten ausbleibende Risikomeldungen wie auch die Wirtschaft selbst beigetragen. "Die Menschen erhielten bisher noch keine Meldungen mit der Botschaft, dass Nanotechnologie schlimm sein könnte. Sehr positiv besetzt ist das diffuse Wissen über die Anwendung in der Medizin oder im Umweltbereich, wo man die Lösung wichtiger Probleme durch Nanotechnologie erhofft." Förderlich für den Ruf sei auch die Produktreihe ‚Nano‘ von Apple, sowie das gleichnamige Forschungsmagazin im deutschen Fernsehen.

Böse Nanoteilchen

Dennoch fanden die Forscher auch negativ besetzte Begriffe, die die Wissenschaft ebenfalls der Nanotechnologie zuordnet. "Der Begriff Nanoteilchen löst ablehnende Assoziationen aus, wenn sie etwa mit freien Radikalen, Asbest, Feinstaub oder mit der Entstehung von Krebs verknüpft werden. Diese Themen sind stark angstbesetzt." Kaum einer der 1.000 Befragten verband allerdings Nanoteilchen auf Anhieb mit der Nanotechnologie.

Trotz des schwierigen Themas ist Simons der Ansicht, dass die stärkere Vermittlung von Wissen über Nanotechnologie sinnvoll wäre. "Chancen und Risiken dieser Technik werden derzeit in der Öffentlichkeit kaum diskutiert. Die Kommunikation von etwaigen Gefahren ist jedoch erst möglich, wenn es eine bestimmte Wissensgrundlage gibt." Vorbedingung dieser Vermittlung sei es allerdings, noch mehr über in den Köpfen vorhandene Bilder und Ängste Bescheid zu wissen und die Kommunikationsstrategie daran anzuknüpfen.

Abschlussbericht online unter http://www.bfr.bund.de/cm/238/wahrnehmung_der_nanotechnologie_in_der_bevoelkerung.pdf

Pressemitteilung aus dem
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) vom
25.08.2014

Messungen unter
Big-Bang-Bedingungen bestätigen Lithium-Problem

Die Astrophysik hat ein hartnäckiges
Problem und das heißt Lithium: Das Element kommt nicht in den Mengen in
Sternen vor, die rechnerisch für die Lithium-Entstehung nach dem Big
Bang vorhergesagt werden. Doch die Berechnungen stimmen – das konnte
jetzt erstmals auch experimentell im Untertagelabor im italienischen
Gran-Sasso-Bergmassiv bestätigt werden. Forscher des Helmholtz-Zentrums
Dresden-Rossendorf (HZDR) untersuchten dort in einem internationalen
Team, wieviel Lithium unter Urknall-Bedingungen entsteht. Die Ergebnisse
wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters
veröffentlicht.

Lithium ist neben
Wasserstoff  und Helium eines der drei Elemente, die nicht erst
innerhalb von Sternen erzeugt werden. Stattdessen – so die Theorie –
sind sie schon früh durch die „primordiale Nukleosynthese“ entstanden.
Das heißt: Im nur wenige Minuten alten Universum haben sich Neutronen
und Protonen zu den Kernen der ersten drei Elemente verbunden. Am
Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) wurde die
Kernentstehung von Lithium nun von einem internationalen Forscherteam
nachgestellt. Eine führende Rolle im Team nahm Michael Anders ein, der
im vergangenen Jahr an der TU Dresden und am HZDR zu dem Thema
promoviert hat. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft
geförderten Projekts wurde er dabei von Dr. Daniel Bemmerer,
Gruppenleiter am HZDR, betreut.

In dem italienischen Untertagelabor
feuerten die Wissenschaftler Heliumkerne auf schweren Wasserstoff
(sogenanntes Deuterium), um Energien wie kurz nach dem Urknall zu
erreichen. So sollte gemessen werden, wieviel Lithium unter Bedingungen
entsteht, die denen im Frühstadium des Universums ähneln. Das Ergebnis
des Experiments: Die Daten bestätigten die theoretischen Vorhersagen,
die mit den beobachteten Lithium-Konzentrationen im Universum nicht
vereinbar sind.

„Zum ersten Mal
überhaupt konnte mit unserem Experiment die Lithium-6-Produktion in
einem Teil des Urknall-Energiebereichs untersucht werden“, erklärt
Daniel Bemmerer. Lithium-6 (drei Neutronen, drei Protonen) ist eines der
beiden stabilen Isotope des Elements. Die Entstehung von Lithium-7,
welches über ein zusätzliches Neutron verfügt, wurde bereits 2006 von
Bemmerer am LUNA untersucht.

