Meine Bemerkung:

Neutrinos
ind ungeladene Teilchen, die etwa vom Gewicht her mit einem Elektron
vergleichbar sind. Neutrinos schwirren auch im Weltall herum. Wenn sie
die Erde erreichen, können sie diese ohne Widerstand durchdringen und
auf der anderen Erdseite wieder herauskommen. Da sie ungeladen sind, ist
es außerordentlich schwierig, diese Neutrinos in Meßexperimenen
überhaupt wahrzunehmen. Bzgl. der kosmischen Neutrinos gib es allerdings
im italienischen Gransasso-Gebirge – einem Teil des Appenin-Gebirges –
eine Einrichtung. In einem Straßen-Tunnel, über dem 2000 Meter
Granitfelsen lagert, gibt es eine Abzweigung zu einer unterirdischen
Kammer, wo diese in großfächigen Stickstoffbehältern gelegentlich Spuren
hinterlassen. Die Granitschicht sorgt dafür, dass auf der Erde
entstehende Neutrinos abgeschirmt werden und  die kosmischen eindeutig
identifiziert werden können. Vor etlichen Jahren konnte ich dieses
Forschungslabor besuchen, es war persönlich eines der eindruckvollsten
Begegnungen mit dieser Art Forschung. Dass die Masse von Neutrinos jetzt
vermessen werden können, dafür sorgt jetzt die präziseste Waage der
Welt.

Dazu lesen Sie folgenden Beitrag:

Ihr Jean Pütz

Wie schwer sind
Neutrinos? Diese unscheinbare Frage gehört zu den wichtigsten
Fragestellungen in der modernen Teilchenphysik und Kosmologie. Der
Antwort einen großen Schritt näher bringt uns das Karlsruher Tritium
Neutrino Experiment KATRIN. Es wurde am Karlsruher Institut für
Technologie von einer internationalen Kollaboration in 15-jähriger
Bauzeit aufgebaut und beginnt am 11. Juni 2018 mit einer feierlichen
Eröffnung seine mehrjährige Messphase.

Die Neutrinowaage
KATRIN nimmt den Messbetrieb auf. Nach Hauptspektrometer und
Detektoreinheit ist mit der Tritiumquelle auch die letzte der
Großkomponenten des Experimentes installiert. Erstmals werden nun durch
den Beta-Zerfall von hochreinem Tritiumgas die Elektronen und Neutrinos
erzeugt, deren Energieverhältnis von KATRIN bestimmt werden soll. Ein
großes Team an erfahrenen Physikern, Ingenieuren und Technikern am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sorgt dabei für den
reibungsfreien Betrieb der zahlreichen Hochtechnologie-Bausteine bei
KATRIN und am Tritiumlabor Karlsruhe (TLK).

Bundesforschungsministerin
Anja Karliczek sagt: „KATRIN ist ein Experiment der Superlative und
wird die Erkenntnisse über unser Universum um ein entscheidendes
Puzzleteil ergänzen. Ich gratuliere dem KIT und der
Forschungskollaboration zum erfolgreichen Aufbau dieses anspruchsvollen
Experiments. Gemeinsam mit Ihnen freue ich mich auf den nun anstehenden
Start der Messphase und die ersten Forschungsergebnisse. Ein derartig
wichtiges Experiment auf deutschem Boden stärkt den Forschungsstandort
Deutschland.“ Das Bundesforschungsministerium ist mit etwa 75 Prozent
größter Geldgeber und investierte rund 50 Millionen Euro in den Bau von
KATRIN.

„Große Forschungsgeräte
treiben die technologische Entwicklung voran und bilden am KIT, der
Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft, ein inspirierendes
Arbeitsumfeld für Forschende und Studierende“, resümiert Professor
Holger Hanselka, Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie.
„Mit KATRIN hat eine internationale Forschergemeinde ihre Heimat am KIT
gefunden und ich bin gespannt, welche faszinierenden Einblicke in das
Universum uns dieses kreative und interdisziplinäre Team eröffnet.“

„Im Zoo der uns
bekannten Elementarteilchen sind Neutrinos die vielbeachteten
Superstars, die in ihrer Bedeutung für unser modernes Weltbild Quarks
und Co. weit in den Schatten stellen“, erklärt der wissenschaftliche
Co-Sprecher der internationalen KATRIN-Kollaboration, Professor Guido
Drexlin vom KIT. Auch für Kosmologen spielen die beim Urknall in großer
Anzahl erzeugten Neutrinos als „Geisterteilchen des Universums“ eine
Schlüsselrolle beim Verständnis von großräumigen Strukturen im Weltall.
Wie groß diese Rolle genau ist, hängt von der Größe ihrer Masse ab, die
bisher noch unbestimmt ist.

„Erst seit knapp zwei
Jahrzehnten wissen wir, dass Neutrinos – entgegen früheren Vorhersagen
der Teilchenphysiker – überhaupt eine Ruhemasse besitzen“, fährt Guido
Drexlin fort. Diesen Beweis erbrachten die Professoren Arthur B.
McDonald (Queens University, Kanada) und Takaaki Kajita (Tokyo
University, Japan), die erstmals Umwandlungsprozesse von massiven
Neutrinos zweifelsfrei nachweisen konnten. Dafür wurden sie 2015 mit dem
Nobelpreis für Physik geehrt. Bis heute ist die von Null verschiedene
Neutrinomasse der einzige im Labor bestätigte Hinweis auf neue Physik
jenseits des Standardmodells der Teilchenphysiker.

