Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und ihre europäischen
Kooperationspartner entwickeln ein nachhaltiges Zellkonzept, das
ausschließlich auf ökologisch und ökonomisch unkritischen Materialien
basiert. In dem Projekt Si-DRIVE bildet das Konsortium die gesamte
Batterie-Wertschöpfungskette ab und strebt bis 2030 einen Plan für eine
europäische Produktion an. Die Europäische Union (EU) finanziert das
Projekt mit acht Millionen Euro bei einer Laufzeit von vier Jahren.

Derzeit werden rund 90
Prozent der Lithium-Ionen-Zellen in Asien produziert. In Europa gibt es
verschiedene Bestrebungen, eine eigene Batterieproduktion aufzubauen.
Ziel von Si-DRIVE ist es, eine Zelle zu entwickeln, die aus einer
nanostrukturierten Silizium-Anode, einem neuartigen auf ionischen
Flüssigkeiten basierenden Festelektrolyten und einer vollständig
kobaltfreien, aber lithiumreichen Kathode besteht. Eine Zelle mit diesem
Aufbau sowie ein umfassendes Recyclingprogramm könnten eine nachhaltige
Batterieproduktion ermöglichen.

„Das Besondere an dem
Projekt ist, dass wir im Verbund von der Materialentwicklung über
Prototypzellenfabrikation bis hin zum Recycling alle Schritte der
Wertschöpfungskette einer Batterie abdecken“, erklärt Professor Stefano
Passerini, Direktor des HIU. Seine Forschungsgruppe entwickelt dabei das
neuartige, kobaltfreie Kathodenmaterial mit unkritischen Elementen wie
Eisen oder Aluminium. Kobalt wird von der Europäischen Kommission als
kritischer Rohstoff aufgelistet, da es eine knappe Ressource und
geopolitisch schwer zugänglich ist, was zu Versorgungsengpässen führen
kann. Darüber hinaus wird das Element in der Demokratischen Republik
Kongo, wo der Abbau hauptsächlich erfolgt, bisweilen mit Kinderarbeit
und unter menschenunwürdigen Bedingungen gewonnen. „Gleichzeitig wollen
wir den Lithiumgehalt in der Schichtoxid-Kathode gegenüber den
herkömmlichen Materialien signifikant erhöhen, um eine deutliche
Steigerung der Energiedichte zu erzielen“, so Passerini.

Fünf Projektpartner
werden sich zudem mit dem Konzept einer Kreislaufwirtschaft
beschäftigen, um weitere Anwendungen zu identifizieren. Denkbar sind
Szenarien, in denen „altersschwache“ Batterien von Elektroautos
zusammengelegt werden und als stationäre Speicher weiterverwendet
werden. Auch Anoden- und Elektrolytkonzept folgen diesem
Nachhaltigkeitsgedanken, sodass am Ende eine Recyclingrate von über 50
Prozent erzielt werden soll. Die Nanostrukturen der Anode werden so
designt, dass eine lange Zyklenstabilität durch eine ideale Geometrie
mit hohen Massenbeladungen ermöglicht werden kann. Die Struktur der
Anode wird durch Modellierung dahingehend optimiert, dass
Volumenausdehnung und mechanische Deformation bestmöglich abgepuffert
werden und gleichzeitig eine maximale Energiedichte aufrechterhalten
werden kann. Der neuentwickelte Festelektrolyt basiert auf ionischen
Flüssigkeiten, die für mehr Stabilität bei hohen Spannungen, höchste
Sicherheit und niedrige Entflammbarkeit sorgen.

Das vom europäischen
Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 geförderte
Projekt bündelt die Aktivitäten von insgesamt 17 Einrichtungen aus
Wissenschaft und Industrie aus acht Ländern. Mit den Forschungsgruppen
von Professor Arnulf Latz vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) sowie von Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für
Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind
zwei weitere Partner des HIU involviert.

Über das Helmholtz-Institut Ulm

Das Helmholtz-Institut
Ulm (HIU) wurde im Januar 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie
(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 120 Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung der
Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und
mobilen Einsatz.

