Aktuelle Trends und neueste Entwicklungen vom 23. – 25. Juni 2009 auf der LOPE-C

Wiesbaden (pts/18.06.2009/10:00) – In den Energiekonzepten der Zukunft spielen erneuerbare Energien eine entscheidende Rolle. Allerdings bleibt ihr Potenzial stark begrenzt, solange sich Sonnenenergie weder speichern noch großflächig nutzen lässt. Organische Materialien bieten hier neuartige Lösungen. Aktuelle Trends und neueste Entwicklungen in diesem Bereich werden vom 23. bis 25. Juni 2009 auf der LOPE-C in Frankfurt am Main zu sehen sein.

Die Europäische Union hat sich ehrgeizige Ziele gesetzt. Ihren eigenen Ausstoß an Kohlendioxid (CO2) wollen die Mitgliedsländer bis 2020 um ein Fünftel gegenüber 1990 verringern. Andere Industrieländer wie die USA sollen dazu bewegt werden, sogar 30 Prozent weniger CO2 zu erzeugen. Ohne den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien ist das nicht zu schaffen.

Eigentlich gibt es davon im Überfluss. So schickt die Sonne in 30 Minuten mehr Energie auf die Erde, als alle Menschen gemeinsam in einem Jahr verbrauchen. Allerdings lässt sich diese Energie nicht großflächig einfangen und der photovoltaisch erzeugte Strom nicht langfristig speichern.

Großflächige Stromgewinnung durch organische Solarzellen
Organische Materialien können diese Probleme lösen. Beispielsweise ermöglichen organische Solarzellen, Hausdächer und Gebäudefassaden für
die Stromgewinnung zu nutzen. Die Zellen bestehen aus einer leichten und biegsamen Trägerfolie, die mit Kunststoffen, so genannten "Polymeren", bedruckt werden und sich in kontinuierlichen Druckprozessen äußerst preiswert herstellen lassen (siehe Hintergrundinformationen).

"Die organische Photovoltaik hat das Potenzial, in wenigen Jahren für Kosten von weniger als 50 Eurocent pro Wattpeak produziert zu werden", sagt Christoph Brabec, Chief Technology Officer der US-Firma Konarka Technologies Inc. Mit Wattpeak (Wp) wird die abgegebene Spitzenleistung von Photovoltaikzellen bei der maximal möglichen solaren Einstrahlung bezeichnet. "Damit wäre die organische Photovoltaik wesentlich günstiger als vergleichbare Technologien."

Im Oktober 2008 hat Konarka die nach eigenen Angaben weltweit größte Fabrik für druckbare Solarzellen in New Bedford, Massachusetts, eröffnet. Pro Jahr sollen hier bald Zellen mit einer Gesamtkapazität von einem Giga-Wattpeak von der Rolle laufen. Das entspricht dem 1,5-Fachen der Leistung eines typischen Steinkohlekraftwerkes. Zunächst sind die Zellen für die Stromversorgung kleiner, mobiler Endgeräte gedacht. Produkte für den Gebäudeeinsatz, die den Strom bei Bedarf auch in die öffentlichen Netze einspeisen, werden dann in den Folgejahren kommerziell erhältlich sein. Die Organic Electronics Association (OE-A), die als Arbeitsgemeinschaft des Verbandes deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und mit mehr als 120 Mitgliedsunternehmen die gesamte Wertschöpfungskette der organischen und gedruckten Elektronik repräsentiert, wird vom 23. bis 25. Juni 2009 auf der LOPE-C (-> Details siehe Textende) eine neue Anwendungs- und Technologie-Roadmap vorstellen, die einen Ausblick auf die künftige Entwicklung der organischen Photovoltaik gibt.

Langfristige Speicherung durch synthetische Kraftstoffe
Darüber hinaus suchen Forscher weltweit nach Lösungen, mit denen sich die Sonnenenergie langfristig in Form synthetischer Kraftstoffe speichern lässt. Die Idee: den biochemischen Prozess der Photosynthese, den Pflanzen für ihr Wachstum betreiben, künstlich nachzubilden, um CO2 und Wasser zu Kohlenwasserstoffverbindungen wie Methan zu vereinen. Serdar Sariciftci, Professor am Linzer Institut für Organische Solarzellen (LIOS), will dafür die physikalischen Eigenschaften organischer Halbleiter nutzen. "Mit den organischen Solarzellen haben wir es geschafft, aus Sonnenlicht elektrische Energie zu erzeugen", sagt er. "Mit der künstlichen Photosynthese versuchen wir nun, das Sonnenlicht in chemische Energie zu verwandeln."

LOPE-C zeigt Trends und Technologien
Eine Keynote zum Thema "Grüne Energie" wird Professor Sariciftci auf der LOPE-C halten. Außerdem wird es zahlreiche Vorträge zum Thema "Organische Photovoltaik" geben. Die LOPE-C – Large-area, Organic & Printed Electronics Convention findet als Konferenz mit begleitender Ausstellung vom 23. bis 25. Juni 2009 im Congress Center der Messe Frankfurt am Main statt. Auf Einladung der OE-A treffen sich bei dieser Weltpremiere Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft, um sich über die Chancen, Produkte und Entwicklungen in der organischen und gedruckten Elektronik auszutauschen.

