Archiv des Monats: September 2009

Optik nach Maß

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Presseinformation der LMU München vom 11.09.2009

LMU und MPG gründen gemeinsames Spin-off-Unternehmen

Wer schnellere elektronische Bauteile entwickeln möchte, darf Elektronen nicht aus dem Auge verlieren. Dafür sind maßgeschneiderte Optiken nötig, wie sie die UltraFast Innovations GmbH anbietet. Das Unternehmen, das Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) jetzt gegründet haben, produziert spezielle Spiegel und andere Optiken für Laser- und Röntgenpulse. Mit deren Hilfe lassen sich unter anderem ultrakurze Lichtblitze erzeugen und steuern. Solche Blitze ermöglichen es, die Bewegung von Elektronen innerhalb von Atomen und Molekülen in Echtzeit zu beobachten. Die dafür notwendigen Spiegel sind bislang meist nicht kommerziell erhältlich. Sie könnten sowohl bei Firmen zum Einsatz kommen, die Lasersysteme und -anwendungen herstellen, wie auch bei Forschungsgruppen, die auf dem Gebiet der Quanten- und Röntgenoptik arbeiten. An dem Unternehmen sind die LMU und die MPG zu je 50 Prozent beteiligt.

Elektronen sind schnell – sie bewegen sich in Attosekunden, milliardstel Teilen einer milliardstel Sekunde, zwischen Atomen hin und her. Sie zu beobachten, erfordert ausgefeilte Optiken, die es erlauben, extrem kurze Lichtblitze zu erzeugen. Solche Spezialoptiken fertigt die UltraFast Innovations GmbH nach Kundenwünschen an.

Das Unternehmen bietet alles aus einer Hand − vom Entwurf der Optiken bis zur Beschichtung und Vermessung der Produkteigenschaften. Es optimiert Beschichtungen auf unterschiedliche Charakteristika wie hohe Reflektivität, große spektrale Bandbreite oder eine bestimmte Filterfunktion. Bei der Entwicklung und Herstellung der Optiken baut die UltraFast Innovations GmbH auf die langjährige Erfahrung der beteiligten Wissenschaftler: Die Arbeitsgruppen um Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der LMU, und Ulf Kleineberg, ebenfalls Professor an der LMU, vereinen führende Experten auf dem Gebiet der Spezialoptiken. Ferenc Krausz gilt als einer der Erfinder der gechirpten Spiegel, einer besonderen Art Spiegel, die ultrakurze Laserpulse erst ermöglicht, und hält dazu mehrere Patente.

Die Spiegel ermöglichen beispielsweise die Kompensierung der Materialdispersion, sie verhindern also, dass Licht verschiedener Farbe unterschiedlich verzögert wird, wodurch Lichtpulse zeitlich verbreitert würden. Erst so wird es möglich, ultrakurze Lichtblitze zu erzeugen. 2008 haben die Forscher mithilfe solcher Spiegel Blitze erzeugt, die nur 80 Attosekunden dauern. Damit sind sie erstmals in den Zeitbereich von unter 100 Attosekunden vorgedrungen und haben so die weltweit kürzesten Lichtblitze generiert. In 80 Attosekunden legt das Licht weniger als einen tausendstel Millimeter zurück.

„Solche Lichtimpulse erlauben es uns, Elektronenbewegungen innerhalb von Atomen und Molekülen in Echtzeit zu beobachten“, erklärt Dr. Jens Rauschenberger, Forscher in der Arbeitsgruppe von Ferenc Krausz und Geschäftsführer der neugegründeten Firma. „Man kann sich das wie bei einer Kamera vorstellen: Um schnelle Bewegungen scharf abzubilden, braucht man eine extrem kurze Verschlusszeit.“

Ein besseres Verständnis der Vorgänge, die auf Elektronenebene ablaufen, ist beispielsweise für die Kommunikationstechnik wichtig und trägt dazu bei, die Datenverarbeitung zu beschleunigen. Kurze Lichtblitze im sichtbaren Spektralbereich finden beispielsweise auch in bildgebenden Verfahren in der Medizin Anwendung: Die optische Kohärenztomografie etwa ist ein wichtiges Verfahren in der Augenheilkunde, um den Augenhintergrund zu untersuchen.

