Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

Der nächste Schritt bei der Feststoffbatterie

Physik, Chemie, Technik

(KIT) – Mehr Sicherheit, größere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten – Festkörperbatterien sollen herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien zukünftig in fast allen Leistungsparametern übertreffen. Grundlagen dafür hat das Batterie-Kompetenzcluster FestBatt unter Beteiligung von Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erarbeitet. In einer zweiten Förderphase werden nun komplette Batteriesysteme und Methoden für die Produktion entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert mit rund 23 Millionen Euro.

Eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie könnte der Elektromobilität schon in wenigen Jahren den entscheidenden Anstoß geben. Davon ist Professor Helmut Ehrenberg, Koordinator der Plattform Charakterisierung im Kompetenzcluster FestBatt vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT überzeugt: „Festkörperbatterien kommen ohne flüssige und brennbare Elektrolyten aus, ihre Chemie ermöglicht höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten. Zudem kann auf giftige und seltene Materialien wie Kobalt verzichtet werden.“ Das 2018 gestartete Kompetenzcluster FestBatt entwickelt im Auftrag der Bundesregierung diese Schlüsseltechnologie und startet nun in die zweite Förderphase. Die Arbeiten finden in einem starken internationalen Wettbewerb statt – um Zukunftsmärkte auch für Europa möglichst rasch zu öffnen, hat die Bundesregierung mit FestBatt die Kompetenzen von 17 wissenschaftlichen Einrichtungen gebündelt. Darunter befinden sich Universitäten, Helmholtz-Institute sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft, gesamtheitlich werden die Arbeiten durch die Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) koordiniert.

Erste Schritte auf dem Weg zur Massenproduktion
Im Mittelpunkt der neuen Förderphase von FestBatt wird die Entwicklung von Zellkomponenten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis vielversprechender Elektrolyte stehen, außerdem sollen Material- und Prozesstechnologien für deren Produktion entwickelt werden. Bis zu einer Massenproduktion von Festkörperbatterien gilt es allerdings noch eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen zu lösen. Die vom KIT koordinierte Plattform Charakterisierung unter Beteiligung der Universität Marburg, dem Forschungszentrum Jülich sowie der JLU wird dabei unter anderem Charakterisierungen von Kontakt- und Grenzflächen mit Röntgen-, Synchrotron und Neutronenstrahlung sowie verschiedener Mikroskopietechniken an komplexen Mehrphasensystemen durchführen. Am KIT wird unter anderem eine Forschungsgruppe die mit besonderen Schutzschichten versehenen Kathodenmaterialien den Partnern innerhalb der Plattform und dann als Referenzmaterial allen anderen an FestBatt beteiligten Verbundprojekten zur vollständigen Charakterisierung zur Verfügung stellen.

Vorsprung durch systematische Charakterisierung

In der ersten Förderphase von FestBatt haben mehr als 100 Forschende in transdisziplinär aufgestellten thematischen Plattformen daran gearbeitet, geeignete Materialien zu identifizieren und unterschiedliche Festelektrolyte zu synthetisieren. Die Plattform Charakterisierung hat die Materialien dabei systematisch untersucht: Dabei konnten die wichtigsten Einflussgrößen bei der Synthese von Festelektrolyten und kritische Materialveränderungen in Kompositen identifiziert werden. Darauf baut nun die Weiterentwicklung der Feststoffbatterien in der zweiten Förderphase von FestBatt auf. Erst durch die Entwicklung von standardisierten Messprotokollen gelang eine zuverlässige Bestimmung der Leistungskenndaten und eine Einordnung der sehr unterschiedlichen Zellkonzepte, die weltweit mit großer Intensität entwickelt werden.

Wird Deutschland in der Stromversorgung zum Entwicklungsland?

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Prof. Dr.-Ing. Harald Schwarz ist Lehrstuhlinhaber an der BTU Cottbus-Senftenberg und einer der profiliertesten Fachleute und Spezialisten für die sichere Versorgung und Verteilung ganz Europas mit elektrischer Energie. Er hat der Deutschen Welle ein beachtenswertes Interview zu den Gefahren gegeben, die dem deutschen  Verteilungsnetz zur Versorgung mit Elektrizität drohen – insbesondere, wenn jetzt alle Kern- und Kohlekraftwerke abgeschaltet werden. Selbst im Status quo sind wir in der letzten Zeit ganz nah an einem gefährlichen Black out vorbeigeschrammt, denn bei Übernahme der Versorgungslücken durch regeneratives Fotovoltaik-Strom und Wind-Energie gibt es ein physikalisches und nicht wegzudiskutierendes Problem, es fehlen effiziente Stromspeicher-Anlagen. Derzeit verfügt Deutschland über eine Speicherreserve, die höchstens für eine Stunde Stromversorgung erreicht.