Mit den neuen Ergebnissen bleibt das
Lithium-Problem eine harte Nuss: Einerseits sprechen nun alle
Labor-Ergebnisse der Astrophysiker dafür, dass die Theorie der
primordialen Nukleosynthese korrekt ist. Andererseits zeigen viele
Beobachtungen von Astronomen, dass die ältesten Sterne in unserer
Milchstraße nur halb so viel Lithium-7 enthalten wie vorhergesagt.
Aufsehenerregende Berichte von schwedischen Forschern, die in solchen
Sternen außerdem deutlich mehr Lithium-6 entdeckten als vorhergesagt,
müssen wohl auch aufgrund der neuen LUNA-Daten noch einmal überprüft
werden. Bemmerer: „Sollten in Zukunft wieder ungewöhnliche
Lithium-Konzentrationen beobachtet werden, wissen wir dank der neuen
Messung, dass die Erklärung nicht in der Urknall-Nukleosynthese liegen
kann.“

Weitere Forschung
bald im neuen Felsenkeller-Labor in Dresden

Wichtig für die Untersuchungen war auch
die besondere Lage von LUNA: Im Bergmassiv Gran Sasso d’Italia halten
1.400 Meter Felsgestein störende kosmische Strahlung fern. Zusätzlich
ist das Labor in eine Bleihülle gekleidet. Nur durch eine solch gute
Abschirmung können die seltenen Wechselwirkungen zwischen den Kernen
präzise erfasst werden. Schon im nächsten Jahr soll aber auch in Dresden
ähnliche Forschung möglich sein. Dann wollen die Technische Universität
Dresden und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf das
Beschleunigerlabor „Felsenkeller“ in Betrieb nehmen. In dem ehemaligen
Brauerei-Keller schirmen zwar nur 45 Meter Fels die natürliche Strahlung
ab, dies reiche laut Bemmerer vom HZDR für viele Messungen aber bereits
aus. Zudem habe das neue Labor einen mehr als zwölfmal so starken
Teilchenbeschleuniger zu bieten: „Dort können wir dann unsere
Experimente erweitern und die Entstehung der Elemente in höheren
Energiebereichen erforschen.“

Betreff: Leibniztag 2011 der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften
Datum: 18. Jun 2011 13:22

Mit einem Appell für eine Zukunftsinvestition in Bildung, Wissenschaft und Forschung eröffnete Akademiepräsident Prof. Dr. Günter Stock seinen Rechenschaftsbericht auf dem Leibniztag 2011. Da derzeit über das Auslaufen des Solidarpaktes gesprochen werde, sollte darüber nachgedacht werden, so Prof. Dr. Günter Stock, ob wir Solidarität nicht gerade und im Besonderen mit den nachwachsenden Generationen zeigen müssten. Er votierte für eine begrenzte Verlängerung des Solidarpaktes, um strategisch notwendige Investitionen in die Bildungskette von der vorschulischen bis zur universitären Bildung zu ermöglichen.

Am Leibniztag, der Anfang des 19. Jahrhunderts von der Preußischen Akademie der Wissenschaften begründet wurde, werden traditionellerweise die höchsten Auszeichnungen und Preise der Akademie verliehen. In diesem Jahr wurden Prof. Dr. Fotis C. Kafatos und Prof. Dr. Ernst-Ludwig Winnacker für ihre besonderen Verdienste bei der Gründung und beim Aufbau des European Research Council (ERC) mit der Leibniz-Medaille gewürdigt. Der Philosoph und Historiker Prof. Dr. Martin Mulsow erhielt für seine Studien, in denen er die Aufklärung als Radikalisierungsprozess interpretiert, den mit 30.000 Euro verliehenen Akademiepreis für herausragende wissenschaftliche Leistungen.

Den Festvortrag hielt Josef Joffe, ZEIT-Herausgeber sowie Senior Fellow und Professor der Politikwissenschaft an der Stanford University. Er widmete sich dem Umbruch in der arabischen Welt und ging der Frage nach, ob es sich bei den aktuellen Demokratisierungsbewegungen um eine Geschichtswende oder lediglich um einen falschen Frühling handle.