Die UltraFast Innovations GmbH zeichnet sich vor allem aber durch ihre enge Verbindung zur aktuellen Forschung aus: „Da die Entwicklung und Herstellung der Optiken in unsere wissenschaftliche Arbeit eingebunden ist, fließen aktuelle Forschungsergebnisse direkt ein“, sagt Jens Rauschenberger. „Die neu entwickelten Produkte können wir dann sofort in der Praxis testen.“ Die Gründung der UltraFast Innovations erlaubt eine effizientere Auslastung der hochpräzisen Beschichtungsanlagen des Servicecenters „Beschichtungen und Optiken“ im Exzellenzcluster „Munich Centre for Advanced Photonics“ (MAP). Und das Unternehmen bietet einen weiteren Vorteil. Jens Rauschenberger: „Neben der besseren Auslastung geben wir mit UltraFast Innovations der Forschungstätigkeit wichtige Impulse, weil die Gewinne wieder in wissenschaftliche Einrichtungen investiert, beziehungsweise neue Personalstellen geschaffen werden können.“

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Eingehauchte Leitfähigkeit

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 15.09.2009

Neues Nano-Material eignet sich speziell für Brennstoffzellen

Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die bekanntesten unter den röhrenförmigen Zwergen, haben Konkurrenz bekommen. Mit ihren halbleitenden Eigenschaften wecken Schichten aus Titandioxidröhrchen bereits seit einigen Jahren Interesse, da sie beispielsweise für den Einsatz in der Bio- oder der Solarzellentechnik besonders geeignet sind. Nun können sie eine neue Qualität erwerben, die ihnen bisher fehlte: eine elektrische Leitfähigkeit, die der von Metallen gleicht. Ein Team der Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität Turku in Finnland borgt dazu die Leitfähigkeit, die Kohlenstoff mitbringt, und baut sie in die Titanverbindung ein. Die Röhrenstruktur bleibt dabei, wie Prof. Dr. Patrik Schmuki vom Erlanger Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik erläutert, nahezu unverändert.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie (doi: 10.1002/anie.20902207) berichtet Schmukis Mitarbeiter Robert Hahn, dass die Verwandlung von halbleitenden zum leitenden Material mittels eines relativ einfachen Verfahrens möglich ist. Die Titandioxid-Nanoröhrchen lassen sich zu einer kohlenstoffhaltigen Titan-Oxycarbid-Verbindung umsetzen. Dazu behandeln die Forscher sie bei 850°C mit Acetylen. Dieser Prozess wird, da eine kohlenstoffreiche Verbindung entsteht, als Carbonisierung bezeichnet. „Es handelt sich aber nicht einfach um eine Dotierung von Titandioxid mit Kohlenstoff­atomen,“ stellt Schmuki klar. „Auch wenn die geordnete Röhrenstruktur kaum verändert wird, entsteht doch eine neue chemische Verbindung. Dieses Titan-Oxycarbid kann als eine feste Mischung aus Titancarbid und verschiedenen Titanoxiden interpretiert werden.“

700 Prozent besser

Das Carbonisieren schafft einen neuartigen Werkstoff mit halbmetallischen Eigenschaften, der zudem deutlich härter ist als die Ausgangsverbindung. Seine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie günstige elektrochemische Charakteristika machen ihn zu einem interessanten neuen Elektrodenmaterial. Besonders attraktiv erscheint der Einsatz in Methanol-Brennstoffzellen, deren Leistungsfähigkeit drastisch erhöht werden könnte: Auf 700 Prozent schätzt Prof. Schmuki die Steigerung der Aktivität des Katalysators für die Methanol-Oxidation. „Als Alternative für Kohlenstoff als übliches Trägermaterial an katalytischen Elektroden sind Titandioxid-Nanoröhrchen schon seit längerem im Gespräch,“ so Schmuki. „Aber unser neues leitfähiges Oxycarbid schlägt dies um Längen.“

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Neues Patent ermöglicht Geothermieprojekt

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Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 09.09.2009

Im studienfunktionalen Zentrum der RWTH Aachen, dem SuperC, am Templergraben soll die Temperaturregelung durch die Nutzung von Erdwärme erfolgen. Seit November 2004 ist bereits eine 2,5 km tiefe Bohrung für das Geothermieprojekt vorhanden. Die für den Einbau geplanten Rohre versagten bei einem ähnlichen Vorhaben in Arnsberg, daher musste ein neues Konzept erarbeitet werden, das jetzt zum Patent angemeldet wurde. Auf dem Vorplatz des SuperC beginnen ab sofort die Bauarbeiten, sie dauern bis Anfang Oktober.

Erdwärme nutzen

Tiefe Erdwärmesonden bestehen in der Regel aus Bohrungen mit einer Teufe von 2.000 bis 3.000 Metern. Eine geothermische Tiefenstufe ist ein Maß für eine Tiefe, in der sich die Temperatur um 1 °C erhöht. Im Durchschnitt erfolgt eine solche Erwärmung des Erdreichs alle 33 Meter. Um diese Erdwärme zu nutzen, zirkuliert bei der tiefen Erdwärmesonde ein Wärmeträgerfluid in einem geschlossenen Rohrsystem. Die Sonde besteht aus einem Außenrohr, in das ein Innenrohr eingefügt wird. Im Ringspalt dieser Anordnung fließt das Fluid in die Tiefe und erwärmt sich dort. In der eingehängten Steigleitung wird das Fluid dann zu Tage befördert. Ein solches geschlossenes System hat den Vorteil, dass es keinen Kontakt zum Grundwasser hat und somit an jedem Standort eingesetzt werden kann.