Hintergrund: Organische und gedruckte Elektronik
Die organische und gedruckte Elektronik eröffnet ein völlig neues Anwendungsspektrum neben der Siliziumtechnik, da sie die kostengünstige Herstellung dünner, leichter und flexibler Bauelemente ermöglicht.

Sie basiert auf einer Kombination von
* Techniken, die eine großflächige, hochvolumige Beschichtung und Strukturierung erlauben, und von
* Kunststoffmolekülen, die auf eine leichte und biegsame Trägerfolie geschichtet werden und in Abhängigkeit von ihrer chemischen Zusammensetzung isolierende, halbleitende oder leitende Eigenschaften aufweisen. Meist sind diese Materialien organischer, manchmal anorganischer Natur.

Die Kunststoffe können aus großen Molekülketten ("Polymeren") oder "kleinen" Molekülen bestehen. In der Art und Weise, wie sie im Herstellungsprozess der elektrischen Bauteile verarbeitet werden, weisen sie allerdings Unterschiede auf. Kleine Moleküle werden in der Regel in einem Vakuumprozess aufgedampft. Polymere dagegen werden in Massendruck-Verfahren aufgebracht, da sie sich in Flüssigkeiten lösen lassen und es erlauben, elektronische Bauteile Schicht für Schicht, sehr preiswert aufzubauen.

Die organische und gedruckte Elektronik eignet sich damit zum Beispiel zum Bau von
* Gedruckten Transistoren, die als Radio Frequency Identification (RFID)-Etiketten in der Warenlogistik zum Einsatz kommen
* Organischen Leuchtdioden (OLED), die Licht aussenden
* Organischen Photovoltaikzellen, die Licht absorbieren und in elektrische Energie umwandeln
* Flexiblen Batterien, um mobile Geräte mit Strom zu versorgen
* Gedruckten Sensoren, die Umweltparameter wie Helligkeit, Druck, Temperatur oder Feuchtigkeit messen
* Organischen Datenspeichern, die digitale Informationen speichern
* Flexiblen Displays für elektronische Bücher oder SmartCards
* Gedruckten Einweg-Messgeräten für die medizinische Diagnostik
und weiteren innovativen Elektronikanwendungen.

Schweizer Schüler entwickeln mobiles Kraftwerk
Wasserwirbel liefern Strom für Forschung und Hilfsorganisationen

Zofingen (pte020/16.09.2011/13:55) – Im Auftrag der Genossenschaft Wasserwirbelkraftwerke Schweiz (GWWK) http://www.gwwk.ch haben vier Berufslehrmaturanten den Prototypen eines mobilen Wasserwirbelkraftwerks konstruiert. "In einem halben bis einem Jahr ist das Micro-Kraftwerk serienreif. Wir haben schon erste Kontakt zu Hilfsorganisationen, die sehr interessiert sind. Unsere einfache Technik kann auch nach Naturkatastrophen eine schnelle Versorgung mit Strom garantieren, sagt GWWK-Sprecher Daniel Styger im Gespräch mit pressetext.

Entlegene Messstationen

Ausgangspunkt für die Nachwuchskonstrukteure war ein Problem des Bundesamtes für Umwelt http://www.bafu.admin.ch , das zu Forschungszwecken Flüsse und Bäche in der Schweiz überwacht. Die Messstationen in teilweise entlegenen Gebieten rund um die Uhr mit Strom zu versorgen ist dabei oft eine Herausforderung. Drei angehende Konstrukteure und ein Polymechaniker von der Berufsschule Zofingen haben sich dieses Problems angenommen. In über tausend Arbeitsstunden haben sie den Prototypen für ein mobiles Wasserwirbelkraftwerk gebaut. Finanziert wurde das Projekt ausschließlich durch Sponsorengelder.

Der 3 x 0,5 x 0,5 Meter große Prototyp, der von der Konstruktion her an seine großen, stationären Vorbilder angelehnt ist, bringt konstant eine Leistung von 50 bis 100 Watt. Er kann ab einem Wassergefälle von 40 Zentimetern und einer Wassermenge von 20 Litern eingesetzt werden. Das reicht aus, um eine Messstation oder einen sparsamen Laptop zu betreiben. Das Kraftwerk enthält auch einen Lithium-Ionen-Akku, der es ermöglicht, überschüssige Energie für längere Zeit zwischenzuspeichern. Das Kraftwerk kann in drei Teile zerlegt werden.