Ein Schwerpunkt im Bericht des Akademiepräsidenten war die aktuelle Arbeit der Akademie. Im Bereich der interdisziplinären Arbeitsgruppen (IAGs) befasst sie sich unter anderem mit der Zukunft technischer und naturwissenschaftlicher Bildung in Europa, mit dem Thema Zukunft mit Kindern Fertilität und gesellschaftliche Entwicklung oder mit der Exzellenzinitiative. Als eine besonders innovative Entwicklung im Bereich der sogenannten Langzeitvorhaben hob Prof. Dr. Günter Stock die Eröffnung des Berliner Antike-Kollegs hervor, das allen beteiligten Institutionen die einmalige Chance einer Revitalisierung der großen wissenschaftlichen Tradition der Altertumsforschung in Berlin biete.

Der Akademiepräsident thematisierte auch die Veränderungen in der deutschen Akademienlandschaft. Er verwies zum einen auf die Impulse, die in der Vergangenheit von der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften (BBAW) ausgingen, unter anderem mit den Initiativen zur Gründung einer Jungen Akademie und des Konvents für Technikwissenschaften, aus der später acatech Deutsche Akademie der Technikwissenschaften hervorging. Zum anderen betonte er die Sonderrolle der BBAW im Bereich der wissenschaftsbasierten Gesellschafts- und Politikberatung.

Dresdner Physiker entwickeln widerstandsfreie Stromleitungen aus spröder

Keramik. Bernhard Holzapfel und Ludwig Schultz vom Leibniz-Institut für

Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden bezwingen die Tücken des

spröden Materials und erhalten den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes

für die Deutsche Wissenschaft.

Bonn/Berlin – Der diesjährige Wissenschaftspreis des Stifterverbandes für

die Deutsche Wissenschaft in der Kategorie „Gesellschaft braucht

Wissenschaft“ geht auf Vorschlag der Leibniz-Gemeinschaft an Dr. Bernhard

Holzapfel und Prof. Ludwig Schultz vom Leibniz-Institut für Festkörper- und

Werkstoffforschung in Dresden. Das entschied eine hochrangig besetzte Jury

unter Leitung von Prof. Dr. Treusch, Vorstandsvorsitzender des

Forschungszentrums Jülich, kürzlich in Berlin. Die beiden Wissenschaftler

werden für ihre grundlagen- und anwendungsbezogenen Forschungsarbeiten auf

dem Gebiet der Hochtemperatur-supraleiter (HTSL) ausgezeichnet. Die Arbeiten

der beiden Physiker machen zum Beispiel widerstandsfreie Stromleitungen

möglich. Die Preisverleihung findet auf der Jahrestagung der

Leibniz-Gemeinschaft am 23. November 2006 in Berlin statt.

Das Phänomen Supraleitung, also vollkommen verlustfreier Stromtransport,

fasziniert seit der Entdeckung der ersten Supraleiter im Jahre 1911

Wissenschaftler und Laien gleichermaßen. Als vor genau 20 Jahren die

Entdeckung der Hochtemperatur-supraleitung in oxidischen Keramiken durch den

Deutschen Georg Bednorz und den Schweizer Alex Müller bekannt wurde, führte

dies schnell zu euphorischen Anwendungsvisionen in Elektronik, Messtechnik

und Energietechnik. Die damals einsetzende und intensiv öffentlich

geförderte grundlagen- und anwendungs-orientierte Forschung zeigte in den

folgenden Jahren aber sehr deutlich, dass ein harter Weg von der Entdeckung

des Phänomens bis zum Verständnis und zur technologischen Anwendung dieser

Materialklasse zu überwinden ist. Für Anwendungen in der Energietechnik

werden Kilometer lange Drähte und Kabel mit hoher Stromtragfähigkeit

benötigt. Das ist für die Materialklasse der Hochtemperatur-supraleiter

(HTSL) eine materialwissenschaftliche Herausforderung ersten Ranges. Zum

einen lassen sich die spröden Keramiken nicht – wie zum Beispiel

metallisches Kupfer – durch einfache mechanische Verformung zu langen

Drähten ziehen. Zum anderen zeigte sich, dass eine hohe Stromtragfähigkeit

der Hochtemperatur-supraleiter nur in weitgehend einkristallinen Bereichen

möglich ist.