NASA-Wissenschaftler hält Warp-Antrieb für möglich
Theorie-Praxis-Problem löst Streit zwischen Berufskollegen aus
 
Warp-Antrieb: Wissenschaftler sind sich nicht einig (Foto: nasa.gov)

Washington/Wien (pte023/21.08.2013/12:15) – NASA-Wissenschaftler Harold White http://www.nasa.gov behauptet, dass der Warp-Antrieb umsetzbar ist. Demnach könnte also das Reisen mit Lichtgeschwindigkeit, wie es etwa in Star-Trek gezeigt wird, möglich werden. Es wäre sogar weniger Energie notwendig als bisher angenommen. "Die Natur kann es, die Frage ist, können wir es?", sagt White.

Um den Warp-Antrieb umzusetzen, müsste man schneller als das Licht reisen können. Das ist nach der Relativitätstheorie Albert Einsteins http://bit.ly/16v6z0s jedoch unmöglich. White stellt sein Raumschiff vor und nennt zur Veranschaulichung einen Fußball: "Stellen Sie sich den Ball vor, um den an einem Ring Pylonen befestigt sind. An dem Ring würde sich negative Vakuum-Energie befinden – mit diesem Trick könnte man den Warp-Antrieb verwirklichen", so White.

Weitaus mehr Masse nötig

Harald Lesch, Wissenschaftler am Institut für Astronomie und Astrophysik http://bit.ly/19wSSPG in München, widerspricht: "Der Warp-Antrieb funktioniert nicht. Es gibt nur Hypothesen, keine Theorien. Wenn man den Raum krümmen will, muss man kompakte Masse manipulieren", hält der Forscher im pressetext-Gespräch dagegen. Weitaus mehr Masse wäre nötig, um den Antrieb zu verwirklichen, als man jemals auf einem Raumschiff mitführen könnte.

Lesch widerspricht auch der Behauptung Whites, man käme mit weitaus weniger Masse aus als bislang angenommen. Die Hypothesen, die auf der Relativitätstheorie basieren, sind längst bekannt. White überlegt in Interviews: "Wenn Sie auf dem Förderband eines Flughafens gehen, kommen sie in der selben Zeit schneller voran, als jemand, der neben dem Förderband in dieselbe Richtung geht." Zu Überlegungen dieser Art sagt Lesch: "Das ist alles kalter Kaffee."

NASA: Noch viel Zeit nötig

Trotz der Kritik gibt White dem Warp-Antrieb Chancen, räumt aber ein, dass noch viel Zeit nötig ist, um konkrete Pläne umzusetzen. "Wir können nicht gleich raus aus dem Labor und ab auf die interstellare Mission gehen", erläutert White. "Dazwischen sind noch einige Schritte nötig, bevor wir zu dem romantischen Bild eines Kapitäns auf der Brücke seines Raumschiffs kommen, der befielt auf Warp-Antrieb umzuschalten."

Berlin Adlershof, 06.02.2013

Jugend forscht und liefert ab

Regionalwettbewerb Berlin Süd am 26./27. Februar 2013 im

Technologiepark Berlin Adlershof

Mittwoch, 27. Februar: 10.00-13.00 Uhr öffentlicher Ausst
ellungszugang                     

                                    15.00 Uhr Siegerehrung

Von ihrer Idee nicht mehr losgelassen wurden die 82 Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, die am 26. und 27. Februar 2013 beim Jugend forscht-Regionalwettbewerb Berlin Süd im Wissenschafts- und Technologiepark Berlin Adlershof ihre 44 Projekte von einer Fachjury bewerten lassen. Sie beschäftigten sich
zahlreich mit gesellschaftlich relevanten Themen, wie Arbeiten zur Entwicklung von Kunststoffen aus biologischem Material oder zu konstruierten
Sperren mit Wellenschutz zur Verhinderung von Ölkatastrophen beweisen. Insgesamt 14 Projekte kommen aus Schulen und Vereinen des Bezirkes Treptow-Köpenick (Details finden Sie in der Anlage).