Dieses Interview sollten sich alle verantwortliche Politiker anhören, die geschworen haben, Unheil vom Deutschen Volk abzuwenden. Es enthüllt alle, die wider besseres Wissen auf Wolkenkuckucksheime setzen. Auch das engverzweigte europäische Hochspannungsnetzt – und das ist einer seiner Hauptaussagen am Beispiel konkreter Ereignisse – kann das Problem nicht lösen. Später kann niemand mehr sagen, er hätte es nicht gewusst. Wo bleibt da die Verantwortung der Politik für das Ganze? Es geht dabei nicht um ein Glack out um ein oder zwei Stunden, sondern um mehrere Tage, wenn das Kind in den Brunnen gefallen ist. Wer weiß, welch große Bedeutung die Kontinuität der Stromversorgung für unsere Volkswirtschaft ist, kann sich den teilweise nicht reparierbaren Schaden für unsere gesamte Gesellschaft nicht vorstellen.

Hier nun der Link zu dem empfehlenswerten Video, welches wegen der Komplexität des Themas ca. 1 Stunde dauert. Doch es kann jeden Politiker und interessierten Bürger die Notwendigkeit und bei Nichtbeachtung die drohenden Gefahren plastisch vor Augen führen:

Hier geht’s zum Youtube-Video

Jean Pütz

Richtigstellung eines Berichtes in der Tagesschau zur Einstellung von drei der letzten sechs Kernkraftwerke in Deutschland zum Jahresende 2021

Erde, Klima, Umweltschutz, Physik, Chemie, Technik

Meine persönliche Bemerkung:

Professor Dr. Sigismund Kobe ist als Professor der Physik einer der führenden Fachleute auf dem Gebiet der Versorgung Deutschlands mit sicherer Energie. Prof. Kobe hat mich auf ein fundamentalen Fehler aufmerksam gemacht, der sogar in der renommierten Tagesschau der ARD  am 26.12.2021 zunächst ohne Widerspruch und Korrektur ausgestrahlt. Offenbar ist das von den Fernseh-Publikum geglaubt worden, sonst wären sie auf die Barrikaden gestiegen. Das ist das große Problem der heutigen Energiepolitik, ein Populismus mit unerträglichem Wunschdenken hat in Deutschland die öffentliche Meinung erfasst. Weil nur wenige Menschen die Zusammenhänge naturwissenschaftlicher Gesetze deuten können, entstehen große Gefahren für die deutsche technische Kultur, auf der unser Wohlstand beruht.

‚Denke ich an Deutschland in der Nacht, so werde ich um den Schlaf gebracht‘ (Heinrich Heine). Gott sei Dank gibt es einige warnende Fachleute, die noch den Überblick bewahren, aber derzeit wenig Resonanz bei Politikern finden.

Der erste langfristige Blackout in Versorgung mit elektrischer Energie steht bevor, weil sich die Politik im Wunschdenken verloren hat. Das sagen nicht nur Pessimisten.

Ich weiß, längere Texte werden heute nicht mehr gelesen, aber diesmal lohnt es sich besonders, um Unheil vom deutschen Volk abzuwenden:

Jean Pütz

(Sigismund Kobe) – In dem Beitrag stellt tagesschau folgende Behauptung auf:

„Rein rechnerisch entspricht die installierte Leistung der jetzt abzuschaltenden Blöcke der von 1000 Windrädern.“

Mit dem Vergleich von Äpfeln mit Birnen, hier der installierten Leistung von Kernkraftwerken mit der installierten Leistung von WEA, soll offenbar  dem Leser/Zuhörer vermittelt werden, man könne die Abschaltung von drei KKW zum Jahresende durch die Errichtung von nur 1000 Windräder kompensieren.

Die Wahrheit sieht aber so aus:

Die Grafik vom ISE Fraunhofer-Institut Freiburg zeigt den Jahresertrag 2021 (bis zum 28.12.) von Elektroenergie:

6 KKW (links, rot)                  = 64,83 TWh
ca. 30 000 WEA onshore (rechts) = 87,63 TWh

 

Damit ergibt sich folgende Abschätzung

Jahresertrag von drei KKW:         ca. 30 TWh

Jahresertrag von 1000 WEA:       ca.    3 TWh

Rein rechnerisch benötigt man also nicht 1000, sondern 10 000 WEA.

Dieser Vergleich bezieht sich allerdings nur auf die Jahresbilanz, d.h. auf die jeweils jahreskumulierten Stromerträge.