„KATRIN wird auf den
bahnbrechenden Untersuchungen von McDonald und Kajita aufbauen und dabei
andere physikalischen Prinzipien und experimentelle Methoden benutzen,
um die Masse des Neutrinos modellunabhängig zu bestimmen“, erläutert
Guido Drexlin. Die beiden mit KATRIN eng verbundenen Nobelpreisträger
werden der Einweihung beiwohnen, wie viele andere internationale
Fachkollegen auch. „KATRIN ist ein internationales Flaggschiffprojekt,
auf dessen Resultate wir sehr gespannt sind“, äußerten sie sich im
Vorfeld der Einweihung.

Bei den später 100
Milliarden Beta-Zerfallsprozessen von molekularem Tritium pro Sekunde in
der Tritiumquelle von KATRIN entstehen jeweils ein Elektron und ein
Neutrino, die sich die Zerfallsenergie von 18.600 Elektronenvolt teilen.
In extrem seltenen Fällen geht das Neutrino dabei fast „leer aus“, und
das Elektron erhält praktisch die gesamte Energie. Durch Einsteins
berühmte Formel E=mc² wissen wir, dass das beim Zerfall nicht
beobachtbare Neutrino mindestens seine Ruhemasse wegtragen muss, sodass
die entsprechende Energie dem Elektron fehlt. Genau diesem winzigen
Fehlbetrag von höchstens 0,2 Elektronenvolt (das entspricht der
unvorstellbar geringen Masse von 3,6×10-37 Kilogramm)  sind die
KATRIN-Forscher mit ihrer Neutrinowaage auf der Spur. Sie soll messen,
welche maximale Energie die Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium
erreichen. Gegenüber früheren Neutrinomassen-Experimenten verfügt KATRIN
über eine um einen Faktor 100 intensivere Quelle und stark verbesserte
spektroskopische Eigenschaften. „KATRIN ist ein Wunder der Technik“,
schwärmt Professor Ernst Otten von der Universität Mainz, der frühere
Messungen an einem Vorläuferexperiment in Mainz geleitet hat und der
einer der Gründerväter von KATRIN ist.

Bei den
Inbetriebnahme-Messungen konnte das KATRIN-Team viele technische
Neuerungen erfolgreich erproben und dabei diverse „Weltrekorde“
aufstellen. „Eine besondere Erfolgsgeschichte ist das ultrapräzise
Hochspannungssystem und das 700 Quadratmeter große Drahtelektrodensystem
für das große Spektrometer. Ohne derartige Entwicklungen würde KATRIN
nicht die gewünschte Empfindlichkeit auf die Neutrinomasse erreichen
können“, erläutert Professor Christian Weinheimer von der Universität
Münster, ebenso Guido Drexlin, wissenschaftlicher Co-Sprecher von
KATRIN, der mit seiner Gruppe durch die Entwicklung und den Bau
wichtiger Komponenten an wesentlichen Stellen zum Erfolg des Projekts
beigetragen hat. Zahlreiche der für KATRIN entwickelten Technologien
finden bereits jetzt in anderen Experimenten und sogar in anderen
Disziplinen Anwendung. Das internationale Team konnte vor kurzem einen
letzten wichtigen Erfolg feiern: Die sehr anspruchsvollen Anforderungen
an die Stabilitätsparameter der Quelle konnten um mehr als eine
Größenordnung unterboten werden.

Die Tritiumquelle
besteht aus einem 16 Meter langen hochkomplexen Kryostaten, der wie alle
anderen Komponenten der Quelle im TLK aufgebaut ist. Das TLK mit seiner
weltweit einzigartigen Tritium-Infrastruktur gab den Ausschlag, dass
KATRIN am KIT steht. Die Elektronen aus der Quelle werden über starke
Magnete zum Herzstück von KATRIN geleitet, dem riesigen
elektrostatischen Spektrometer. Dieses wurde 2006 in einer
aufsehenerregenden Reise vom Hersteller in Oberbayern auf dem Schiffsweg
über die Donau, das Mittelmeer und dann rheinaufwärts zum KIT gebracht.
Das Spektrometer ist seit mehreren Jahren der weltgrößte
Ultrahochvakuum-Behälter: In seinem Inneren ist der Druck so niedrig wie
an der Mondoberfläche. Ein System von aktiven und passiven
Pumpsystemen  sorgt dafür, dass kein Tritiummolekül von der Quelle ins
Ultrahochvakuum des Spektrometers gelangt. 

Nach vielen Jahren der
Planung und des Aufbaus sowie der Inbetriebnahme der Großkomponenten des
70 m langen Experimentaufbaus freuen sich die knapp 200 Mitglieder der
internationalen KATRIN Kollaboration aus 20 Institutionen in sieben
Ländern, dass die Messungen nun im Juni 2018 starten. „Ich bin besonders
stolz auf unser enthusiastisches Team mit seinem unglaublichen Einsatz
und seiner breiten Expertise“, betont Drexlin, der als Projektleiter
auch den Aufbau von KATRIN am KIT koordinierte. „Mein besonderer Dank
gilt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der
Helmholtz-Gemeinschaft, die den Aufbau von KATRIN über viele Jahre
unterstützt und finanziert haben.“

„Die einzigartigen
Eigenschaften von Quelle und Spektrometer sind von großer Wichtigkeit
für die komplexe Datenauswertung. Gerade die ersten Wochen der
Datennahme werden besonders spannend werden, da wir dann bereits in
experimentelles Neuland vorstoßen können“, stellt Dr. Kathrin Valerius
fest, die am KIT eine Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe leitet und
zusammen mit den Professorinnen Susanne Mertens (Max-Planck-Institut für
Physik und  Technische Universität München) und Diana Parno (Carnegie
Mellon, USA) die Arbeiten des internationalen Analyseteams koordiniert.
Dieses umfasst zahlreiche Postdoktoranten, Doktoranden sowie viele
Master- und Bachelorstudierende.