Die
WISTA-MANAGEMENT GMBH, Betreibergesellschaft des Technologieparks
Berlin Adlershof richtet die Veranstaltung zum zweiten Mal in Abstimmung
mit der Wettbewerbsleiterin Helmke Schulze, Direktorin des
Friedrichshainer Dathe-Gymnasiums, aus. Die Vielzahl an Berufswegen, die
Adlershof nach der Schulzeit bietet, zeigen wir den Wettbewerbsteilnehmer in einem  Vortrags- und Führungsprogramm: Die
Humboldt-Universität mit ihren sechs naturwissenschaftlichen
Fakultäten, die Labore des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung, das
Studio Berlin Adlershof, die Zukunftstechnologie Mikrosystemtechnik und
wie Karriere in der Forschung möglich ist.

Am
Mittwoch, dem 27. Februar präsentieren die Jungforscher ihre Arbeiten
von 10.00-13.00 Uhr der interessierten Öffentlichkeit. Auch zur Siegerehrung  um 15.00 Uhr laden wir herzlich ein. Veranstaltungsort ist das Haus der WISTA-MANAGEMENT GMBH, Eingang Volmerstraße 2 in 12489 Berlin.

Teilnehm
erstatistik:

47 Schülerinnen und Schüler stellen ihre insgesamt 27 Projekte in der Altersklasse 4. Klasse bis 14 Jahre -„Schüler experimentieren“ vor. Hier gibt es 3 Forschungsarbeiten aus dem Bereich Arbeitswelt, 4
aus der Biologie, 3 aus der Chemie, 4 aus den Geo- und
Raumwissenschaften, 3 aus dem Bereich Mathematik/Informatik, 3 aus der
Physik und 7 aus dem Bereich Technik.

In der Altersklasse 15 bis 21 Jahre – „Jugend forscht“ präsentieren 35 TeilnehmerInnen insgesamt 17 Projekte: 1 aus der
Arbeitswelt, 4 aus der Biologie, 2 aus der Chemie, 1 aus den Geo- und
Raumwissenschaften, 1 aus dem Bereich Mathematik/Informatik, 6 aus der
Physik und 2 aus der Technik.

Über Jugend forscht:

Jugend
forscht ist der bekannteste Nachwuchswettbewerb für Schüler,
Auszubildende und Studierende von der 4. Klasse bis 21 Jahre, die in
sieben naturwissenschaftlich-technischen Kategorien forschen, erfinden
und experimentieren und steht in diesem Jahr unter dem Motto: „Deine
Idee lässt dich nicht mehr los?“.

Die
Gewinner des Regionalwettbewerbs treten im März beim Berliner
Landeswettbewerb gegeneinander an. Dort qualifizieren sich die Besten
für das "Jugend forscht"-Bundesfinale, das im Mai in Leverkusen
stattfindet.

Kontakt:

Peggy Mory

Bochum (pte018/01.04.2016/11:30) –

Forscher vom Lehrstuhl für Kryptographie der Universität Bochum http://ruhr-uni-bochum.de entwickeln derzeit neue Verschlüsselungen, die auf besonders schweren
Problemen der Mathematik basieren. Die auch auf mobilen Endgeräten wie
Smartphones oder Garagenöffnern implementierbaren Verfahren wären quasi
nicht zu brechen und von daher besonders sicher. Derzeit entwickelt das
Team Verfahren für die Authentifizierung und Verschlüsselung, denen das
mathematische Gitterproblem zugrunde liegt.

Gitternetzproblem als Challenge

"Wenn jemand es schaffen würde, die Verfahren zu
brechen, könnte er auch ein mathematisches Problem lösen, an dem die
schlausten Köpfe der Welt seit 100 oder 200 Jahren arbeiten", so
Forscher Eike Kiltz. Die Basis hierzu bildet das Gitterproblem: Dazu
muss man sich ein Gitter mit einem Nullpunkt an einer bestimmten Stelle
vorstellen. Es gilt, denjenigen Punkt zu finden, an dem sich zwei
Gitterlinien kreuzen und der am nächsten zum Nullpunkt liegt. In einem
Gitter mit rund 500 Dimensionen ist diese Aufgabe kaum lösbar.