Es mussten also völlig neuartige Technologien entwickelt werden, die die

Herstellung kilometerlanger, nahezu einkristalliner Drähte erlauben. Darüber

hinaus müssen derartige Herstellungstechniken kostengünstig und skalierbar

sein, um den Verdrängungswettbewerb mit dem konventionellen Leitermaterial

Kupfer erfolgreich bestehen zu können. „Aufgrund der von Bernhard Holzapfel

und Ludwig Schultz gemeinsam durchgeführten wegbereitenden

Grundlagenarbeiten für die erfolgreiche Realisierung von HTSL-Bandleitern

hat die Materialforschung auf diesem Gebiet nunmehr einen Stand erreicht,

der eine umfassende technologische Anwendung im Bereich der Energietechnik

realisierbar erscheinen lässt“, heißt es in der Begründung der Jury. Durch

ihre von Beginn an interdisziplinäre Herangehensweise konnten Dr. Bernhard

Holzapfel und Prof. Ludwig Schultz entscheidende Beiträge erarbeiten, die

nunmehr die Basis für die technologische Realisierung von

Hochtemperatur-supraleiterkabeln bilden und aktuell von mehreren Firmen

genutzt werden. Stromkabel auf HTSL-Basis, die verlustfrei Strom leiten,

könnten eines Tages zur Entschärfung der sich abzeichnenden Energiekrise

beitragen. Der zu erwartende praktische Nutzen der Arbeiten ist mit ein

Preiskriterium.

Seit 1990 arbeiten Dr. Bernhard Holzapfel und Prof. Ludwig Schultz, erst bei

der Siemens AG und dann am Leibniz-Institut für Festkörper- und

Werkstoffforschung Dresden, gemeinsam erfolgreich auf dem Gebiet der

Hochtemperatursupraleitung. –Mit dem Wissenschaftspreis des Stifterverbandes

für die Deutsche Wissenschaft in der Kategorie „Gesellschaft braucht

Wissenschaft“ werden Weg weisende wissenschaftliche Arbeiten gewürdigt, die

einen praktischen Nutzen in Wirtschaft, Politik, Gesellschaft oder Forschung

erwarten lassen und von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mindestens

eines Leibniz-Instituts maßgeblich durchgeführt wurden. Die Jury besteht aus

zehn stimmberechtigten Mitgliedern aus Wissenschaft und öffentlichem Leben.

Ob Kratzer im Autolack oder Risse im
polymeren Material: Selbstheilende Werkstoffe können sich selbst
reparieren, indem sie nach Beschädigungen ihre ursprüngliche molekulare
Struktur wiederherstellen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für
Technologie und Evonik Industries entwickelten eine chemische
Vernetzungsreaktion, durch die sich bei milder Erwärmung innerhalb
kurzer Zeit gute Heilungseigenschaften des Materials erreichen lassen.
Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichen sie nun im Fachmagazin
Advanced Materials. DOI:10.1002/adma.201306258

Die
Karlsruher Forschungsgruppe um Christopher Barner-Kowollik nutzt zum
Herstellen selbstheilender Materialien die Möglichkeit,
funktionalisierte Fasern oder kleine Moleküle durch eine umkehrbare
chemische Reaktion zu einem Netzwerk zu verknüpfen. Diese sogenannten
schaltbaren Netzwerke lassen sich � nach einer Beschädigung � in ihre
Ausgangsbausteine zerlegen und wieder neu zusammenfügen. Dieser Ansatz
hat den Vorteil, dass sich der Selbstheilungsmechanismus beliebig oft
auslösen lässt, zum Beispiel durch Hitze, Licht oder durch die Zugabe
einer Chemikalie. �Unsere Methode ist vollkommen katalysatorfrei, sie
benötigt keinerlei Zusatzstoff�, sagt Professor Barner-Kowollik. Als
Inhaber des Lehrstuhls für Präparative Makromolekulare Chemie am KIT
befasst sich der Wissenschaftler mit Synthesen von makromolekularen
chemischen Verbindungen.

In
rund vierjähriger Forschung hat der von Barner-Kowollik geleitete
Arbeitskreis gemeinsam mit dem Projekthaus Composite der Creavis, der
strategischen Innovationseinheit von Evonik, ein neuartiges
Polymernetzwerk entwickelt. Bei vergleichsweise geringen Temperaturen
von 50ÚC bis 120ÚC zeigt das Netzwerk in wenigen Minuten sehr gute
Heilungseigenschaften. Die benötigte Zeit zu verringern und die äußeren
Bedingungen, unter denen der Heilungsprozess abläuft, zu optimieren,
gehört zu den wesentlichen Herausforderungen der Forschung an
selbstheilenden Materialien. Einen Erfolg sehen die KIT-Forscher in der
großen Zahl der intermolekularen Bindungen, die sich in dem von ihnen
entwickelten Heilungszyklus beim Abkühlen in sehr kurzer Zeit wieder
schließen. Zudem
bestätigten mechanische Tests wie Zugversuche und das Prüfen der
Zähigkeit, dass sich die ursprünglichen Eigenschaften des Materials
vollständig wiederherstellen lassen. �Es ließ sich nachweisen, dass die
Testkörper nach der ersten Heilung sogar stärker gebunden sind als
vorher�, so Barner-Kowollik