Mit der offiziellen
KATRIN-Einweihung am 11. Juni geht für das internationale KATRIN-Team
ein langgehegter Traum in Erfüllung. „Nur mit Entschlossenheit, Mut und
einer gehörigen Portion Enthusiasmus lässt sich ein Pionierprojekt wie
KATRIN realisieren“, fasst Prof. Hamish Robertson (University of
Washington, Seattle, USA), der langjährige US-Sprecher von KATRIN, den
langen Weg von den ersten Ideen in 2001 bis heute zusammen. Als Erfinder
der gasförmigen molekularen Tritiumquelle und Koordinator der wichtigen
Aktivitäten der US-Kollegen bei KATRIN kann er auf viele Meilensteine
in der Neutrinoforschung zurückblicken.

„Der Weg war voller Herausforderungen. Jetzt stehen wir am Start,
und freuen uns auf spektakuläre und überraschende KATRIN-Resultate, in
guter Tradition der Neutrinophysik der letzten Jahrzehnte“, schauen
Guido Drexlin und Christian Weinheimer und das gesamte KATRIN-Team
erwartungsvoll nach vorne bis ins nächste Jahrzehnt.

Gehirn unterscheidet virtuelle und reale Gewalt nicht

Aachen (pte/23.06.2005/15:37) – Das menschliche Gehirn reagiert auf
virtuelle Gewaltdarstellungen genauso, wie es auf reale Gewalt
reagiert. Wie ein Forscherteam der Universtät Aachen
http://www.ukaachen.de in einer Untersuchung herausfand, sorgt eine
Gewaltsimulation dafür, dass kognitive Teile des Gehirns aktiviert und
emotionale Teile abgeschaltet werden. Genau die gleiche Reaktion des
Gehirns lässt sich bei echten Gewaltakten feststellen, zitiert BBC News
die Studie.

Das Team der Universität Aachen ließ für die Studie 13 Männer im Alter
zwischen 18 und 26 Jahren etwa zwei Stunden täglich Videospiele
spielen. Während der Zeit waren die Probanden an Messgeräte
angeschlossen, welche die Gehirnaktivitäten aufzeichneten. Die Forscher
kontrollierten die Signale und beobachteten, wie sich die
Hirnaktivitäten während des Spiels veränderten. "Das regelmäßige
Spielen von Videospielen könnte bestimmte Abläufe im Gehirn festigen",
so Niels Birbaumer von der Universität Tübingen. "Wenn ein regelmäßiger
Spieler dann mit realer Gewalt konfrontiert wird, kann es passieren,
dass er solch ein verfestigtes Verhaltensmuster anwendet und eher dazu
geneigt ist, aggressiv zu reagieren."

Andere Experten äußerten allerdings Zweifel an der These der Aachener
Forscher. "Der Instinkt jemandem auf die Nase zu hauen ist elementar",
so Guy Cumberbatch, ein Kommunikationsexperte. "Ich glaube nicht, dass
dieser Instinkt irgendwie von diesen Spielen beeinflusst wird."

reines Quarzglas ist hoch transparent
und sehr resistent gegenüber thermischen, physikalischen und chemischen
Einwirkungen – optimale Voraussetzungen für den Einsatz in der Optik,
der Daten- oder Medizintechnik. Für eine effiziente und qualitativ
hochwertige Bearbeitung fehlen jedoch geeignete Verfahren.
Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben eine
Formgebungstechnik entwickelt, mit der sie Quarzglas wie Kunststoff
strukturieren können. Sie stellen sie in der Zeitschrift Advanced
Materials vor.

„Hochreines Quarzglas und seine
hervorragenden Eigenschaften mit einer einfachen Technologie zu dessen
Strukturierung zu verbinden, ist seit jeher eine riesen
Herausforderung“, erklärt Dr. Bastian E. Rapp, Leiter der
interdisziplinären Forschergruppe NeptunLab am Institut für
Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. Für die industrielle Glasbearbeitung
entwickeln Rapp und sein Team neue Verfahren. „Statt Glas auf bis zu
800 Grad Celsius zu erhitzen und dann in Form zu bringen oder Teile von
Glasblöcken mittels Laserbearbeitung oder Ätzen zu strukturieren, setzen
wir an den kleinsten Glas-Teilchen an“, berichtet der
Maschinenbauingenieur. Die Wissenschaftler rühren Glaspartikel in der
Größe von 40 Nanometern in flüssigen Kunststoff ein, formen das Gemisch
wie „einen Sandkuchen“ und härten es durch Erwärmung oder Belichtung zu
einem Feststoff aus, der zu 60 Prozent aus Glaspartikeln und zu 40
Prozent aus Kunststoffpartikeln besteht. Die Polymere wirken dabei wie
ein Kleber, der die Glaspartikel an der richtigen Stelle festhält und so
die Form fixiert.

Dieses „Glassomer“ kann wie ein herkömmlicher
Kunststoff gefräst, gedreht, gelasert, oder auch in CNC-Maschinen
bearbeitet werden.  „Wir öffnen die gesamte Bandbreite der
Polymerumformtechnik für Glas“, betont Rapp. Für die Herstellung von
hochleistungsfähigen Linsen, die unter anderem in Smartphones zum
Einsatz kommen, fertigen die Wissenschaftler zum Beispiel eine Stange
aus Glassomer, aus der sie die Linsen heraus drehen. Für ein hochreines
Quarzglas müssen sie die Polymere im Komposit wieder entfernen. Hierfür
werden die Linsen in einem Ofen bei 500 bis 600 Grad Celsius erhitzt.
Der Kunststoff verbrennt dabei vollständig zu CO2. Um die hierbei
entstehenden Lücken im Material zu schließen, werden die Linsen bei 1300
Grad Celsius gesintert, ein Prozess, bei dem sich die verbleibenden
Glaspartikel zu porenfreiem Glas verdichten.