Großes Potenzial

"Der Aufbau kann ohne Probleme von einer Person bewerkstelligt werden. Die Teile können auf einem Anhänger oder mit Lasttieren zum Einsatzort gebracht werden", so Styger. Die Konstruktion ist flexibel und kann mit verschiedenen Rotoren bestückt werden, die sich bei Bedarf einfach tauschen lassen. Der größte und teuerste Rotor liefert derzeit etwa 100 Watt. "In Zukunft planen wir leistungsfähigere Versionen mit bis zu 500 Watt. Durch leichtere Materialien bleiben sie trotzdem einfach zu transportieren", erklärt Styger. Über den Marktpreis der Micro-Wasserwirbelkraftwerke ist noch nichts bekannt. "Sie werden aber auch für Privatpersonen interessant sein", sagt Styger gegenüber pressetext.

Kostengünstig und kompakt scannen

Die Inhalte der Döschen und Flaschen, aus denen Apotheker individuelle Medikamente für Patienten mischen, sehen meist gleich aus: weiße Pulver. Daher sind Pharmazeuten verpflichtet, die Rezepturrohstoffe zu kontrollieren. Jede Verwechslungsgefahr kann damit ausgeschlossen werden. Das bindet eine qualifizierte Assistentin bis zu 45 Minuten, verbraucht teure Reagenzien und muss sachgerecht entsorgt werden. Schneller und sauberer geht es mit Spektrometern. Die waren bisher aber kompliziert und kosteten leicht so viel wie ein Mittelklassewagen.

Seit einem guten Jahr geht es mit einem Analysegerät der Dresdner Firma HiperScan GmbH besser, billiger und sicherer: Das neuartige Nahinfrarot-Spektrometer Apo-Ident macht den gesamten Prüfablauf der sogenannten Identitätsprüfung kinderleicht. Nach ein bis zwei Minuten hat man bereits sein Prüfprotokoll als Nachweis abgelegt und kann sich wieder der Beratung am Point-of-Sale widmen. Schon ab drei Prüfungen pro Woche rentiert sich so eine Investition.

Kern des Geräts ist eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden: Mikroscannerspiegel, durch die die kompakte und kostengünstige Bauweise erst möglich wird. Alexander Wolter hat am IPMS die Entwicklung geleitet, die aus einer Idee ein Massenprodukt in der Fertigung gemacht hat. "Daraus ist dann die Firma HiperScan geworden, damit diese Spitzentechnologie auch jeden Tag ganz konkret jemandem hilft", sagt der 41-jährige, der die Firma nun schon seit fast fünf Jahren leitet, und lacht: "Wer hätte gedacht, als ich 1996 am Fraunhofer-Institut anfing, dass ich in 10 Jahren Unternehmer bin? Bei Fraunhofer habe ich den Blick auf den Kunden gelernt. Das Produkt muss sicher und vor allem einfach sein. Und es muss den Kunden unterstützen, anstatt ihn von seinem Tagesgeschäft abzulenken." Diese Einsicht hat er in etlichen Industrieprojekten und in Fraunhofer-Fortbildungen im Unternehmensmanagement gewonnen. Und es wirkt: Die junge Firma
 floriert, gilt in der Branche als führender Lieferant von Mikroscannerspiegeln und beschäftigt mittlerweile zehn Mitarbeiter. Wachstum verspricht, dass das kompakte Mikrospektrometer vielseitig einsetzbar ist, etwa für die Eingangskontrolle in Chemie-, Pharma- und Papierindustrie oder bei der Qualitätssicherung von Lebensmitteln.

Künftig soll die Technik noch kompakter werden: "Wir arbeiten an einem Handheld-Analysegerät, das auch ungelernte Arbeiter vor Ort bedienen können", informiert Wolter.

**Wenn Backöfen erkennen, dass sie getestet werden**
Fragwürdige Software bei Hausgeräten

(aid) – Ein niedriger Energieverbrauch ist ein maßgebliches

Verkaufsargument. Neben Anschaffungspreis, Gebrauchseigenschaften und

Design ist es ein wichtiges Entscheidungskriterium beim Kauf von

Hausgeräten. Auskunft über den Energieverbrauch gibt das

Energielabel, mit denen nahezu alle elektrischen Geräte

gekennzeichnet sind. Aber kann man sich auch darauf verlassen?

Scheinbar nicht immer. Produkttester des Stuttgarter Instituts für

Produktforschung GmbH (ipi) fanden heraus, dass nicht nur in deutschen

Dieselfahrzeugen, sondern auch in manchen Backöfen und Fernsehern

Schummelsoftware eingebaut ist. Solche Geräte verbrauchten im

Testbetrieb weniger Kilowattstunden als normalerweise.

Im Rahmen von Gerätetests fiel den Produkttestern beispielsweise ein

Backofen auf, der ein auffällig abweichendes Regelverhalten zeigte,

wenn er im Energiesparprogramm betrieben wurde. Wurde das Gerät –

wie im Testverfahren nach europäischer Norm vorgeschrieben –

vorgeheizt, dann die Tür geöffnet und das Gerät mittig mit einem

bestimmten Gewicht beschickt, senkte es bei diesem Programm mitten im

Backvorgang für fast eine halbe Stunde die Temperatur um mehr als 60

Kelvin ab. Statt auf 160 °C Temperatur heizte das Gerät nur noch auf

100 °C und verbrauchte dadurch insgesamt weniger Strom als im

Normalbetrieb und deutlich weniger als andere Geräte. Es erreichte so

eine niedrigere Energieeffizienzklasse auf dem Energielabel als andere

baugleiche Geräte.