Die
selbstheilenden Eigenschaften lassen sich auf die große Bandbreite der
bekannten Kunststoffe übertragen. Neben der Selbstheilung erhält das
Material eine weitere vorteilhafte Eigenschaft: Da es bei höheren
Temperaturen fließfähiger wird, lässt es sich gut umformen. Ein
Anwendungsbereich ist zum Beispiel die Teileproduktion aus
faserverstärktem Kunststoff für die Automobil- oder Luftfahrtindustrie.

Zum
Konsortium, das die neuartige Vernetzungsreaktion entwickelt hat,
gehören als Industriepartner das Chemieunternehmen Evonik Industries,
sowie unter anderem das Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden
und die Australian National University, Canberra, an.

Kim
K. Oehlenschlaeger, Jan O. Mueller, Josef Brandt, Stefan Hilf, Albena
Lederer, Manfred Wilhelm, Robert Graf, Michele L. Coote, Friedrich G.
Schmidt and Christopher Barner-Kowollik: Adaptable Hetero Diels-Alder
Networks for Fast Self-Healing under Mild Conditions. Advanced
Materials, 2014. DOI:10.1002/
adma.201306258.

"Forschung für die Zukunft: Diese Mitteilung bringen wir nur auf
unserer Homepage, weil die Kombination mehrerer  öffentlicher
Institutionen dahinter stehen. Die Fa. Bayer ist nur Projektleiter und
Anwender, aber eine höchst interessante Entwicklung

Ein neuer Dreh für die Nano-Elektronik

HZDR-Forschern gelingt gezielte Steuerung extrem kurzwelliger Spinwellen

In den vergangenen Jahren kannte die
Entwicklung in der elektronischen Datenverarbeitung nur eine Richtung:
Die Industrie verkleinerte die Bauteile bis in den Nanometerbereich.
Doch langsam stößt dieser Prozess an eine physikalische Grenze. Forscher
des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) arbeiten deswegen an
einer vielversprechenden Alternative, die den Informationstransport in
kompakteren Mikrochips ermöglichen soll: Spinwellen. In einer
internationalen Kooperation ist es ihnen gelungen, diese sogenannten
Magnonen mit extrem kurzen Wellenlängen zu erzeugen und sie gezielt zu
lenken. Wie die Physiker in der Zeitschrift Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/s41565-019-0383-4) erklären, nutzen sie dafür ein natürliches magnetisches Phänomen.

In der Welt der modernen Kommunikationstechnologien
galt eine Entwicklung lange Zeit als sicher: Etwa alle zwei Jahre
verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Mikroprozessor. Die
damit einhergehende Leistungssteigerung bescherte uns die digitalen
Möglichkeiten, die mittlerweile wie selbstverständlich erscheinen: vom
Hochgeschwindigkeitsinternet bis zum Smartphone. Doch die zunehmend
feineren Leiterbahnen auf den Chips werden langsam zum Problem, wie Dr.
Sebastian Wintz vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und
Materialforschung erläutert: „In den derzeitigen Mikroprozessoren
fließen Elektronen. Aufgrund des elektrischen Widerstands heizen sie den
Chip auf. Ab einem gewissen Punkt versagen die Chips einfach, da die
Wärme nicht mehr abgeführt werden kann.“ Das verhindert auch eine
weitere Geschwindigkeitssteigerung der Bauteile.