Um die volatile Erzeugung der WEA zu kompensieren, benötigt man zusätzlich Großspeicher.

Wir haben als Großspeicher in Deutschland nur Pumpspeicherwerke zur Verfügung. Sämtliche Pumpspeicherwerke

lieferten 2021 ca. 10 TWh. Dies entspricht auch etwa der benötigten Speicherkapazität, um die durch 10 000 WEA  erzeugte Elektroenergie verbrauchergerecht (so wie die KKW es bisher geschafft habe) bereitzustellen.

Fazit:  Um allein drei KKW durch onshore-WEA zu substituieren, werden zu den 30 000 vorhandenen noch weitere 10 000 WEA benötigt. Dies ALLEIN reicht aber nicht aus: Zusätzlich müsste nur für diese 3 KKW auch der Gesamtbestand an PSW in Deutschland verdoppelt werden.

Mit freundlichen Grüßen

Sigismund Kobe
(Prof. em. S. Kobe, TU Dresden)

Siliziumfreie Perowskit-Fotovoltaik-Zelle auf dem Vormarsch – preisewert und mittlerweile auch langzeitbeständig

Physik, Chemie, Technik

(pte) – Forscher des Helmholtz Instituts Erlangen-Nürnberg und des Forschungszentrums Jülich haben eine Perowskit-Variante entwickelt, die durch ihre besondere Stabilität hervorsticht. In Tests bei erhöhter Temperatur um die 65 Grad Celsius und Beleuchtung behielt die neue Zelle über 1.450 Betriebsstunden hinweg 99 Prozent ihres anfänglichen Wirkungsgrads bei. Details wurden in „Nature Energy“ publiziert.

Außergewöhnliche Stabilität

„Die Achillesferse der Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit. Klassische Silizium-Module sind recht langlebig. Selbst nach mehr als 20 Jahren im praktischen Einsatz büßen sie nur wenig von ihrer Leistungsfähigkeit ein. Solarzellen aus Perowskit verlieren dagegen meist schon nach wenigen Tagen oder Wochen an Effizienz. Früheren Modellen konnte man beim Altern regelrecht zuschauen: der Wirkungsgrad sank innerhalb von Sekunden oder Minuten nach dem Anschalten der Beleuchtung im Labor“, so Forscher Christoph Brabec.

Die neue Zelle besticht den Experten nach durch ihre außergewöhnliche Stabilität. „Die Werte gehören sicher zu den besten, die jemals für eine planare Perowskit-Solarzelle in einem Langzeittest gemessen wurden. Eine Langzeitprognose ist immer schwierig. Aber die Perowskit-Solarzelle, die wir jetzt entwickelt haben, könnte unter normalen Umständen sicherlich schon über 20 000 Betriebsstunden betrieben werden“, sagt Brabec.

Elektrode in einer Schutzhülle

„Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt“, erklärt Yicheng Zhao, Kollege von Brabec. Eine neue Doppelschicht-Polymer-Struktur, deren Unterseite undotiert und deren Oberseite mit einem nicht-ionischen Dotanden dotiert ist, schütze vor Zersetzung und sorge dafür, dass die Kontaktierung erhalten bleibt. Diese Architektur beschützt auf der einen Seite die sehr sensible Grenzfläche zum Perowskit und zeigt auf der anderen Seite eine außerordentlich stabile Leitfähigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen, heißt es.

Zellulosefasern ideal zum Abfiltern von CO2 aus Luft und Abgasen

Physik, Chemie, Technik

(DITF) – Der Schutz des globalen Klimas ist ein Vorhaben, das sowohl die Industrie wie auch die Gesellschaft vor eine große Aufgabe stellt. Allein durch Begrenzung der globalen Emissionen, durch Einsparung von Kohlenstoffdioxid (CO2), werden die Klimaziele nicht zu erreichen sein. Denn auch weiterhin wird es unvermeidbare CO2-Emissionen geben, die dennoch kompensiert werden müssen. Wege aus dieser misslichen Situation können Maßnahmen wie Aufforstung, Kohlenstoffbindung im Boden oder gar das aktive Abtrennen von CO2 aus der Luft sein. Solche sogenannten ‚Direct-Air-Capture-Technologien‘, werden bereits aus verschiedenen Ansätzen heraus im Forschungsmaßstab oder in Pilotanlagen erprobt. In einem dieser Verfahren setzt man spezielle Filter ein, mit denen sich CO2 aus der Atmosphäre entfernen lässt. Die DITF entwickeln im Rahmen eines Forschungsprojektes textile Materialien zur CO2-Abtrennung aus der Luft. CO2 kann auf diesem Wege längerfristig fixiert und damit dem Klimakreislauf dauerhaft entzogen werden. Oder es wird als Rohstoff für die Herstellung von CO2-neutralen Kohlenwasserstoffen genutzt.