Dieses Formgebungsverfahren ermöglicht die
Herstellung  von Materialien aus hochreinem Glas für all jene
Anwendungen, für die bisher lediglich Kunststoffe eingesetzt werden
können. Das bietet der glasverarbeitenden Industrie ebenso neue
Möglichkeiten wie der optischen Industrie, der Mikroelektronik,
Biotechnologie und Medizintechnik. „Das Verfahren eignet sich für die
Massenproduktion und macht Quarzglas in der Herstellung und im Einsatz
billiger, nachhaltiger und energieeffizienter als Spezialkunststoff“,
erklärt Rapp.

Es ist die dritte Innovation für die
Bearbeitung von Quarzglas, die das NeptunLab auf der Basis eines
flüssigen Glas-Polymer-Gemischs entwickelt hat. 2016 war es den
Wissenschaftlern bereits gelungen, die Mischung in Formen auszuhärten,
2017 für den 3-D-Druck und damit für die additive Fertigung nutzbar zu
machen. Die Forschergruppe wird im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs
„NanomatFutur“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2014
bis 2018 mit 2,8 Millionen Euro gefördert und will „Glassomer“ nun über
eine Ausgründung auf den Markt bringen.

Originalpublikation

F. Kotz, N. Schneider, A. Striegel, A.
Wolfschläger, N. Keller, M. Worgull, W. Bauer, D. Schild, M. Milich, C.
Greiner, D. Helmer, B. E. Rapp: “Glassomer: Processing Fused Silica
Glass like a Polymer”, Advanced Materials, 2018: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201707100

Uni-Logo "KUL": Wird alleinig durch Atemluft sichtbar (Foto: kuleuven.be)

Löwen (pte030/05.06.2018/12:30) –

Einfach anhauchen und sofort sehen, ob etwas original oder doch nur eine
billige Fälschung ist. Diesen Ansatz haben Forscher an der Katholischen
Universität Löwen http://kuleuven.be in Zusammenarbeit mit Kollegen der Chinese Academy of Sciences http://english.cas.cn entwickelt. Erscheint auf der Oberfläche des verdächtigen Objekts eine Buchstaben- oder Zeichenfolge, ist es echt.

Partikel-Innenraum bleibt trocken

Das wandelbare Material ist ein Kristall aus hohlen
Teilchen. Das verleiht ihm eine einzigartige optische Eigenschaft. Wenn
sich der Raum zwischen den Partikeln mit Wasser füllt, verstärken sich
die optischen Effekte. Das liegt daran, dass in die hohlen Partikel kein
Wasser eindringt, weil der Innenraum wasserabstoßend präpariert ist.
Die Gebilde nennen sich Kolloidale Photonische Kristalle (CPC).

Kuo Zhong and Koen Clays aus Löwen und der chinesische
Forscher Professor Kai Song haben eine Lage CPC mit einem Präparat
behandelt, das Wasser abstößt, also hygrophobe Eigenschaften besitzt.
Dann ätzten sie ein Muster in die Oberfläche, sodass diese an der Stelle
Wasser anzog, also hygroskopisch wurde. In normal trockener Luft ist
das Muster nicht zu sehen. Es hat die gleiche blaue Farbe wie der
hygrophobe Teil der Oberfläche. Doch sobald jemand auf die Oberfläche
pustet, verfärbt sich der hygroskopische Teil und wird grün, ist also
deutlich zu sehen. Das liegt daran, dass die Feuchtigkeit in der
Atemluft genau so groß ist, dass CPC seine Farbe ändert.

Banknoten werden fälschungssicher

Der Prozess ist reversibel. Wenn die Feuchtigkeit
verdunstet, ist das Muster nicht mehr zu sehen. Es handelt sich um einen
Effekt, der dauerhaft funktioniert. Die Forscher wiesen ihn auch nach
200 Zyklen noch nach. Deshalb sind CPC ideal einsetzbar, etwa als Schutz
gegen Banknotenfälschungen und zur Identifikation von
Nachahmerprodukten. Das Verfahren ist zudem einfach, schnell und
vergleichbar mit fluoreszierenden Mustern auf Banknoten und
Ausweispapieren, die allerdings nur unter ultraviolettem Licht sichtbar
sind. Wie es um die Hygiene steht, ist allerdings noch ungeklärt. Die
Forscher präparierten CPC in einem Demonstrationsexperiment mit "KUL",
dem Kürzel der belgischen Elite-Universität.

die Speicherung großer Energiemengen ist ein ungelöstes Problem auf dem Weg in ein CO₂-neutrales
Energiesystem. Zukünftig wollen das Karlsruher Institut für Technologie
(KIT), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die
Universität Stuttgart gemeinsam geeignete Energiespeicher entwickeln. Zu
diesem Zweck haben die Forschungseinrichtungen nun den Aufbau einer
entsprechenden Forschungsinfrastruktur vereinbart, den Nationalen
Demonstrator für Isentrope Energiespeicher (NADINE). Errichtet werden
soll die Versuchsanlage zur Entwicklung von Energiespeichern im
Kraftwerksmaßstab in Karlsruhe und Stuttgart.