Für den Physiker, der momentan auch am Paul
Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz forscht, sehen die
Informationsträger der Zukunft deshalb anders aus. Anstatt auf bewegte
Ladungen setzen Wintz und seine Kollegen auf eine bestimmte Eigenschaft
der Elektronen: den Spin. Die winzigen Teilchen verhalten sich so, als
ob sie sich ständig um sich selbst drehen würden, was ein magnetisches
Moment erzeugt. In bestimmten magnetischen Materialien, wie etwa in
Eisen oder Nickel, sind die Spins für gewöhnlich parallel zueinander
ausgerichtet. Wird nun aber die Orientierung der Spins an einem Ort
geändert, setzt sich diese Störung über die benachbarten Teilchen fort.
Eine Spinwelle wird ausgelöst, in der sich Informationen codieren und
weitergeben lassen. „Die Elektronen bleiben in diesem Fall jedoch am
Fleck“, beschreibt Wintz den Vorteil. „Es entsteht so kaum Wärme.
Spin-basierte Bauteile könnten dadurch wesentlich weniger Energie
benötigen.“

Wie lässt sich die Welle bändigen?

Zwei grundlegende Herausforderungen erschweren den
Einsatz der Spinwellen allerdings bislang: Die erzeugbaren Wellenlängen
sind nicht kurz genug für die nanometer-kleinen Strukturen auf den Chips
und es fehlt an einer Möglichkeit, die Wellen gezielt zu steuern. Für
beide Probleme konnten die Forscher um Sebastian Wintz nun eine Lösung
finden. „Anders als bisher nutzen wir für die Anregung der Welle nicht
eine künstlich hergestellte Antenne, sondern eine im Material natürlich
geformte“, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Volker Sluka. „Dafür
haben wir zwei dünne ferromagnetische Plättchen in scheibenähnliche
Elemente strukturiert und mit einer Ruthenium-Trennschicht
antiferromagnetisch gekoppelt. Daneben haben wir das Material der
Plättchen so gewählt, dass sich die Spins bevorzugt entlang einer
bestimmten Raumachse ausrichten, wodurch sich die gewünschte magnetische
Struktur ergibt."

Innerhalb der beiden Schichten entstehen so
Bereiche mit unterschiedlichen Magnetisierungen, die eine sogenannte
Domänenwand voneinander trennt. Anschließend setzten die Wissenschaftler
die Schichten magnetischen Wechselfeldern mit einer Anregungsfrequenz
von einem Gigahertz oder mehr aus. Mit Hilfe eines Röntgen-Mikroskops
des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, das am
Helmholtz-Zentrum Berlin betrieben wird, konnten sie beobachten, dass
sich Spinwellen mit parallelen Wellenfronten dabei senkrecht zur
Domänenwand ausbreiten. „Bei früheren Versuchen war die Ausstrahlung mit
einer Wasserwelle vergleichbar, die ein Steinwurf auslöst“, berichtet
Sluka. „Das ist nicht optimal, da die Ausbreitung in alle Richtungen die
Schwingung schnell abschwächt. Jetzt sehen die Wellen dagegen so aus,
um im gleichen Bild zu bleiben, als würde man einen langen Stab im
Wasser hin und her bewegen.“

Wie die Röntgenaufnahmen gezeigt haben, können
diese Spinwellen bei Wellenlängen von nur etwa 100 Nanometern mehrere
Mikrometer zurücklegen, ohne signifikant an Signal zu verlieren – eine
nötige Bedingung für den Einsatz in moderner Informationstechnologie.
Einen möglichen Weg, diese neuartigen Informationsträger gezielt zu
lenken, haben die Physiker darüber hinaus entdeckt, als sie die
Anregungsfrequenz unter ein halbes Gigahertz setzten. Hier bleiben die
Spinwellen in der Domänenwand gefangen: „Die Wellen können in diesem
Fall sogar um die Kurve laufen“, erzählt Volker Sluka und fügt an:
„Trotzdem können wir die Signale immer noch detektieren.“ Mit ihren
Ergebnissen liefern die Forscher somit wichtige Voraussetzungen für die
weitere Entwicklung von Schaltkreisen, die auf Spinwellen basieren.

Das könnte langfristig sogar ein komplett anderes
Design von Mikroprozessoren ermöglichen, schätzt Sebastian Wintz ein:
„Wir können die Domänenwände mit Hilfe von Magnetfeldern relativ einfach
verschieben. Das bedeutet, dass Chips, die mit Spinwellen arbeiten,
nicht unbedingt eine im Vorhinein festgelegte Architektur bräuchten,
sondern später verändert und an neue Herausforderungen angepasst werden
könnten.“

Publikation:

V. Sluka, T. Schneider, R.A. Gallardo, A. Kákay, M.
Weigand, T. Warnatz, R. Mattheis, A.Roldan-Molina, P. Landeros, V.
Tiberkevich, A. Slavin, G. Schütz, A. Erbe, A. Deac, J. Lindner, J.
Raabe, J. Fassbender, S. Wintz: Emission and propagation of 1D and 2D
spin-waves with nanoscale wavelengths in anisotropic spin textures, in Nature Nanotechnology, 2019 (DOI: 10.1038/s41565-019-0383-4)