Während im internationalen Wettbewerb bereits mehrere Firmen um die beste Technologie wetteifern, CO2 in großen Mengen und gewinnbringend aus der Luft zu extrahieren, steht dem ganz großen Durchbruch noch die Wirtschaftlichkeit im Wege: Der geringe Anteil von CO2 in der Atmosphäre (0,04%) erfordert es, enorme Mengen Luft durch die Filter zu pumpen, um einen nennenswerten Anteil von CO2 herauszufiltern. Das Abscheiden des absorbierten Kohlendioxids aus den Filtern benötigt wiederum größere Mengen an Wärmenergie. Der wirtschaftliche Betrieb ist unter den bisherigen Bedingungen nicht möglich. Bei der Weiterentwicklung der CO2-Abtrennung aus der Luft wird man daher an mehreren Stellschrauben drehen müssen, um die technologische Effizienz des Verfahrens zu steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch zu minimieren.

Autarker Luftfilter für die CO2-Abtrennung
Ein gemeinsames Forschungsprojekt des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, der DITF Denkendorf, des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg und der Mercedes-Benz AG Sindelfingen hat das Ziel, eine verbesserte, hocheffiziente CO2-Abtrennung aus der Luft mittels gewebefixierter Amine zu verwirklichen. Das Verfahren soll in einem Demonstrator umgesetzt werden, der autark zu betreiben ist: Der Ressourcenverbrauch soll rein auf erneuerbarem Strom und Abwärme basieren, gedeckt aus Solarenergie oder Wärmepumpen. Durch die besondere Bauweise des Luftfilters wird, anders als bei bereits etablierten Verfahren, ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage ermöglicht. Damit wird die Hochskalierbarkeit auf industrielle Maßstäbe verbessert.

Innerhalb dieses auf vier Jahre angelegten Verbundforschungsprojektes bringen sich die DITF mir ihrer langjährigen Expertise in der Entwicklung von cellulosebasierten Fasermaterialien ein. Sie werden als Filtermedium in dem Demonstrator eingesetzt. Ausgehend von den Ergebnissen eines vorangegangenen Forschungsprojektes, in dem bereits ein Screening möglicher Verfahren zur CO2-Bereitstellung aus der Luft und der dafür eingesetzten sorbierenden Materialien durchgeführt worden ist, fiel die Wahl für das aktuelle Forschungsprojekt auf cellulosisches, faserbasiertes Material.

Optimierte Cellulosefasern aus Denkendorf
Unter der Leitung von Dr. Frank Hermanutz werden im Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe die Fasern für die Filter ausgesponnen und chemisch so modifiziert, dass sie Amine an ihre Oberfläche koppeln. In den Technika der DITF entwickelt und optimiert man hierfür neue Spinnverfahren. Die Amine sorgen für die temporäre Bindung des CO2 an das Filtermaterial. Der Vorteil, der für die Verwendung faserbasierter Cellulose spricht, liegt in der offenen, luftdurchlässigen Struktur faserbasierter Werkstoffe. Sie ermöglichen nicht nur einen hohen Luftdurchsatz, sondern verfügen auch über eine große spezifische Oberfläche, die für die Anbindung möglichst großer CO2-Volumina von Vorteil ist. Ziel der chemischen Modifizierung der Cellulose wird es sein, sowohl die Faser an sich wie auch die Anbindung der Amine derart zu optimieren, dass die Adsorptionsfähigkeit für CO2 bestmöglich ausgenutzt wird.

Ein ganz neues verfahrenstechnisches Konzept wird im Aufbau des Filters verfolgt: Es wird nicht, wie sonst üblich, ein statischer Filter verwendet, der nach vollständiger Beladung der Aminogruppen mit CO2 ausgeheizt werden muss. Der Filtriervorgang wird vielmehr in einen kontinuierlich arbeitenden Prozess eingebunden, der einen dauerhaften und energiesparenden Betrieb zulässt. Sofern das System an bestehende Luftströme wie Gebäudeklimatisierungen oder Abluft angeschlossen wird, entfällt die Notwendigkeit, energieintensive Ventilatoren einzusetzen.

Der Filter wird als spezieller Bandapparat konstruiert, in dem die Cellulosefasern in Form von Vliesen zu Endlosbändern verarbeitet sind. Diese Bänder laufen, gleich einem Förderband, auf Rollenbahnen durch den Anluftstrom und binden dort das CO2. Anschließend werden in einem räumlich abgetrennten Desorptionsbereich die Bänder in drei Temperaturzonen aufgeheizt. Dort trennt sich von den Aminogruppen Wasser und CO2.