Energiespeicher für die
schwankende Wind- und Solarstromproduktion sind für den Erfolg der
Energiewende von entscheidender Bedeutung. Bislang fehlen aber
ortsunabhängige und kostengünstige Speicher im Kraftwerksmaßstab. Das
KIT, das DLR und die Universität Stuttgart planen deshalb den
gemeinsamen Bau der Forschungsanlage NADINE (Nationaler Demonstrator für
Isentrope Energiespeicher), mit der kostengünstige und nahezu
verlustfrei arbeitende Energiespeicher entwickelt werden sollen.
Mithilfe von NADINE soll beispielsweise der Einsatz von Flüssigmetallen
erforscht werden, die neuartige thermische Speicher ermöglichen. Das
genaue Design der Forschungsanlage wird aktuell im Rahmen eines
18-monatigen Projekts erarbeitet, das Anfang dieses Jahres startete.
Gefördert wird das Designprojekt vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie sowie vom Wirtschaftsministerium des Landes
Baden-Württemberg. Gestern Abend (8. Oktober 2018) unterzeichneten die
drei Forschungseinrichtungen in Stuttgart eine Vereinbarung, in der sie
sich auf die Errichtung der Forschungsinfrastruktur in Karlsruhe und
Stuttgart festlegten.

„Große
gesellschaftliche Herausforderungen wie die Energiewende lassen sich nur
umsetzen, wenn man Kräfte bündelt und eng zusammenarbeitet“, sagt
Professor Oliver Kraft, Vizepräsident für Forschung des KIT. „Ich freue
mich deshalb sehr, dass wir bei NADINE unsere Expertise im Bereich der
Flüssigmetalltechnologien einbringen können. Gemeinsam mit unseren
Partnern werden wir die Entwicklung der dringend benötigten
Energiespeicher im Kraftwerksmaßstab entscheidend vorantreiben.“
Koordiniert wird die neue Forschungskooperation vom DLR. Professorin
Pascale Ehrenfreund, die Vorstandsvorsitzende des DLR, sagt: „Die
Energiewende gehört zu den dringenden Herausforderungen unserer
Gesellschaft. Mit der Entwicklung von Speichern arbeitet das DLR in der
Energieforschung an Lösungen für eines der Schlüsselthemen. Effiziente
Speicher können eine zuverlässige Energieversorgung bei einem immer
größer werdenden Anteil erneuerbarer Energien sichern. Überdies können
große Wärmespeicher dazu beitragen, die CO₂-Emissionen von Kohlekraftwerken durch Umbau zu Wärmespeicherkraftwerken weltweit zu reduzieren.“

Carnot-Batterien in ehemaligen Kohlekraftwerken

Die Speicherung von
elektrischer Energie im Gigawattstunden-Maßstab ist mit
Pumpspeicherkraftwerken und Batteriespeichern prinzipiell bereits heute
möglich. Allerdings können in Deutschland kaum weitere
Pumpspeicherkraftwerke gebaut werden, Batteriespeicher in dieser
Größenordnung sind derzeit zu teuer und nicht langlebig genug. Das
hinter NADINE stehende Konzept sieht vor, flexible und nahezu
verlustfreie Energiespeicher zu entwickeln, so genannte isentrope
Speicher. Als isentrop wird ein Prozess bezeichnet, der in einem
abgeschlossenen System stattfindet, bei dem es zu keinem Wärme- oder
Materieaustausch mit der Umgebung kommt. Ein vielversprechendes Konzept
für einen isentropen Speicher ist beispielsweise die Carnot-Batterie.
Bei dieser wird Strom mithilfe von Wärmepumpen in Wärme und bei Bedarf
wieder zurück in Strom umgewandelt. Für die Realisierung solcher
Wärmespeicherkraftwerke im Großformat ist es vorstellbar, die bestehende
Infrastruktur in stillgelegten Kohlekraftwerken zu nutzen, wie es die
Bundesregierung im Koalitionsvertrag als Beitrag zum Klimaschutz
vorgesehen hat.

Die
Forschungsinfrastruktur NADINE wird für drei typische Temperaturebenen
in Energiespeichern und -wandlern ausgerichtet. In Stuttgart sind ein
Nieder- und ein Hochtemperatur-Labor für Technologien bis etwa 700 Grad
Celsius geplant. Erforscht werden sollen damit innovative Konzepte für
Carnot-Batterien. „Durch eine intelligente Kombination aus Wärmepumpen,
Wärmespeichern, Kältespeichern und Wärmekraftmaschinen können wir nicht
nur elektrische Energie speichern, sondern noch Zusatznutzen wie etwa
die Kühlung von Rechenzentren erzeugen“, sagt Professor André Thess,
Koordinator von NADINE und Direktor des DLR-Instituts für Technische
Thermodynamik. In Karlsruhe wird sich das Modul für Temperaturen
jenseits der 600 Grad Celsius befinden. Damit soll der Einsatz flüssiger
Metalle für Carnot-Batterien und thermische Speicher erforscht werden:
„Flüssige Metalle haben hervorragende Wärmetransporteigenschaften und
sind bei sehr hohen Temperaturen einsetzbar“, sagt Professor Thomas
Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT. „In der
Forschung zur Flüssigmetalltechnologie werden gerade vielversprechende
innovative Prozesse zur hocheffizienten Umwandlung von Wärme in
elektrische Energie und Kraftstoffe entwickelt, die hervorragend in das
Konzept von NADINE passen.“ In den NADINE-Laboren werden über eine
„Wärmeplattform“ Wärmesenken und Wärmequellen bereitgestellt, auf denen,
ähnlich wie in einem Windkanal, einzelne Komponenten und auch komplette
isentrope Energiesysteme erforscht werden können. Dabei erproben die
Forscher zum Beispiel, wie die unterschiedlichen Speichereinheiten
ausgelegt sein müssen, welche Materialien geeignet sind und wie die
einzelnen Komponenten am besten zusammenspielen.