Die Forscher testen verschiedene Parameter, die das
Gitterproblem ein wenig leichter oder schwerer machen, um darauf
basierend einen kryptografischen Algorithmus zu erarbeiten, der sich
auch auf kleinen Geräten implementieren lassen würde.
Authentifizierungsprotokolle werden immer dann gebraucht, wenn ein
Objekt seine Identität beweisen muss, zum Beispiel der elektronische
Garagenöffner bei dem zugehörigen Tor. Im Protokoll könnte das so
funktionieren: Der Öffner authentifiziert sich beim Garagentor, indem er
beweist, dass er ein internes Geheimnis kennt, zum Beispiel einen
Kreuzungspunkt nahe dem Nullpunkt im Gitter.

Die Infrastruktur für
Luftfahrtforschung mit Windkanälen und anderen Großanlagen sei in
Deutschland herausragend, betonen die Autoren und fordern, diese auch in
Zukunft zu nutzen. Die Internationalisierung in der Luftfahrt führe zu
einer gestiegenen Arbeitsteiligkeit über Ländergrenzen hinweg, ein
schleichender Verlust der nationalen Systemfähigkeit im Flugzeugbau sei
zu beobachten. Die Chancen, die sich aus künftigen Anforderungen an die
Luftfahrt ergeben, sollten genutzt werden, um diese Expertise zu
erhalten beziehungsweise wieder aufzubauen. Zukunftsträchtige
Forschungsfelder wie zum Beispiel die Verbesserung der Schadstoffbilanz
im Luftverkehr, die Reduktion von Fluglärm, die Entwicklung unbemannter
Flugzeuge oder Innovationen im Flugverkehrsmanagement angesichts des
steigenden Luftfahrtaufkommens, könnten Ausgangspunkt für neue
Kompetenzen werden.

Die Autoren stellen jedoch fest,
dass wichtige Grundlagen-Disziplinen der Luftfahrttechnik hierzulande
inzwischen fast nicht mehr vertreten sind, so zum Beispiel die
Flugmechanik. Viele Ingenieure in diesen Fachgebieten arbeiteten nicht
mehr in Deutschland. Durch die enge Verbindung zwischen Industrie und
Forschung im Flugzeugbau wirke sich diese Entwicklung auch auf
Universitäten und Forschungseinrichtungen aus. Exzellente Bewerberinnern
und Bewerber auf freie Lehrstühle fehlten und dadurch könne langfristig
die Qualität in der wissenschaftlichen Ausbildung nicht mehr
gewährleistet werden.

Auch in anderen
technikwissenschaftlichen Disziplinen seien Ingenieure aus der
Luftfahrtindustrie gefragte Fachkräfte. Die im Flugzeugbau beteiligten
Disziplinen Flugmechanik, Aerodynamik, Leichtbau und Strukturdynamik,
Systemtechnik sowie Antriebstechnik sind durch die hohen Anforderungen
so eng miteinander verzahnt, dass eine Vielzahl bahnbrechender
Technologien hier ihren Anfang genommen hat, zum Beispiel
Antiblockiersysteme (ABS) in Autos, die Kohlefasertechnologie oder
Grundlagen der Telekommunikation.

Die Autoren schlagen unter anderem
vor, die Luftfahrtstrategie der Bundesregierung zu erweitern, um die
Luftfahrtindustrie und die damit verbundene Forschung zu stärken.
Weiterhin empfehlen die Wissenschaftler, Informationen über die aktuelle
Situation der Wissenschaft im Bereich Luftfahrttechnik in
Statusberichten zu erfassen und damit nutzbar zu machen.

Das Diskussionspapier ist Ergebnis
einer Arbeitsgruppe von Ingenieurwissenschaftlern der Technischen
Universitäten Braunschweig, Darmstadt und München sowie der
Universitäten Bremen und Stuttgart. Das Diskussionspapier ist frei
zugänglich unter www.leopoldina.org/luftfahrt.

Publikationen in der Reihe
"Leopoldina Diskussion" sind Beiträge der genannten Autorinnen und
Autoren. Mit den Diskussionspapieren bietet die Akademie
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, flexibel und
ohne einen formellen Arbeitsgruppen-Prozess Denkanstöße zu geben oder
Diskurse anzuregen und hierfür auch Empfehlungen zu formulieren.