Der kontinuierliche Prozess, der durch die umlaufenden Vliesbänder ermöglicht wird, gestattet eine kostensparende und wartungsarme Prozessführung. Neben der Gewinnung von CO2 wird auch die separate Entnahme von Wasser einen synergetischen Effekt von hohem Wert darstellen: Da schon die Anlage für den energieautarken Betrieb entworfen wird, ist es prinzipiell möglich, sie auch in infrastrukturschwachen und wasserarmen Gegenden zu betreiben. Die Wassergewinnung kann dann einen nicht unerheblichen Mehrwert darstellen. Die Ausführung als Bandapparat erleichtert es, das Verfahren in sehr große Leistungsklassen hoch zu skalieren, da hierfür vor allem eine einfach zu verwirklichende Vergrößerung der Bandlänge erforderlich ist.

 

Hoffnung für die Tropen – Tief-Kühlung nicht mehr erforderlich?

Physik, Chemie, Technik

(pte) – Elarex , ein Spin-off der McMaster University, entwickelt eine Technologie, die flüssige mRNA-Impfstoffe ohne das derzeit für die Lagerung und den Transport notwendige Tiefkühlen sicher und einsetzbar macht. Zu dem Zweck hat das Unternehmen von der Bill & Melinda Gates Foundation eine Förderung über 1,2 Mio Kanadische Dollar (rund 0,8 Mio Euro) erhalten.

Bessere Verteilung als Ziel

Das Aufrechterhalten der Kühlkette von der Herstellung bis zur Verabreichung einzelner Dosierungen ist nötig, stellt aber eine aufwendige, Ressoucen-intensive und teure Barriere für eine gerechte weltweite Verteilung von Impfstoffen dar. Davon betroffen sind vor allem Entwicklungsländer. Ein technologischer Durchbruch für bessere Thermostabilität von flüssigen mRNA-Nanopartikeln würde eine effizientere Nutzung und Verteilung von mRNA-Impfstoffen in Ländern mit mittleren und geringen Einkommen ermöglichen.

Elarex wurde 2019 gegründet, um eine Technologie zu vermarkten, die von einem Team um Carlos Filipe entwickelt wurde. Die Forscher haben eine Aufbewahrungsmethode für das Suspendieren von biologischen Nanopartikeln in einem auflösbaren, genusstauglichen Material aus Zucker und Stärke entwickelt. Diese Plattform ist darauf ausgerichtet, Impfstoffe und Therapien monatelang ohne Kühlung sogar bei heißem Wetter funktionsfähig zu halten.

Plattform sicher integrieren

Elarex-CEO und -Mitbegründer Robert DeWitte erklärt: „Es ist eine sehr motivierende, externe Bestätigung, dass wir in die richtige Richtung gehen. Wir hoffen, dass sie die Tür für weitere Kooperationen öffnet.“ Weltweit wird an den Impfstoffen der nächsten Generation gearbeitet, die helfen sollen die langfristige Bedrohung durch COVID-19 zu verringern. Dafür sind leistbare, langlebige und sofort einsetzbare Plattformen für flüssige Impfstoffe bedeutsam.

Ziel ist es, dass Innovationen direkt in bereits bestehende Herstellungsprozesse eingegliedert werden können, um die weltweite Nachfrage zu befriedigen. Elarex arbeitet nur mit Materialien, die bereits für die Injektion zugelassen sind. Damit soll der Weg zu einer breiten Anwendung verkürzt werden. Laut Filipe wird jeder, der das als Erster schafft, einen großen Vorteil haben.

„Gleichzeitig ist uns klar, dass die Lösung so einfach wie möglich zu sein hat, damit sie funktionieren kann. Was auch immer wir entwickeln, muss reibungslos, fast unsichtbar in die derzeitigen Herstellungsprozesse passen.“ DeWitte nach arbeiten die Wissenschaftler derzeit im Labormaßstab an einer Entwicklung von Herstellungsprozessen für ihre löslichen Impfstoffprototypen. Elarex würde es zudem freistehen, diese Arbeit selbst zu vermarkten und die Technologie auch der Foundation zur Verfügung zu stellen.