Das Backergebnis für die kleinen Kuchen, die die Tester in diesem

Energiespar-Testmodus zubereiteten, spiegelte die unterbrochene

Wärmezufuhr wieder und erbrachte ein schlechtes Backergebnis. Die so

zubereiteten Kuchen gingen weniger gut auf und zeigten beim

Aufschneiden eine verdichtete Konsistenz, weil mitten im Backprozess

die Wärmezufuhr zu gering war.

Qualitätseinbußen als Folge geringerer Energiezufuhr ermittelten

die Produkttester auch bei einem Fernseher. Musste das Gerät den

Testfilm abspielen, erkannte es diesen Test und schaltete

unverzüglich in eine Art Energiesparmodus. Helligkeit, Kontrast und

Lautstärke verringerten sich und der Energieverbrauch sank dadurch

maßgeblich. Eine Augenweide war das Ansehen des Testfilms für die

Tester auf diese Weise nicht mehr. Der niedrigere Energieverbrauch

führte hier jedoch ebenfalls dazu, dass das Gerät auf dem

Energieetikett besser ausgezeichnet werden konnte.

Die Testergebnisse, die Ende Februar 2016 in Hamburg bei der

Jahrestagung des Fachausschusses Haushaltstechnik der Deutschen

Gesellschaft für Hauswirtschaft e. V. vorgestellt wurden, sorgten in

dem Fachgremium für Furore und lösten eine lebhafte Diskussion über

das Energielabel aus. Auch wenn es sich offensichtlich um wenige

Einzelanbieter handelt, die Schummelsoftware einsetzten, reagierten

die Haushaltsexperten entsetzt. Das Energielabel, das eigentlich den

Energieverbrauch abbilden und den Vergleich baugleicher Geräte

ermöglichen solle, werde so ad absurdum geführt, bemerkte ein

Branchenvertreter resignierend.

Eine Lösung zur Vermeidung solcher Täuschungsversuche scheint

dennoch greifbar: Zur Bewertung des Energieverbrauchs sollte der

Stromverbrauch im Normalprogramm herangezogen werden und nicht mehr

der geringste Verbrauch aus dem Energiesparprogramm wie bislang

üblich. Könnte man sich bei der Überarbeitung des Energielabels

darauf verständigen, würde solchen unsinnigen Energiesparprogrammen

der Nährboden entzogen, war man sich einig. Ob sich dies durchsetzen

lässt, weil die Energieetikettierung europaweit einheitlich geregelt

ist, blieb dabei allerdings offen.

Ute Gomm

den ersten dauerhaften volloptischen
Speicher, der sich auf einem Chip integrieren lässt, haben
Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie der
Universitäten Münster, Oxford und Exeter entwickelt. Damit ist ein
wesentlicher Schritt auf dem Weg zum optischen Computer gelungen.
Phasenübergangsmaterialien, die ihre optischen Eigenschaften je nach
Anordnung der Atome ändern, ermöglichen es, mehrere Bits in einer
einzigen Zelle zu speichern. Ihre Entwicklung stellen die Forscher in
der Zeitschrift Nature Photonics vor. (10.1038/nphoton.2015.182)

Licht bestimmt die Zukunft der Informations-
und Kommunikationstechnologie: Computer könnten mit optischen Elementen
schneller und energieeffizienter arbeiten. Längst ist es üblich, Daten
mit Licht über Glasfaserkabel zu übertragen. Doch auf dem Computer
werden die Daten nach wie vor elektronisch verarbeitet und gespeichert.
Der elektronische Austausch von Daten zwischen den Prozessoren und dem
Speicher begrenzt die Geschwindigkeit moderner Rechner. Diesen Engpass
bezeichnen Experten als Von-Neumann-Flaschenhals. Um ihn zu überwinden,
genügt es nicht, Speicher und Prozessor optisch zu verbinden, da die
optischen Signale wieder in elektrische konvertiert werden müssen.
Wissenschaftler suchen daher nach Wegen, sowohl Rechnungen als auch die
Datenspeicherung rein optisch durchzuführen.

Forscher des KIT, der Westfälischen
Wilhelms-Universität Münster, der Universität Oxford und der Universität
Exeter haben nun den ersten nicht volatilen, das heißt dauerhaften
optischen On-Chip-Speicher entwickelt. „Optische Bits lassen sich mit
Frequenzen bis zu einem Gigahertz schreiben; damit erlaubt unser
vollphotonischer Speicher eine extrem schnelle Datensicherung“, erklärt
Professor Wolfram Pernice, der eine Arbeitsgruppe am Institut für
Nanotechnologie (INT) des KIT leitete und inzwischen an der Universität
Münster tätig ist. „Der Speicher ist sowohl mit der üblichen optischen
Datenübertragung über Glasfaser als auch mit modernsten Prozessoren
kompatibel“, ergänzt Professor Harish Bhaskaran von der Universität
Oxford.