Zukunftsfähigkeit der
Luftfahrtforschung in Deutschland, Diskussionspapier Nr. 17 der
Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina e.V. – Nationale
Akademie der Wissenschaften – 48 Seiten, ISBN: 978-3-8047-3737-2

Großbritannien ist heute dem internationalen
Übereinkommen zum Bau und Betrieb des European XFEL beigetreten  – dem
weltweit stärksten Röntgenlaser mit Sitz in Deutschland. Damit wird
Großbritannien offiziell das zwölfte Partnerland dieser internationalen
Forschungseinrichtung. Der weltgrößte Röntgenlaser erzeugt extrem
intensive Röntgenblitze, die Forscher aus der ganzen Welt nutzen. Dem
Beitritt vorausgegangen ist eine langjährige und erfolgreiche
wissenschaftliche Zusammenarbeit, in deren Verlauf
Forschungseinrichtungen in Großbritannien bereits substanzielle Beiträge
geleistet haben.

"Der britische Beitritt zu XFEL zeigt, dass
Wissenschaft internationale Brücken baut. Mit XFEL entsteht in Europa
eine gemeinsame Großforschungseinrichtung, die weltweite Strahlkraft hat
und Forscherinnen und Wissenschaftler aus aller Welt anzieht. Dass
Großbritannien nun dauerhafter Partner beim European XFEL wird, ist ein
großer Gewinn für die Grundlagenforschung in Europa", sagte
Forschungsstaatsekretär Georg Schütte.

AA-Staatssekretär Walter Lindner sagte: "Es
freut uns sehr, dass die bestehende exzellente Partnerschaft mit dem
Vereinigten Königreich im Bereich Forschung durch diesen Beitritt
fortgesetzt und gestärkt werden kann. XFEL ist damit ein erfolgreicher
Teil der Aktivitäten des Auswärtigen Amts im internationalen Wettbewerb
um die klügsten Köpfe."

Neben Deutschland sind Russland, Dänemark,
Frankreich, Italien, Polen, Schweden, die Schweiz, die Slowakei,
Spanien, Ungarn und nun Großbritannien beteiligt. Mit seinem Beitritt
verpflichtet sich das Land zu einer einmaligen Zahlung von 30 Millionen
Euro sowie zu einem jährlichen Beitrag zu den Betriebskosten.
Großbritannien war bereits an den Gründungsverhandlungen beteiligt,
hatte aber den Beitritt bisher nicht vollzogen.
 

Mehr Informationen: https://www.bmbf.de/de/european-xfel-2569.html

Über European XFEL

Mit 27.000 Röntgenlaserblitzen pro Sekunde und
einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die besten
Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art, eröffnet der European XFEL
völlig neue Forschungsmöglichkeiten. Mit Hilfe dieses Röntgenlasers kann
man viel genauer als bisher in die Struktur der Materie hineinblicken –
so genau, dass man beispielsweise den Ablauf von chemischen Reaktionen
wie in Zeitlupe "filmen" kann. So können auch Einblicke in chemische
Umwandlungen auf molekularer Ebene zu Fortschritten in der Elektrochemie
und damit zu besseren Energiespeichern für Elektroautos führen oder es
entstehen aus der atomar aufgelösten 3D-Abbildung von komplexen
Biomolekülen neue, maßgeschneiderte Medikamente für die Tumortherapie.
Die European XFEL GmbH ist eine gemeinnützige Forschungsorganisation,
die eng mit dem Forschungszentrum DESY und weiteren internationalen
Institutionen zusammenarbeitet. Sie beschäftigt rund 300
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, im September 2017 hat die Anlage den
Nutzerbetrieb aufgenommen.

Autonome Autos sollen wie Menschen fahren

Neue Methode des FZI orientiert sich an der Natur und erkennt Unsicherheitsfaktoren

(pte004/15.11.2018/06:15) – Experten des FZI Research Center for Information Technology http://fzi.de haben eine Methode entwickelt, die das Fahrverhalten von
selbstfahrenden Autos bei besonders schwierigen Bedingungen verbessert.
Um sich etwa im engen und hektischen Stadtverkehr oder bei sehr
schlechten Sichtverhältnissen unfallfrei zum Ziel steuern zu lassen,
setzen die Forscher auf das natürliche Vorbild: Genau wie ein
menschlicher Fahrer, der sich einer Kreuzung nähert, wird auch das
autonome Fahrzeug langsamer und bezieht mögliche Unsicherheitsfaktoren
in die Berechnung der sichersten Fahrtroute mit ein.