Die Bedeutung des genialen Elektromotors für die Verkehrswende wird unterschätzt, umso erfreulicher sind neue Forschungsbemühungen

Physik, Chemie, Technik

(KIT) – Elektrische Traktionsmotoren sind unerlässlich für hybride und vollelektrische Antriebsstränge und müssen in höchster Qualität und Leistungsdichte produziert werden – bei gleichzeitig geringen Kosten. Wie das künftig erfolgreich gelingen kann, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit dem Unternehmen Schaeffler und weiteren Industriepartnern. Dabei wird das KIT insgesamt mit 3,4 Millionen Euro gefördert.

Elektromobilität gewinnt zwar immer mehr an Bedeutung, für Automobilhersteller herrschen aber weiter unsichere Rahmenbedingungen: Welche Stückzahlen sind zu erwarten? Welche Technologien eignen sich? Um dies zu lösen, befassen sich im Forschungsvorhaben AgiloDrive2 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT, das Unternehmen Schaeffler sowie 16 weitere Industriepartner mit der Frage, wie Elektromotoren künftig flexibel, aber dennoch wirtschaftlich gefertigt werden können. „Hierdurch wird die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie nachhaltig gestärkt, um die Elektromobilität nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich in die Energie- und Mobilitätswende zu integrieren,“ sagt Professor Thomas Hirth, Vizepräsident des KIT für Innovation und Internationales.

Grundlage: Digitale Zwillinge und modulare Baukästen

AgiloDrive, die Pilotphase des Forschungsvorhabens, die vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg mit rund einer Million Euro für 1,5 Jahre gefördert wurde, schuf die Grundlagen: Das Projektteam, bestehend aus dem wbk Institut für Produktionstechnik, dem Elektrotechnischen Institut (ETI) und dem IPEK Institut für Produktentwicklung des KIT sowie Industriepartnern, setzte digitale Zwillinge ein, also computergestützte Simulationen, die das Produktionssystem sehr realitätsnah und detailliert widerspiegeln. Es erarbeitete modulare Baukastenstrukturen und baute zwei Demonstratoren auf, mit denen ein Funktionsnachweis für die Implementierung eines neuartigen, agilen Produktionssystems erbracht werden konnte.

Agiles Produktionssystem für elektrische Traktionsmotoren

Im Projekt AgiloDrive2, das in den kommenden drei Jahren bei einem Projektvolumen von 33,7 Millionen Euro mit insgesamt 16,4 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird, arbeiten die drei Institute des KIT gemeinsam mit 17 Industrieunternehmen daran, zukunftsrobuste Baukastenstrukturen, effiziente Auslegungsmethoden sowie datenbasierte Technologien und digitale Prozessketten zu entwickeln. Diese sollen es gestatten, ein agiles Produktionssystem für elektrische Traktionsmotoren als reale Versuchsumgebung zu implementieren. „Unsere agilen Lösungsansätze ermöglichen es, Produktionssysteme in bedarfsgerechten Betriebspunkten zu betreiben und darüber hinaus kostensenkende Skaleneffekte durch eine datenbasierte Prozessanpassung über verschiedene Produktbaureihen und Technologien hinweg zu nutzen“, erklärt Professor Jürgen Fleischer, Leiter des wbk Instituts für Produktionstechnik am KIT und wissenschaftlicher Projektleiter bei AgiloDrive2.

Ein Team des IPEK wird unter der Leitung von Professor Albert Albers einen modularen Baukasten für die Entwicklung von E-Motoren erforschen und eine Methodik zur Auswirkungs- und Risikoanalyse in frühen Phasen der Produktentstehung erarbeiten. Am ETI werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Martin Doppelbauer digitale Prozessketten für die effiziente Auslegung elektrischer Maschinen erarbeiten. Das Team des wbk wird gemeinsam mit seinen industriellen Partnern einen Produktionsbaukasten für E-Motoren entwickeln sowie Prozesse analysieren und optimieren, die nötig sind, um elektrische Traktionsmotoren flexibel, aber dennoch wirtschaftlich herzustellen. Die betrachteten Prozesse und Technologien umfassen dabei klassische Handhabungs- und Fügetechnologien, zum Beispiel im Kontext der Magnetmontage, aber auch hochkomplexe Sonderprozesse wie die Formgebung sowie das Einbringen und Twisten von U-förmigen Hairpin-Steckspulen aus Kupferflachdraht. Zudem werden Methoden zur datenbasierten Steigerung der Effizienz in der Produktion sowie die flexible Demontage von Elektromotoren erforscht – basierend auf dem Lösungsansatz der Wertstromkinematik.