Der neue Speicher kann Daten auch ohne
Stromzufuhr jahrzehntelang bewahren. Besonders attraktiv ist überdies
seine Fähigkeit, mehrere Bits in einer einzigen, nur einige Milliardstel
Meter großen Zelle zu halten (Multi-Level Memory – Mehrebenenspeicher).
Anstelle der üblichen Informationswerte 0 und 1 lassen sich mehrere
Zustände in einem Element sichern oder sogar eigenständige Berechnungen
ausführen. Möglich machen es sogenannte Phasenübergangsmaterialien –
neuartige Materialien, die ihre optischen Eigenschaften abhängig von der
Anordnung der Atome ändern: Sie können in kürzester Zeit zwischen dem
kristallinen (regelmäßigen) und dem amorphen (unregelmäßigen) Zustand
wechseln. Für ihren Speicher verwendeten die Wissenschaftler das
Phasenübergangsmaterial Ge2Sb2Te5 (GST). Mit ultrakurzen Lichtpulsen
lässt sich der Wechsel von kristallin zu amorph (Daten speichern) bzw.
von amorph zu kristallin (Daten löschen) auslösen. Lesen lassen sich die
Daten mit schwachen Lichtpulsen.

Dauerhafte volloptische Speicher auf Chips
könnten die Leistung von Computern künftig erheblich steigern und deren
Energieverbrauch senken. Zusammen mit volloptischen Verbindungen könnten
sie Latenzen reduzieren und die energieintensive Umwandlung optischer
Signale in elektronische – und umgekehrt – überflüssig machen.

Carlos Ríos, Matthias Stegmaier, Peiman
Hosseini, Di Wang, Torsten Scherer, C. David Wright, Harish Bhaskaran,
Wolfram H.P. Pernice: On-chip integratable all-photonic nonvolatile
multi-level memory. Nature Photonics. DOI: 10.1038/nphoton.2015.182

Das Auto
mithilfe von Radarsensoren einzuparken, gehört schon zum Alltag. Viele
weitere Anwendungen für Radartechnik liegen auf der Hand, etwa präzise
Abstands- und Umfeldsensoren für Roboter und Maschinen der industriellen
Automation oder leistungsfähige Sender und Empfänger für die
Telekommunikation. Jedoch sind die konkreten Anwendungsszenarien meist
sehr individuell, die Stückzahlen klein und die Fertigungskosten hoch.
Das neue Forschungslabor DiFeMiS am Karlsruher Institut für Technologie
(KIT) setzt hier an und entwickelt Drucktechnologien für präzise
Hochfrequenzsysteme bis in den Terahertzbereich (THz), die individuell,
klein und günstig sein werden. Das Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF) fördert das Labor mit rund 3,37 Millionen Euro.

Wer an Elektronik
denkt, stellt sich meist Bauteile auf einer grünen Leiterplatine vor.
Doch dieser Träger für elektrische Elemente eignet sich nur für
Schaltungen, die mit Frequenzen deutlich unter 100 GHz arbeiten. Darüber
basieren Platinen für Hochfrequenzsysteme beziehungsweise Radartechnik
meist auf lithografischen Verfahren, die jedoch auf Massenfertigung
optimiert sind: Eine entsprechende Belichtungsmaske zu erstellen, ist
für mittlere Stückzahlen von bis zu 10 000 Exemplaren, wie sie
typischerweise von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) produziert
werden, zu kostenintensiv. Neueste Additive Verfahren und
Präzisions-Drucktechnik könnten die Lücke zwischen Einzel- und
Massenanfertigung schließen.

„Das Herzstück des
geplanten Forschungslabors ist eine konfigurierbare, mikrometerpräzise
Druckplattform mit der in Zukunft das Packaging hochflexibel und
kostengünstig realisiert werden kann“, erläutert Professor Thomas Zwick,
Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Elektronik am KIT. Mit
Packaging oder Aufbau- und Verbindungstechnik werden alle den Mikrochip
unterstützenden Bauteile auf einer Platine – vom Leiterdraht bis zur
Antenne – bezeichnet. Es hängt sehr stark von der Anwendung ab – etwa in
Bezug auf die Größe und Ausrichtung von Antennen. Daher eignen sich
massenproduzierte Lösungen von der Stange meist nicht. „Radartechnik bei
sehr hohen Frequenzen bis in den Terahertzbereich bietet sich für viele
weitere Anwendungen an, da die hohe Frequenz eine höhere
Messgenauigkeit, höhere Datenübertragungsrate und eine weitere
Miniaturisierung möglich macht.“