Nobelpreisträger plädiert für Wärmespeicher

Für die Forschung an
thermischen Energiespeichern im Großformat gibt es von der
internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft immer mehr Zuspruch. So
war der Physik-Nobelpreisträger Robert Laughlin von der Stanford
University Ehrengast bei der Unterzeichnung der Absichtserklärung zum
Bau von NADINE. Er ist der Initiator des Speicherprojekts MALTA von
Google X und sprach sich in einem Vortrag für die wärmebasierte
Stromspeicherung aus, wie sie im Rahmen von NADINE entwickelt werden
soll.

Details zum KIT-Zentrum Energie: http://www.energie.kit.edu

Ammoniak macht Autos künftig abgasfrei

Forscher der Rice University arbeiten an neuem Verfahren für alternative Energieträger

Aufwendige Tests im Labor für Nanophotonik (Foto: Jeff Fitlow, rice.edu)

Houston
(pte004/08.10.2018/06:15) – Ammoniak ist ein ideales Ausgangsmaterial
für die Herstellung von Wasserstoff. Er könnte in Brennstoffzellen in
Strom für Elektroautos umgewandelt werden. Schadstoffe entstehen dabei
nicht, lediglich Wasser und Stickstoff, ohnehin Hauptbestandteil der
Luft. Doch es gibt zwei Hindernisse. Die Herstellung von Ammoniak
benötigt sehr viel Energie. Und die Aufspaltung des Moleküls in
Stickstoff und Wasserstoff benötigt hohe Temperaturen.

Licht setzt Turbokräfte frei

Das erste Problem lässt sich lösen, indem das Gas, das bereits bei
mäßigem Druck flüssig wird und daher leicht transportiert werden kann,
mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt wird, also mit Solar-, Wind-
und Wasserstrom. Das zweite Problem haben Forscher des Labors für
Nanophotonik an der Rice University http://rice.edu im texanischen Houston gelöst. Sie entwickelten einen Katalysator, dem Licht Turbokräfte verleiht.

Der Katalysator besteht im Wesentlichen aus nanometergroßen Partikeln
aus Kupfer, dem ein bisschen Ruthenium beigemischt ist. In dieser Form
ist er nicht besser als andere Katalysatoren, die für die
Ammoniak-Spaltung eingesetzt werden. Gerät er jedoch in einen
Lichtstrahl, reduziert sich die Schwellenenergie, die für die Spaltung
nötig ist, so stark, dass der Einsatz als Energielieferant in Fahrzeugen
greifbar zu sein scheint. Ursache ist die Aktivierung von
Elektronenwolken im Kupfer.

Ausbau der Erneuerbaren nötig

Neben Wasserstoff, der sich ebenfalls mit Strom aus erneuerbaren Quellen
gewinnen lässt, könnte Ammoniak als weiterer Energieträger für den
Verkehr hinzukommen. In beiden Fällen müsste es einen massiven Ausbau
von Solar- und Windenergie geben, um den für die Ammoniakherstellung
benötigten Strom zu erzeugen.

Der Spaltungsprozess beginnt mit dem Einfang der Ammoniakmoleküle durch
das Ruthenium. Die Elektronen, die sich im Kupfer in gewissem Maße
bewegen können, werden durch Licht bestimmter Wellenlängen in
rhythmische Schwingungen versetzt. Das sorgt dafür, dass die festen
Bindungen im Ammonakmolekül brechen und die Bestandteile frei werden.
Die schwingenden Elektronen werden Plasmonen genannt. Dieser Effekt
lässt auch speziell beschichtete Scheiben bei starkem Lichteinfall
dunkel werden.

Neuer Aufbau verspricht bessere Solarzellen
Spezielle Sauerstoff-Verbindungen stellen hohe Effizienz in Aussicht
 
Das Prinzip: Dünne Schichten liefern gut Strom (Foto: TU Wien)

Wien (pte016/12.02.2013/13:40) – Ein internationales Forscherteam hat einen völlig neuen Ansatz für hocheffiziente Solarzellen vorgeschlagen. Sie setzen auf sogenannte geschichtete Sauerstoff-Heterostrukturen, um eine neue Klasse ultradünner Zellen zu bauen. "Es ist ein ganz anderes Konzept als bei traditionellen Solarzellen", meint Karsten Held, Professor am Institut für Festkörperphysik der TU Wien http://www.tuwien.ac.at , gegenüber pressetext. Vorteilhafte Materialeigenschaften beispielsweise für den Abtransport frei gewordener Ladungsträger sollen eine besonders hohe Effizienz ermöglichen.

Bislang haben die Forscher den Ansatz nur in Computersimulationen untersucht und können daher noch nicht exakt bewerten, wie hoch die Stromausbeute bei den neuen Zellen wirklich ausfällt. Das soll nun anhand von Prototypen getestet werden, die Kollegen an der Universität Würzburg http://www.uni-wuerzburg.de und möglicherweise auch am amerikanischen Oak Ridge National Laboratory http://www.ornl.gov bauen werden.