Die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie soll sich sowohl kurz- als auch langfristig für alle Projektpartner auszahlen: Schaeffler plant, die Erkenntnisse nach dem Projektende in kurzer Zeit in die E-Motoren-Fertigung an den Standort Bühl zu überführen. Mit der neuen Karlsruher Forschungsfabrik am Campus Ost des KIT und dem Schaeffler Hub for Advanced Research (SHARE) existiert bereits eine Infrastruktur für Forschungsarbeiten zur nachhaltigen Mobilität. (kla)

Beteiligte Partner

An AgiloDrive2 sind neben dem KIT und Schaeffler die e-mobil BW GmbH sowie folgende Industriepartner beteiligt: 4D GmbH, Braun Sondermaschinen GmbH, Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, FormiKa GmbH, Gehring Technologies GmbH + Co. KG, Koob Testsystems GmbH, KUKA AG, LTB Bachofer GmbH, Magnet-Physik Dr. Steingroever GmbH, pro-beam systems GmbH, SCHUNK GmbH & Co. KG, Siemens AG, STAHL GmbH & Co. KG, TRUMPF Laser GmbH und WAFIOS AG.

Erst Statistik ermöglicht tiefe Einblicke in komplexe Naturphänomene

Physik, Chemie, Technik

komplexe Prozesse wie der Klimawandel oder die pandemische Ausbreitung von Viren sind heute durch Methoden der Statistischen Physik beschreibbar. Das hat das Nobelpreiskomitee erkannt und würdigt den in Japan geborenen, amerikanischen Physiker Syukuro Manabe, den deutschen Meteorologen Klaus Hasselmann sowie den italienischen Physiker Giorgio Parisi in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Physik. Alle drei trugen wesentlich zum Verständnis komplexer Systeme bei.

Von der Vortrefflichkeit der Arbeiten von Parisi, dem eine Hälfte des Nobelpreises zugesprochen wurde, ist die Deutsche Physikalische Gesellschaft schon lange überzeugt: Bereits im Jahr 2011 verliehen wir ihm die Max-Planck-Medaille; das ist unsere höchste Auszeichnung für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der theoretischen Physik.

Und die Arbeiten von Manabe und Hasselmann, die sich die andere Hälfte des Nobelpreises teilen, zeigen deutlich, dass die Wissenschaft schon frühzeitig mit fundamentalen Arbeiten auf den menschengemachten Klimawandel hingewiesen hat. Auch uns hat das bewogen, bereits im Jahr 1985 vor einer drohenden Klimakatastrophe zu warnen

Physik Konkret

 

Elon Musk: Der Hecht im Karpfenteich

Physik, Chemie, Technik

(Gründerszene) – Elon Musk ist bekannt für spontane Massenkommunikation über Twitter wie auch via E-Mails, die er an alle Tesla-Mitarbeiter schickt. Dem US-Sender CNBC wurden nun zwei E-Mails von Anfang Oktober zugespielt, die Rückschlüsse auf den Führungsstil Musks geben. In einer E-Mail an die Tesla-Mitarbeiter schrieb er, es sei in Ordnung, bei der Arbeit Musik zu hören. In einer anderen, deutlich strengeren Nachricht erinnerte er die Mitarbeiter dagegen daran, wer der Chef ist.

Darin heißt es: „Wenn von mir eine E-Mail mit expliziten Anweisungen gesendet wird, sind nur drei Aktionen von Managern erlaubt. 1. Senden Sie mir eine E-Mail, um zu erklären, warum das, was ich gesagt habe, falsch war. Manchmal liege ich einfach falsch! 2. Fordern Sie weitere Erläuterungen an, wenn meine Aussage mehrdeutig war. 3. Führen Sie die Anweisungen aus. Wenn keiner der oben genannten Schritte unternommen wird, wird dieser Manager aufgefordert, unverzüglich zurückzutreten.“ Gleichzeitig wurde bekannt, dass am Anfang des Wochenendes hunderte Tesla-Fahrer aus ihren Autos ausgesperrt waren, nachdem die mobile App des Herstellers ausgefallen war.

Leibniz-Magazin – Eine Inhaltsangabe, die Appetit macht zum Lesen

Physik, Chemie, Technik

Das Leibniz-Magazin, sehr empfehlenswert für Wissbegierige, unterhaltend, spannend und interessant:

Lernorte im Wandel, Aufbruch ins All, wiederbelebte Wohnsiedlungen und umkämpfte Reviere. Die neue Printausgabe des Magazins der Leibniz-Gemeinschaft widmet sich dem Schwerpunkt „Räume“.