Das Forschungslabor am
KIT verbindet Anlagen für additive und maskenlose Abscheide- und
Strukturierungsverfahren zu einer flexibel einsetzbaren Druckplattform.
Zusätzlich ermöglichen spezielle Messsysteme die Bestimmung des
Frequenzverhaltens von Komponenten und Systemen bei mehr als 500 GHz. Um
elektrische Schaltungen zu drucken, stehen schon verschiedene Verfahren
zur Verfügung, in denen Materialien verschiedenster elektrischer
Eigenschaften quasi als Tinte eingesetzt werden – zweidimensionale wie
Ink-Jet und Aerosol-Jet oder dreidimensionale wie die Laserlithografie.
Für Schaltungen jenseits der Frequenz von 100 GHz gilt es, die Auflösung
zu steigern und die komplementären Eigenschaften miteinander zu
verbinden. Die große Herausforderung ist die exakte Positionierung der
Bauteile: Druckprozesse sollen dazu mikrometergenau aufeinander
abgestimmt werden, damit Bausteine aus den verschiedenen Druckern
optimal zusammenarbeiten und Schaltungen möglichst klein werden.

Insbesondere KMU
könnten digitale Fertigungsverfahren für eine kostengünstige Aufbau- und
Verbindungstechnik bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz nutzen, um eine
Vielzahl von Sensoranwendungen im Umfeld von Industrie 4.0 und Robotik
zu entwickeln. In dem Bereich gibt es viele Messaufgaben von einfachen
Abständen bis hin zu komplexer Bildgebung. Hochfrequenzsensoren bieten
sich dafür dank ihrer guten Auflösung, hohen Genauigkeit, kleinen
Bauform und hohen Robustheit an. Aber auch in der Telekommunikation
können Sender und Empfänger aus Hochfrequenzsystemen eingesetzt werden.
Mit digitalen Fertigungsverfahren könnte das Tor zu einer
maßgeschneiderten, integrierten und günstigen Produktion aufgestoßen
werden.

An der „Digitalen
Fertigung von THz-Mikroelektroniksystemen“ (DiFeMiS) arbeiten im
Forschungslabor am KIT derzeit die drei Forschungsgruppen der
Professoren Thomas Zwick, Ulrich Lemmer und Christian Koos zusammen
(Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, Lichttechnisches
Institut und Institut für Photonik und Quantenelektronik). Die neu
eingerichtete Professur von Ahmet Cagri Ulusoy am Institut für
Hochfrequenztechnik und Elektronik wird bald mit eingebunden. Das Labor
wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen
des Programms „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland“ mit 3,37
Millionen Euro für drei Jahre gefördert. Forschung auf internationalem
Spitzenniveau soll durch Investitionen in modernste Geräte und Anlagen
verstärkt ermöglicht werden. Die insgesamt zwölf Labore sollen neue
Forschungsfelder für die Mikroelektronik der Zukunft erschließen und den
wissenschaftlichen Nachwuchs mit hochmoderner Ausstattung ausbilden.

Thomas Rachel,
Parlamentarischer Staatssekretär bei der Bundesministerin für Bildung
und Forschung, MdB, betonte auf der heutigen (5.2.2019)
Auftaktveranstaltung die Bedeutung der Forschungslabore als Investition
in die Zukunft: „Wir wollen auch in einer sich rasant verändernden Welt
selbstbestimmt leben. Dazu müssen wir in Deutschland und Europa auch
technologisch über eine starke Basis verfügen. Die ,Forschungslabore
Mikroelektronik Deutschland‘ liefern hierzu einen wichtigen Beitrag. In
den Laboren wird die Elektronik der nächsten Jahrzehnte entwickelt und
reif gemacht für die Anwendung, damit neue Ideen und neues Wissen
schnell in unserem Alltag ankommen.“

Bioabfall in
Form von Hühnereierschalen erweist sich als sehr effektiv für die
Energiespeicherung. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team,
zu dem auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des vom Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU)
gehören. Das nachhaltige Speichermaterial, das einen kostengünstigen
Lithium-Ionen-Kondensator ermöglichen könnte, stellt die Gruppe nun in
der Zeitschrift Dalton Transactions der Royal Society of Chemistry vor
(DOI: 10.1039/c8dt03252a).

Hühnereier werden
weltweit in großen Mengen in der Lebensmittel-, Pharma- und
Fertigungsindustrie eingesetzt. Nach der Verwendung der Eier werden die
Schalen jedoch weggeworfen und als Bioabfall auf Deponien entsorgt.
Dabei besteht die Schale aus einem Verbundwerkstoff aus Calciumcarbonat
(CaCO₃) und einer proteinreichen Fasermembran. „Es gibt
überraschenderweise immer wieder neue Beispiele, in denen Naturstoffe
gute bis sehr gute Voraussetzungen mitbringen, um daraus Materialien für
elektrochemische Speicher herzustellen“, erklärt Professor Maximilian
Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter
Trägerschaft des KIT.