Lithium und Kobalt sind wesentliche
Bestandteile aktueller Lithium-Ionen-Batterien. Dass die Verfügbarkeit
beider Elemente durch die erhöhte Nachfrage zunehmend kritisch werden
könnte, zeigt eine aktuelle Analyse von Forschern des vom Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm
(HIU). Kobaltfreie Energiespeichermaterialien und
Post-Lithium-Technologien, die auf unkritischen Elementen wie Natrium
oder Magnesium, aber auch Zink, Kalzium und Aluminium basieren, eröffnen
eine Möglichkeit, diesen Ressourcendruck zu verringern und langfristig
zu umgehen. Diese Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift
Nature Reviews Materials vor.

Neben Lithium ist Kobalt in heutigen
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) ein wesentlicher Bestandteil der
positiven Elektrode und ausschlaggebend für die Energie- und
Leistungsdichte sowie Lebensdauer. Allerdings ist die geringe
Verfügbarkeit und hohe Toxizität von Kobalt problematisch, wie im
Artikel von Dr. Christoph Vaalma et al. beschrieben. „Generell wird die
schnell wachsende Marktdurchdringung von LIBs für mobile und stationäre
Anwendungen insbesondere bei Lithium und Kobalt zu einer steigenden
Rohstoffnachfrage führen“, sagt Professor Stefano Passerini, der die
Studie zusammen mit Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz Institut Ulm
geleitet hat. Anhand einer Szenario-basierten Analyse bis 2050 zeigten
die Forscher für verschiedene Anwendungen von Batterien, dass der
Preisanstieg und die Knappheit von Kobalt wahrscheinlich auftreten wird,
weil die Nachfrage durch Batterien zweimal so hoch sein könnte wie die
heute identifizierten Kobaltreserven. Im Gegensatz dazu seien die heute
identifizierten Lithiumreserven ausreichend, die Produktion müsse jedoch
stark hochskaliert werden (abhängig vom Szenario bis um das Zehnfache),
um die zukünftige Nachfrage zu decken. Beide Elementreserven weisen
zudem eine starke geografische Konzentration auf und befinden sich in
Ländern, welche als politisch weniger stabil eingestuft werden. Dies
lasse eine mögliche Verknappung und eine damit verbundene
Preissteigerung von LIBs in naher Zukunft befürchten. „Um diese Risiken
zu verringern und den Druck auf die Kobalt- und Lithiumreserven zu
reduzieren, ist es unerlässlich, die Forschungsaktivitäten auf
alternative Batterietechnologien auszuweiten“, so Daniel Buchholz.
„Post-Lithium-Systeme sind besonders attraktiv für die Elektromobilität
und stationäre Anwendungen. Daher ist es äußerst wichtig und dringend,
ihr Potenzial auszuschöpfen und diese innovativen, hochenergetischen
Batterien zur Marktreife zu entwickeln", betont Stefano Passerini,
stellvertretender Direktor des HIU.

Diese Ergebnisse bestätigte kürzlich auch ein
ebenfalls am HIU entwickeltes globales Szenario für Batterieanwendungen
im Bereich der Elektromobilität bis zum Jahr 2050. „Dass die zukünftige
Verfügbarkeit von Kobalt für die Massenproduktion von Batterien als
sehr kritisch einzustufen ist, zeigt sich auch an der Preiserhöhung von
mehr als 120 Prozent innerhalb eines Jahres (2016-2017)",- betont der
Systemanalytiker Dr. Marcel Weil vom HIU. Die Etablierung einer
zirkularen Batterieökonomie mit hoher Recyclingrate würde den Druck auf
kritische Materialien sicher abbauen.

Beide Studien unterstreichen die Bedeutung
neuer Batterietechnologien, die auf reichlich vorhandenen, günstigen und
ungiftigen Elementen basieren und dadurch den Druck auf kritische
Ressourcen verringern. Daher haben das KIT und die Universität Ulm
gemeinsam den Antrag „Energy Storage beyond Lithium: New storage concepts for a sustainable future“ für einen Exzellenzcluster erarbeitet, welcher die Entwicklung von
Natrium-Ionen-, Magnesium-Ionen- und anderen Batterien basierend auf
reichlich vorhandenen Materialien verfolgt. Auch das Zentrum für
Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und die
Justus-Liebig-Universität Gießen sind daran beteiligt.