"Beste Technik kommt ins Straucheln"

"Autonomes Fahren in städtischen Umgebungen und rauen
Wetterverhältnissen ist aus technischer Sicht eine große
Herausforderung, die von der Forschung erst noch gemeistert werden
muss", zitiert "TechXplore" aus der Projektbeschreibung der
FZI-Forscher. Trotz großer Anstrengungen sei es bislang auch mit der
modernsten und ausgeklügeltsten Technik nicht möglich, in solchen Fällen
die Sicherheit der Autoinsassen zu gewährleisten. "Selbst die besten
Sensoren und die beste verbaute Technologie kommt ins Straucheln, wenn
Unsicherheitsfaktoren ins Spiel kommen, die das Risiko von Kollisionen
erhöhen", betonen die Experten.

"Wenn es um schlechte Wetterverhältnisse wie etwa starken Neben geht,
haben Computersensoren einen Vorteil: sie können gleichzeitig in alle
Richtungen sehen. Das Problem ist aber nicht das Sehen, sondern das
Erkennen und Entscheiden", stellt Friedrich Eppel, stellvertretender
Cheftechniker beim ÖAMTC http://oeamtc.at , gegenüber pressetext klar. Der Mensch sei auch deshalb ein so guter
Autolenker, weil er spontan auf veränderte Bedingungen reagieren kann.
"Ein Computer kann immer nur Entscheidungen auf Basis dessen treffen,
was er schon gelernt hat. Es ist daher sehr wichtig, dass ein
Steuersystem in einem selbstfahrenden Auto den Menschen rechtzeitig
darüber informiert, wenn die Technik an ihre Grenzen stößt", so Eppel.

Verschiedene Unsicherheitsfaktoren

Um das autonome Fahren in schwierigen Bedingungen zu verbessern, haben
die FZI-Forscher zunächst eine umfassende Analyse aller möglichen
verschiedenen Unsicherheitsfaktoren durchgeführt, die für entsprechende
Computersysteme zum Problem werden können. Darunter fallen
beispielsweise stark befahrene Kreuzungen in Innenstadtlage, Kreuzungen
mit schlechter Straßeneinsicht oder Wetterverhältnisse wie starker Regen
oder Nebel.

"Nachdem wir all diese Situationen genau studiert haben, konnten wir
eine Methode entwickeln, die auch bei extrem schwierigen Bedingungen
eine kollisionsfreie Fahrt ermöglicht, indem sie sich an dem natürlichen
menschlichen Verhalten orientiert. Wenn man etwa an eine hektische
Kreuzung kommt, fährt man automatisch langsamer und vorsichtiger",
schildern die Wissenschaftler. Erste Tests in einer geschlossenen
Simulationsumgebung seien durchwegs erfolgreich gewesen. "Nun geht es
darum, unser System in ein echtes autonomes Fahrzeug zu integrieren", so
die Forscher.

dreidimensionale
Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab haben enormes Potenzial für
zahlreiche Anwendungen. Ein effizientes und präzises Verfahren, solche
Strukturen aus verschiedenen Materialien zu drucken, präsentieren
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Carl
Zeiss AG nun in der Zeitschrift Science Advances: Sie haben
eine mikrofluidische Kammer in ein 3D-Laserlithografiegerät integriert.
Mit diesem System fertigten sie mehrfarbig fluoreszierende
Sicherheitsmerkmale, die Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor
Fälschung schützen können. (DOI: 10.1126/sciadv.aau9160)