Um sie zu erfassen, müssen wir uns in verschiedene Dimensionen und Winkel begeben. Denn Räume können vielschichtig sein, ihre Grenzen fließend verlaufen. Wir können sie gestalten, beanspruchen oder anderen überlassen. In ihnen leben, lernen, arbeiten – und neue Räume erdenken. Dabei gilt: Bloß nicht die Orientierung verlieren. Mit Forscherinnen und Forschern aus Raumwissenschaft, Astrophysik, Biodiversitätsforschung, Geschichtswissenschaft, Resilienz-forschung und weiteren Disziplinen begibt sich die neue Printausgabe von „leibniz“ auf Entdeckungstour.

Sie sind ein anschauliches Relikt der DDR: Plattenbauten. 1990 lebte in Ostdeutschland jede und jeder Vierte in ihren Vierteln, dann folgten Leerstand und Rückbau. Doch es kommt Bewegung in die Szenerie: Junge Menschen und Familien ziehen in die „Platte“, seit 2015 sind es häufig Geflüchtete. Mit drei Forschenden haben wir über die Entwicklung gesprochen. Eine kleine Geschichte der großen Wohnsiedlungen.

Im Wandel befinden sich auch Bibliotheken. Wie können sie in Zeiten der Digitalisierung eine Anlaufstelle bleiben für Studierende, Forscherinnen, Wissbegierige? In der ZBW – Leibniz-Informationszentrum Wirtschaft, der weltweit größten Forschungsinfrastruktur für wirtschaftswissenschaftliche Literatur, hat Nicole Clasen die Herausforderung angenommen. Bei einem Rundgang durch den Bau an der Kieler Förde gibt sie Einblick in diesen digitalen wie analogen „Lernraum“.

Taucht ein neuer Bewohner im Revier auf, kann das zu Konflikten führen. Selten sind sie so heftig wie jene, die die Rückkehr des Wolfs nach Deutschland begleiten: Die einen sehen in ihm den „bösen Wolf“, die anderen ein schützenswertes Wesen. Wir haben uns auf seine Spur begeben und dazu fünf Menschen befragt, die dem Tier ganz nahe kommen.

Außerdem lesen Sie in leibniz:

  • Raumvorstellung: Räume und unsere Vorstellungen davon spielen in zahlreichen Kontexten eine entscheidende Rolle. In acht haben wir uns hineingedacht.
  • Pausenende: Schule ohne Klassenzimmer? Was undenkbar war, wurde während der Pandemie Realität. Ein Bildungsforscher, eine Lehrerin, eine Schülerin und ein Schüler im Gespräch über das Lernen und Lehren von zu Hause – und was davon bleibt.
  • Weltraum I: Das All regt zum Träumen an, früher wie heute. Der Slawist und Historiker Matthias Schwartz vom Leibniz-Zentrum für Literatur- und Kulturforschung über die sowjetische und gegenwärtige Faszination für die Raumfahrt.
  • Weltraum II: Der Flug ins All ist inzwischen Hobby für Milliardäre, und auch viele Staaten zieht es wieder dorthin. Mirko Krumpe vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam erklärt, was der neue Aufbruch in den Kosmos für die Forschung bedeutet.
  • Standortdebatte: Prestigeprojekt oder Skandal? Die Tesla-Fabrik bei Grünheide ist umstritten. Ein Ortsbesuch.
  • Infografik: Hier die Stadt, da das Land! Dass es so einfach nicht ist, zeigt ein Blick in die aktuelle Raumforschung.
  • Räume des Atoms: Die Historikerin Anna Veronika Wendland vom Herder-Institut für historische Ostmitteleuropaforschung – Institut der Leibniz-Gemeinschaft hat jahrelang in Kernkraftwerken geforscht – und die Anlagen als Industrie-Arbeitsplätze, aber auch als moderne Heterotopien kennengelernt.
  • Trauerarbeit: Wie viel Raum sollten wir Sterben und Tod als Gesellschaft geben? Ein Gespräch mit Isabella Helmreich vom Leibniz-Institut für Resilienzforschung.
  • Nutzerführung: Radikalisierung und Hass, Demokratie und Liebe: Das Internet bietet Raum für fast alles. Ein Rundgang durchs Netz mit der Politikwissenschaftlerin Katharina Mosene vom Leibniz-Institut für Medienforschung | Hans-Bredow-Institut.
  • Pro und Contra: Matthias Kleiner, Präsident der Leibniz-Gemeinschaft, erörtert, was es eigentlich bedeutet, Raum zu greifen und Raum zu geben.
  • Epilog: Mit 30 Forschenden verschiedener Disziplinen hat Johan Rockström vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung das Konzept der „Planetaren Grenzen“ entwickelt. Im Epilog erklärt der Direktor des Leibniz-Instituts, wo wir uns im roten Bereich bewegen.

leibniz ist das Magazin der Leibniz-Gemeinschaft.