Literatur:

C. Vaalma, D. Buchholz, M. Weil und S.
Passerini "A cost and resource analysis of sodium-ion batteries" Nat.
Rev. Mater. 3, 18013 (2018): https://www.nature.com/articles/natrevmats201813 (mit Abonnement); http://rdcu.be/IWu1  (Leseversion)

M. Weil, S-. Ziemann, J. Peters "The Issue of
Metal Resources in Li-Ion Batteries for Electric vehicles." In:
"Behaviour of Lithium-ion Batteries in Electric Vehicles." Amsterdam,
Niederlande: Elsevier 2018

Über das Helmholtz-Institut Ulm (HIU)

Das HIU wurde im Januar 2011 vom KIT als
Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit der Universität
Ulm gegründet. Mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung
Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als
assoziierte Partner in das HIU eingebunden. Das internationale Team aus
rund 110 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der
Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern
für den stationären und mobilen Einsatz. Ein besonderer Fokus liegt in
der Entwicklung von lithium- und kobalt-freien Post-Lithium
Technologien.

Forscher machen T-Shirt zum Akku
Fluoride und Hitze verwandeln Baumwolle in Kohlefaser
 
Wäsche: Forscher machen Baumwolle zum Akku (Foto: pixelio.de/Thommy Weiss)

Los Angeles (pte006/09.07.2012/11:14) – Wissenschaftler der University of Southern California http://sc.edu haben einen Weg gefunden, Baumwolltextil in einen Stromspeicher umzufunktionieren. Dies ermöglicht die Herstellung leistungsfähiger, flexibler Energiespeicher zur Herstellung neuartiger Handheld-Geräte. In Zukunft könnte dies auch Kleidung als Akku verwendbar machen.

Kohlefaser aus dem Backofen

"Wir tragen jeden Tag Stoff", erklärt Xiadong Li, Professor für Maschinenbau. "Eines Tages könnten unsere Baumwoll-T-Shirts mehrere Funktionen erfüllen, etwa als ein elastischer Energiespeicher, mit dem man sein Mobiltelefon oder iPad aufladen kann." Diese Anwendung ist dank der Arbeit seines Teams in greifbare Nähe gerückt.

Zur Herstellung des "Akku-Shirts" legte Li ein Kleidungsstück vom lokalen Discounter in eine Fluorid-Lösung. Das Textil wurde anschließend getrocknet und in einen Ofen verfrachtet, wo es bei gleichzeitigem Entzug von Sauerstoff unter hohen Temperaturen "gebacken" wurde. Luft hätte während des Prozesses zur Verkohlung oder Verbrennung des Stoffes führen können.

Wie sich in der Infrarotspektroskopie anschließend herausstellte, hatten sich die Fasern des Shirts im Laufe des Prozesses von Zellulose in aktivierten Kohlenstoff verwandelt. Dieser behielt jedoch die Eigenschaften der Baumwolle und ließ sich falten, ohne zu brechen. Mit kleinen Elektrodenfeldern konnten die Forscher schließlich nachweisen, dass das Material als doppellagiger "Superkondensator" fungiert.

Keine giftigen Nebenprodukte

Um die Fähigkeiten des Textils zu verbessern, fügten die Techniker blumenartige, lediglich einen Nanometer dicke Strukturen aus Manganoxid hinzu. Dies verbesserte die Elektroden-Eigenschaften beträchtlich. "Wir konnten einen stabilen, hochperformanten Superkondensator herstellen", schildert Li. In ersten Tests lieferte das neuartige Speichermaterial vielversprechende Ergebnisse. Selbst nach mehreren tausend Lade-/Entladevorgängen sank die Kapazität um nicht mehr als fünf Prozent.

Im Gegensatz zu anderen Verfahren werden bei diesem Verfahren keine gefährlichen Chemikalien bei der Herstellung aktivierter Kohlefasern verwendet. Auch das Entstehen schädlicher Nebenprodukte bleibt aus.

Durch das Stapeln mehrerer Schichten des Elektro-Textils soll genug Energie gespeichert werden können, um auch tragbare Elektronikgeräte wie Smartphones versorgen zu können. "Wir werden bald aufrollbare Telefone und Laptops auf dem Markt sehen", schätzt Li. "Aber erst ein elastischer Energiespeicher macht dies möglich."