Von Bauteilen zur
Datenverarbeitung mit Licht über optische Mikrolinsen, mechanische
Metamaterialien, künstliche Gerüste für Zellkulturen bis hin zu
Sicherheitsmerkmalen für Geldscheine oder Markenprodukte –
dreidimensional gedruckte Mikro- und Nanostrukturen erobern immer mehr
Anwendungen. Als ebenso zuverlässiges wie vielseitiges Verfahren zu
ihrer Herstellung hat sich die 3D-Laserlithografie etabliert: Ein
Laserstrahl durchfährt computergesteuert einen flüssigen Fotolack, wobei
nur das Material am Fokuspunkt des Laserstrahls belichtet wird und
aushärtet. So entstehen hochpräzise filigrane Strukturen für
verschiedene Einsatzbereiche wie Optik und Photonik,
Materialwissenschaften, Biotechnologie oder Sicherheitstechnik. Die mit
3D-Laserlithografie hergestellten Mikro- und Nanostrukturen bestehen bis
jetzt allerdings fast alle aus nur einem Material. Grundsätzlich lassen
sie sich auch mit mehreren Materialien fertigen, indem unterschiedliche
Fotolacke nacheinander aufgetragen und ausgehärtet werden, wobei der
unbelichtete Lack jedes Mal in einem anschließenden Entwicklerbad
ausgewaschen wird. Ein solches Vorgehen ist jedoch nicht nur zeit- und
arbeitsaufwendig, sondern wird mit steigender Zahl der Materialien und
Durchläufe auch immer ungenauer.

Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler am Institut für Nanotechnologie (INT), am Institut
für Angewandte Physik (APH) und am Institut für Technische Chemie und
Polymerchemie (ITCP) des KIT sowie an der School of Chemistry der
Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane/Australien haben
nun im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ und
zusammen mit Forschern der Carl Zeiss AG ein neues System entwickelt,
das es ermöglicht, dreidimensional gedruckte Mikro- und Nanostrukturen
effizient und präzise aus mehreren Materialien zu fertigen: Sie haben
eine mikrofluidische Kammer, welche die Handhabung der Flüssigkeiten auf
kleinstem Raum ermöglicht, direkt in ein 3D-Laserlithografiegerät
integriert.

Wie die Forscher in
ihrer Publikation „Multimaterial 3D laser microprinting using an
integrated microfluidic system“ in der Zeitschrift Science Advances berichten, fertigten sie mit diesem integrierten System
dreidimensionale mikrostrukturierte Sicherheitsmerkmale mithilfe von
sieben verschiedenen Flüssigkeiten: einem nichtfluoreszenten Fotolack
als Rückgrat, zwei Fotolacken mit verschiedenen fluoreszierenden
Quantenpunkten, zwei Fotolacken mit verschiedenen fluoreszierenden
Farbstoffen und zwei Entwicklerflüssigkeiten. Solche Sicherheitsmerkmale
können Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschung
schützen. Ein Sicherheitsmerkmal besteht aus einem von Stützwänden
umgebenen dreidimensionalen Gitter und fluoreszierenden Markern in
verschiedenen Farben.

Für ihr System nutzten
die Wissenschaftler ein von der Nanoscribe GmbH – einem Spin-off des KIT
– entwickeltes und vertriebenes 3D-Laserlithografiegerät und
integrierten eine selbst entwickelte mikrofluidische Kammer. Diese
enthält ein Deckglas mit einem Durchmesser von zehn Millimetern, auf das
sich die 3D-Strukturen drucken lassen. Sie ist verbunden mit einem
elektronischen Druckregler, bis zu zehn Behältern für die verschiedenen
Fotolacke und Entwickler sowie einem sternförmigen Auswahlventil. Die
jeweils ausgewählte Flüssigkeit wird durch ein Überdruckventil auf einen
Probenträger geleitet. Zuletzt fließt sie in einen Abfallbehälter.
„Dieses Mikrofluidiksystem ermöglicht, alle Fertigungsschritte für
dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aus mehreren Materialien in
ein Gerät zu integrieren“, erklärt Professor Martin Wegener,
Arbeitsgruppenleiter am APH des KIT. „Damit ebnet es den Weg zu echter
multimaterieller additiver Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala.“

Originalpublikation (Open Access):

Frederik Mayer,
Stefan Richter, Johann Westhauser, Eva Blasco, Christopher
Barner-Kowollik, Martin Wegener: Multimaterial 3D laser microprinting
using an integrated microfluidic system. Science Advances, 8 February
2019. DOI: 10.1126/sciadv.aau9160