Fichtner entdeckte
zusammen mit australischen Kolleginnen und Kollegen die
vielversprechenden elektrochemischen Eigenschaften von
Hühnereierschalen, die Lithium durch einen hohen Anteil an CaCO₃ gut speichern können. Das Eierschalenpulver wurde als Elektrode gegen
eine metallische Lithium-Anode in einem nichtwässrigen Elektrolyten
verwendet. Bei über 1 000 Lade- und Entladezyklen hielt die Testzelle
eine Kapazität von 92 Prozent aufrecht. Verwendet wurden von den
Eierschalen sowohl die verkalkte Schale als auch die inneren und äußeren
Schalenmembranen. Die Forschenden wuschen, trockneten und zerkleinerten
die Schalen zu einem Pulver und erhielten ein leitfähiges Material.

Bislang kamen
Eierschalenabfälle bereits in einer Reihe von Anwendungen zum Einsatz,
etwa in der Biokeramik, in Kosmetika oder in der Farbstoffindustrie.
Auch fungierte die proteinreiche, faserige Eierschalenmembran als
Separator in Superkondensatoren. Als Elektrode fanden die Bioabfälle nun
aber weltweit erstmals Verwendung. Um die Leistungsfähigkeit des
Materials zu verbessern und einen breiten Einsatz zu ermöglichen, seien
nun weitere Forschung und ein detailliertes Verständnis des
elektrochemischen und physikalischen Verhaltens des Materials
erforderlich, so das Forschungsteam.

Wer vom Matheunterricht schlechte Noten nach Hause bringt, dem ist oft mit sturem Nachrechnen von Aufgaben nicht geholfen. Um Lücken aufzuarbeiten, muss er Formeln verstehen und mit anschaulichen Beispielen und Übungsaufgaben begreifen lernen. Dabei kann das E-Learning-System ActiveMath helfen, das auch im Jahr der Mathematik 2008 zu den wenigen adaptiven webbasierten Lernplattformen zählt, die es bisher weltweit gibt. Es hilft Schülerinnen und Schülern dabei, selbstbestimmt und wie von einem virtuellen Lehrer unterstützt Mathematik zu lernen. Auf der CeBIT 2008 in Hannover (4. bis 9. März 2008) präsentieren die Universität des Saarlandes und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche  Intelligenz (DFKI) dieses ausgereifte interaktive und adaptive E-Learning-System am saarländischen Forschungsstand (Halle 9, Stand B 35). Es wurde im Rahmen des LeActiveMath-Projekts der Europäischen Union gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Lehre entwickelt.

Mit der Lernplattform ActiveMath kann ein Schüler Übungsaufgaben am Computer selbständig bearbeiten, erhält Vorschläge für zu vertiefende Inhalte und wird bei richtigem Vorgehen gelobt und ermuntert. Das System passt sich zudem seinem Benutzer an und bietet die für ihn geeigneten Inhalte und Übungen in einem jeweils angemessenen Lerntempo an. Ein Lernender, der sich auf eine Klausur vorbereiten will, wird anders behandelt als ein Nutzer, der tiefergehende Informationen über ein Gebiet erhalten möchte. Ein Schüler, dessen Kenntnisse eines benötigten Begriffs noch ungenügend sind, erhält die Gelegenheit, diese zu vertiefen und zu üben, während einer, der schon mehr weiß, schwierigere Aufgaben angeboten bekommt oder zum nächsten Thema übergehen darf. Damit das Lernen möglichst motivierend ist, werden auch die Interessensgebiete des Nutzers bei der Wahl der Beispiele und Übungsaufgaben berücksichtigt.

Für Lehrer und Tutoren bietet ActiveMath ein zusätzliches Werkzeug, das ein differenziertes Unterrichten ermöglicht. Man kann damit Aufgaben auf die bestimmten Anforderungen einer ganzen Schulklasse ausrichten oder auch einzelne Schüler entsprechend ihrer Vorkenntnisse unterrichten. Die Lehrer und Tutoren können dafür auf einfache Weise Inhalte für eine Lerneinheit zusammenstellen und darin Stellen einbauen, die erst zur Laufzeit mit Übungen oder Beispielen gefüllt werden, die an den jeweiligen Lernenden angepasst sind. Die umfangreichsten Lerninhalte für jeden Schwierigkeitsgrad gibt es derzeit für Bruchrechnung und Analysis. Ständig wird ActiveMath jedoch mit neuen Inhalten und Ideen für den Erwerb von Mathematikkenntnissen angereichert, die engagierte Lehrer, Tutoren und Wissenschaftler entwerfen und die auch anderen Interessierten in ActiveMath zur Verfügung stehen.