Strom statt Verlust

Solarzellen beruhen auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Material löst. Sowohl das Elektron als auch das zurückbleibende, positiv geladene "Loch" können zu einem Stromfluss beitragen. "Ein großes Problem bei Solarzellen ist, dass Elektron-Loch-Paare rekombinieren", sagt Held. Denn das mindert die mögliche Stromausbeute. Eben hier verspricht der neuartige Schichtaufbau Abhilfe. "Hier herrscht auf mikroskopischen Größenordnungen ein starkes elektrisches Feld, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen voneinander forttreibt", erklärt TU-Wien-Mitarbeiter Elias Assmann.

Konkret ist der neue Ansatz, einzelne Atomlagen aus unterschiedlichen Sauerstoff-Verbindungen übereinander zu schichten. Dabei kommen nicht wie in Solarzellen üblich Halbleiter zum Einsatz, sondern Oxide, die eigentlich Isolatoren sind. Doch grenzen Schichten passender Verbindungen aneinander, entwickelt das Material an den Grenzflächen oben und unten metallische Eigenschaften und leitet somit gut Strom. Das hat zudem den Vorteil, dass im Gegensatz zu klassischen Silizium-Solarzellen außen keine Drähte angebracht werden müssen, die einen Teil der Zelle verdunkeln.

Gute Lichtabsorption

Ein weiterer Vorteil des neuen Materialansatzes ist, dass er potenziell viel Licht verwerten kann. Die für die aktuell in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit analysierten Oxid-Schichten mit Lanthan und Vanadium passen dem Team zufolge besonders gut zur Strahlung der Sonne, die Absorption falle Held zufolge etwas günstiger aus als beispielsweise Silizium-Solarzellen. Zudem sollte es gut möglich sein, verschiedene Schichttypen zu kombinieren, um effizient Strom aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu gewinnen und somit eine höhere Ausbeute zu erzielen – ähnlich, wie es schon heutige Mehrfach-Solarzellen machen.

Ob und wie schnell sich die neuen Zellen wirklich durchsetzen können, bleibt abzuwarten. "Die Produktion der Solarzellen aus Oxid-Schichten ist aufwendiger als bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium", sagt Held. Doch das Team ist zuversichtlich, dass der neue Ansatz in bestimmten Bereichen großes Potenzial hat, insbesondere, wo besonders dünne oder hocheffiziente Zellen – beispielsweise, wenn mit konzentriertem Sonnenlicht gearbeitet wird – erforderlich sind.

Künstlich hergestelltes Ferroelektrikum (Grafik: Zhen Wang, Yimei Zhu)

New Brunswick (pte002/12.06.2018/06:05) –

Wissenschaftler der Rutgers University http://rutgers.edu haben ein ferroelektrisches Material entwickelt, das theoretisch
vorhergesagt worden war, praktisch aber als nicht realisierbar galt. Es
handelt sich um einen nahezu 2D-Film, der nur wenige Atomlagen dick ist,
ähnlich dem "Wundermaterial" Graphen. Es besteht aus nebeneinander
angeordneten Molekülen, die Barium, Titan, Strontium, Lantan und
Sauerstoff enthalten. Dazu kommt ein 2D-Elektronengas, eine
Halbleiterstruktur, in der sich Elektronen nur in zwei Dimensionen
bewegen können.

Breites Anwendungsspektrum

Der neue Werkstoff ist bei normaler Umgebungstemperatur
ferroelektrisch. Diese Eigenschaft haben einige Kristalle, die
natürlich vorkommen. Sie verfügen über ein elektrisches Dipolmoment,
dessen Richtung sich in einem äußeren elektrischen Feld umkehrt.
"Ferroelektrika sind eine wichtige Familie von technischen Werkstoffen",
sagt Forschungsleiter Jak Chakhalian.

Diese werden in Mobiltelefonen, Antennen,
Datenspeichern, medizinischen Systemen, speziellen Motoren, extrem
empfindlichen Sensoren und in der Elektroakustik genutzt. "Wir haben
eine neue Klasse von Werkstoffen geschaffen, die ferromagnetische
Eigenschaften haben", freut sich Chakhalian. Während alle bis dato
eingesetzten Ferroelektrika Isolatoren sind, also keinen elektrischen
Strom leiten, ist der neue Werkstoff leitfähig. Das könnte zu komplett
neuen Anwendungen führen.

Seit dem Jahr 1965 unrealisiert

Schon 1965 sagte der Princeton-Professor und spätere
Nobelpreisträger Philip W. Anderson voraus, dass ein Material
herstellbar sei, das ferroelektrische Eigenschaften hat und dazu noch
ein Stromleiter ist. Jahrzehntelang schien es unmöglich zu sein, ein
solches Material zu schaffen. Es ähnelte dem Versuch, Feuer und Wasser
miteinander zu vermischen.

Chakhalian und Yanwei Cao, der an der Rutgers
University studiert hat und heute Professor an der chinesischen Akademie
der Wissenschaften http://english.cas.cn ist, lösten das Problem. Sie fügten zwei ultradünne Filme zusammen,
sodass ein Bauteil mit metallischen Eigenschaften entstand. Ein dritter
Film, den sie darüberlegten, verwandelte das Sandwich in ein
Ferromagnetikum. "Die neue Struktur ist ein großer Gewinn", resümiert
Chakhalian.

Eiweiß statt Blausäure bei Nylon-Herstellung

Bielefelder Forscher nutzen Katalysator aus der Natur, um Ausgangsstoff Adiponitril herzustellen

(pte019/30.11.2018/13:30) – Chemiker der Universität Bielefeld http://uni-bielefeld.de haben in "Nature Communications" eine Methode vorgestellt, die anstelle
von Blausäure ein Enzym nutzt, um den Ausgangsstoff für Nylon, die
Verbindung Adiponitril, herzustellen. In Kombination mit anderen
Verfahren eröffnet diese Biokatalyse-Reaktion eine Perspektive, künftig
die Nylon-Vorstufe umweltschonend, ausgehend von CO2 und Sonnenlicht zu
produzieren.