 
Einem deutschen Team von Physikerinnen und Physikern ist es erstmals gelungen, das Wettrennen zweier Elektronen, die durch Laserstrahlung aus einem Atom befreit wurden, zu beobachten. Um die Bewegung der Elektronen innerhalb eine Zeitraumes von nur 50 Femtosekunden (einbilliardster Teil der Sekunde) aufzulösen, verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Hamburg und Kiel sowie des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) die sogenannte ultraschnelle Terahertz-Schmierbildkamera in Kombination mit einem Freie-Elektronen-Laser. Die Erkenntnisse werden die sich schnell entwickelnde Technologie der Freie-Elektronen-Laser verbessern, die in vielen Bereichen der Wissenschaft angewendet wird, von der Physik bis zur Biologie. Die Ergebnisse werden am 20. Juni in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
 
Die Wechselwirkung von Elektronen bestimmt die Eigenschaften von Atomen und Molekülen, welche die Grundbausteine von Lebewesen und allen künstlich geschaffenen Objekten sind. Das Verständnis der elektronischen Eigenschaften von Atomen ist daher für viele zukünftige Anwendungen unverzichtbar, von der Medizin bis hin zur Technik. Wenn ein Photon mit genügend Energie auf ein Atom trifft, kann es ein Elektron herauslösen. Albert Einstein nannte diesen Prozess bereits 1905 „Photoionisation“(Photoeffekt) und bestätigte damit eine Theorie des Kieler Wissenschaftlers Max Planck, die bald die Physik revolutionieren sollte: die Quantenmechanik. Diese sagt voraus, dass sich das vom Atom wegbewegende Elektron wie eine Welle verhält. In den 1920er Jahren entdeckten unabhängig voneinander Lise Meitner und Pierre Auger einen weiteren Effekt: Bei Einstrahlung einer bestimmten Photonenenergie kann ein zweites Elektron aus dem Atom herausgelöst werden, ein sogenanntes Auger-Elektron. Falls sich dieses in die gleiche Richtung wie das erste bewegt, beginnt ein Wettrennen der beiden Elektronenwellen.
 
Dieses Wettrennen von zwei Elektronen ist extrem schnell. Es dauert zwischen einer und einhundert Femtosekunden (1fs = 0.000 000 000 000 000 001s). „Bis heute hat kein Experiment den Verlauf dieses Rennens ‚gefilmt’“, sagt Professor Markus Drescher vom Institut für Experimentelle Physik der Universität Hamburg, Leiter des experimentellen Teils des Projektes. Der Schlüssel zu der erfolgreichen Beobachtung des Elektronenrennens war die Verwendung des Freie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY mit einer ultraschnellen Schmierbildkamera. Durch eine genaue Synchronisation der elektromagnetischen Felder des Lasers und der Kamera konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bewegung der Elektronen und ihren gegenseitigen Energieaustausch rekonstruieren. Auf diese Weise wiesen sie nach, wie das Auger-Elektron das erste Elektron überholt.
 
Am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel versuchte die Forschungsgruppe um Professor Michael Bonitz, die experimentellen Befunde mit Computersimulationen nachzubilden. „Wir haben verschiedene Erklärungen für die Beobachtungen geprüft“, fügt Bonitz hinzu. „Schließlich konnte unser Doktorand Sebastian Bauch nachweisen, dass das Experiment tatsächlich das Wettrennen zweier Elektronen beobachtet hat.“
Die Kieler arbeiten mit den am Experiment beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Hamburg in einem Forschungsverbund namens „FLASH“ zusammen. Es wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.
 
Die Ergebnisse erlauben es weiterhin, zentrale Eigenschaften der beteiligten Laserpulse zu bestimmen. In den letzten Jahren hat sich die Technologie der Freie-Elektronen-Laser schnell weiterentwickelt. In diesem Kontext sind die neu gewonnenen Resultate wichtig für eine Verbesserung der Qualität und Präzision zukünftiger Experimente mit Freie-Elektronen-Lasern.