Die Inhalte des mehrsprachigen Lernsystems sind in einer semantischen XML-Sprache abgelegt und mit Metadaten versehen, also mit Angaben etwa zu den Autoren, Schwierigkeitsgrad, geübten Kompetenzen sowie dem  Bezug zu anderen Lernobjekten. Die Lerninhalte können dadurch in vielfältiger Weise dargestellt und auch in anderen Zusammenhängen – zum Beispiel für andere Vorlesungen oder zur Prüfungsvorbereitung – wieder verwendet werden. Außerdem können Themen und Begriffe semantisch gesucht werden, so dass der Lernende sich das mathematische Wissen und seine vielfältigen Beziehungen ganzheitlich erschließen kann. Die Plattform ist derzeit in verschiedene Learning Management Systeme eingebunden, etwa Moodle und Clix.

ActiveMath wird unter anderem für so genannte Brückenkurse für Studienanfänger eingesetzt werden. In Brückenkursen werden vor dem Studium zum Beispiel Mathematik-Kenntnisse vermittelt, die sich künftige Studierende der Informatik, Ingenieurwissenschaften oder Betriebswirtschaft in der Schule nicht oder nicht ausgerichtet auf die Probleme ihrer Studienrichtung erarbeiten konnten.

ActiveMath ist in einer Reihe von europäischen Schulen und Hochschulen evaluiert worden und wird derzeit von Schulen in mehreren Ländern erprobt.

Weitere Informationen finden Sie im Internet unter: http://www.activemath.org

KIT-Forscher entwickeln neues Verfahren zur Herstellung metallorganischer Gerüste

Zur Speicherung von Wasserstoff und anderen kleinen Molekülen wie Kohlendioxid oder Methan werden MOFs als Pulver eingesetzt. Für anspruchsvollere Anwendungen, etwa zum Spei-chern und anschließenden Freisetzen von Antibiotika, sind jedoch mechanisch stärker belastbare MOF-Beschichtungen erforderlich.
Am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT arbeiten Wissenschaftler um Institutsleiter Professor Christof Wöll daher an neuen Verfahren zur MOF-Herstellung: Sie lassen die MOF-Strukturen epitaktisch, das heißt schichtweise, auf der Oberfläche von Substraten wachsen (SURMOFs – Surface Mounted Metal Or-ganic Frameworks). So lassen sich Größe und Form der Poren ebenso wie deren chemische Funktionalität für die jeweilige Anwen-dung maßschneidern. Eine am IFG entwickelte spezielle Methode, die sogenannte Flüssigphasen-Epitaxie (LPE – Liquid Phase Epit-axy) gestattet es, auch Gerüststrukturen herzustellen, die sich mit den normalen nasschemischen Methoden nicht erzeugen lassen. Wie die genaue theoretische Analyse der Arbeitsgruppe von Profes-sor Thomas Heine an der Jacobs University Bremen zeigte, sind die Wechselwirkungen zwischen den organischen Streben für die Stabi-lität dieser großporigen Gerüste verantwortlich. In einer von der Zeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlichten Arbeit stellen die beteiligten Forscher – IFG und Institut für Organische Chemie (IOC) des KIT, Jacobs University Bremen und weitere Einrichtungen in Mainz, Bielefeld und Thuwal/Saudi-Arabien – eine Serie von strukturell verwandten, hochsymmetrischen Typen von Gerüstver-bindungen vor, die mit der LPE-Methode hergestellt wurden und besonders große Poren aufweisen.
Zur Herstellung dieser neuartigen, als „SURMOFs 2“ bezeichneten Serie von MOFs synthetisierten die Wissenschaftler verschiedene, sehr spezielle organische Moleküle verschiedener Länge. Die Po-rengröße der neuen metallorganischen Gerüstverbindungen beträgt zurzeit schon bis zu drei mal drei Nanometer. Damit bieten die Po-ren bereits jetzt Platz für kleine Proteine. Die Forscher arbeiten in-tensiv daran, die Länge der organischen Streben noch weiter zu vergrößern, um noch größere Proteine und im nächsten Schritt so-gar metallische Nanopartikel in die Gerüststrukturen einzubetten, was interessante Anwendungen in der Optik und Photonik ermög-licht.
„Das Hauptpotenzial der SURMOFs 2 sehen wir zurzeit im Bereich optischer Materialien. Der nächste Schritt wird es sein, Hetero-Schichten herzustellen, in denen ganz unterschiedliche Materialen

aufeinandergestapelt werden“, erklärt Professor Christof Wöll vom IFG des KIT. „Das Anwendungspotenzial metallorganischer Käfige läßt sich heute erst vage erahnen. Die MOF-Gerüste kann man sich als zusammengesetzte Bausteine vorstellen. Die Chemiker haben gelernt, wie man diese Bausteine zu einem Gerüst zusammensetzt. Jetzt gilt es, die Vielfalt der aus der Chemie bekannten Moleküle als Bausteine auszunutzen, um neue Materialien mit neuen Anwen-dungspotenzialen zu entwickeln, die beispielsweise die Katalyse, Sensorik oder logische Speichermaterialien revolutionieren könnten. Computersimulationen sind ideal, um die Bausteine für Käfige mit optimalen Eigenschaften zu bestimmen und diese danach im Labor zu realisieren“, erläutert Professor Thomas Heine von der Jacobs University Bremen.