Verzicht auf tödliches Gift

"Die derzeitige Herstellungsmethode für Adiponitril hat sich zwar seit
Jahrzehnten bewährt und ist mit hohen Sicherheitsstandards verbunden.
Die Verwendung von Blausäure bleibt aber ein Risiko. Wenn schon bei den
Grundstoffen der Produktion auf giftiges Material verzichtet wird, kommt
solch ein Risiko gar nicht erst auf", so Harald Gröger, einer der
Autoren der Bielefelder Studie und Leiter der Forschungsgruppe
Organische Chemie I. Nylon wird in einem mehrstufigen Verfahren
hergestellt. Adiponitril ist nötig, um den Nylon-Grundstoff
Hexamethylendiamin zu erzeugen.

"Wir verwenden ein Enzym, also einen Katalysator aus der Natur, um
Adiponitril herzustellen", sagt Erstautor Tobias Betke. Das Enzym namens
Aldoximdehydratase ließe sich in gut zugänglicher Weise durch
Fermentation herstellen und erlaube eine umweltschonende Erzeugung von
Adopinitril. "So entsteht in kürzester Zeit und auf effiziente Weise
Adiponitril. Das Verfahren hat eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute, was
bedeutet, dass es nicht nur schnell, sondern auch sehr ergiebig ist",
meint Gröger. "Die Reaktion braucht zudem wenig Energie. Sie verläuft
bei Raumtemperatur im Wasser."

Weniger von Erdöl abhängig

Gröger und seine Kollegen sehen ihre Methode auch als Beitrag zum
Ansatz, die Abhängigkeit von Erdöl zu vermindern und die
Rohstoffversorgung auf eine breite Basis zu stellen. Die Unternehmen
Evonik, Siemens und Covestro haben kürzlich eine Methode vorgestellt,
mit der sich CO2 mit Sonnenenergie zur Basischemikalie 1-Hexanol
umwandeln lässt. "Darauf aufbauend kann unsere Methode als einer von
mehreren Zwischenschritten dienen, um von 1-Hexanol zu Adiponitril als
eine der Vorstufen von Nylon zu gelangen", resümiert Gröger.

Cyber-Schabe: Forscher steuern Insekt fern
Biobots sollen als Sensornetzwerk im Katastrophenfall dienen
 
Vercyberte Schabe: Widerstand ist zwecklos (Foto: ncsu.edu)

Raleigh (pte001/08.09.2012/06:00) – Dank Forschern an der North Carolina (NC) State University http://www.ncsu.edu werden Cyber-Schaben Realität. Die Ingenieure haben ein System entwickelt, dank dem sie mit speziellen elektronischen Interfaces ausgestattete Madagaskar-Fauchschaben fernsteuern können. Das Team will so die Robustheit und Wendigkeit der Schaben ausnutzen. "Wir denken, dass uns das letztendlich ermöglichen wird, ein mobiles Netz intelligenter Sensoren zu schaffen, das Schaben zum Sammeln und Übertragen von Informationen nutzt", sagt Alper Bozkurt, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der NC State. Das könnte nützlich sein, um nach Naturkatastrophen Überlebende zu orten.

Bio statt Robo

Als konkretes Anwendungsszenario verweisen die Forscher auf die Suche nach Verschütteten in von einem Erdbeben zerstörten Gebäuden. "Kleine Roboter zu bauen, die unter solch unsicheren, dynamischen Bedingungen operieren können, ist extrem schwer", erklärt Bozkurt. Der Aufwand für eine geeignete Konstruktion ist dementsprechend groß. Daher ist die Idee, stattdessen Schaben als Biobots zu nutzen: Die Insekten sind von Natur aus gewöhnt, sich auch auf schwierigem Terrain zu bewegen. Freilich würden Schaben, die man nur mit Sensoren ausstattet, einfach irgendwo hin laufen und wären wenig nützlich.

Um die Insekten gezielt steuern zu können, hat das NC-State-Team ein Chipsystem aus kommerziell verfügbaren Komponenten entwickelt, das den Tieren aufgesetzt wird. Es umfasst Sender und Empfänger sowie einen Mikrocontroller, der mit den Antennen und Cerci der Tiere verdrahtet ist. Letzteres sind Sinnesorgane, mit denen Schaben normalerweise Luftbewegungen wahrnehmen, die auf nahende Raubtiere hindeuten, was eine Fluchtbewegung veranlasst. Die Antennen wiederum erlauben eigentlich Hindernisse wahrzunehmen – doch dank Verkabelung können die Forscher die Wahrnehmung und damit Bewegung der Insekten beeinflussen.

Präzise Steuerung

Eine geeignete Stimulation der Cerci führt dazu, dass eine Schabe sich auf der Flucht vor einem vermeintlichen Angreifer hinter ihr vorwärts bewegt. Durch die Antennen in das Nervengewebe des Tiers geleitete Ströme wiederum gaukeln ihm ein physisches Hindernis vor, das es umgehen muss – die Schabe wird so ähnlich wie ein Pferd mit Zügeln geführt. Um zu zeigen, wie genau sie Schaben mit diesem Ansatz fernsteuern können, haben die Forscher Versuchstiere vorgegebene Linien ablaufen lassen. Wie präzise das gelungen ist, zeigt nun ein Video zu den Experimenten.