Problematisch ist jedoch der Wärmeübergang des erwärmten Fluids im Steigrohr an das kalte Fluid im Ringspalt. Bisherige Lösungen sehen eine Vakuumrohrummantelung oder ein mit PU-Schaum isoliertes Rohr vor. Beide Varianten haben entschiedene Nachteile: Im Bohrloch herrschen Drücke bis zu 300 bar. Eine Vakuumrohrummantelung hält diesem Druck nicht ohne weiteres Stand, die polyurethanummantelten Rohre verlieren mit der Zeit ihre Isolationswirkung.

Ein neues Konzept für das SuperC

Im SuperC übernimmt ein einfaches, dickwandiges Kunststoffrohr die Aufgabe, das warme Fluid nach oben zu leiten und dabei die Wärmeverluste zu minimieren. Der verwendete Kunststoff zeichnet sich durch ausreichende Temperaturbeständigkeit und eine sehr geringe Wärmeleitung aus. Mittels thermischer Simulation konnte der Nachweis erbracht werden, dass der geforderte Nutzen mit dieser kostengünstigen Lösung erreicht werden kann. Zudem wurden mit diesen Berechnungen die Abmaße der Konstruktion bestimmt und ein geeigneter Betriebszustand ermittelt. Die zwölf Meter langen Rohre werden beim Einbau mit standardisierten Schweißverfahren verbunden.

Externer Link: www.rwth-aachen.de
 

Doppelt simuliert hält besser

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom September 2009

Crashtests bringen oft überraschende Ergebnisse. Mit einem Simulationsverfahren, das die Deformationen während der Fertigung und Vorschädigungen berücksichtigt, lassen sich die Ergebnisse eines Crashtests genauer als bisher vorhersagen.

Es gibt Bauteile, die Leben retten: Überschlägt sich ein Auto bei einem Unfall, spielt die »B-Säule« eine tragende Rolle. Sie ist eine der Verbindungen zwischen Fahrzeugboden und Fahrzeugdach, die verhindern soll, dass sich die Fahrgastzelle zu stark verformt. Die Werkstoffe, aus denen die B-Säule gefertigt ist, müssen daher sehr hohen Ansprüchen genügen: Um Sprit zu sparen, sollen sie besonders leicht sein, gleichzeitig benötigen sie eine enorme Festigkeit und dürfen nicht brechen. Doch wie sieht das optimale Bauteil aus? Mit Hilfe von unzähligen Versuchen, Simulationen und Crashtests hat sich die Automobilindustrie immer mehr an die Antwort auf diese Frage herangetastet. Nun geben Fraunhofer-Forscher der Entwicklung einen weiteren Impuls.

Für gewöhnlich führen Ingenieure eine Reihe von virtuellen Tests durch. Dabei dienen bekannte Werkstoffeigenschaften als Wissensgrundlage. »Die physikalischen und mechanischen Charakteristika der Materialien in ihrem Ausgangszustand kennen wir sehr gut«, sagt Dr. Dong-Zhi Sun, Leistungsbereichsleiter am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Doch im Laufe der Fertigungsprozedur verändern sich die Teile: Bei einer B-Säule etwa durchläuft der Werkstoff eine komplizierte Fertigungskette. Dabei verformt und dehnt er sich, kleine Schädigungen wie Porenbildung können entstehen. »Sollen solche Teile in Fahrzeugen verbaut werden, muss man ihre Deformationsgeschichte bei der Herstellung berücksichtigen«, erklärt Sun. Deshalb haben die Forscher eine besondere Methode entwickelt: »Mit unserem Versagensmodell können wir Fertigungsprozesse besser simulieren«, sagt Sun. »Um die Herstellungsverfahren genau zu kennen, arbeiten wir mit Automobilbauern und Werkstoffproduzenten eng zusammen.« Dank der Simulation können die Forscher die Deformation des Bauteils während der Fertigung genau berechnen und analysieren. Somit wissen sie, welchen Einfluss der Prozess auf die Eigenschaften des Endproduktes hat, und ob durch das Herstellungsverfahren mögliche Vorschädigungen wie Porenbildung und Mikrorisse entstehen. Das Ergebnis der Prozesssimulation koppeln die Ingenieure mit einer Crash-Simulation, die mit einem neu entwickelten Werkstoffmodell durchgeführt wird.

Mit der neuen Methode lassen sich Bauteile mit optimalen Eigenschaften und einem verbesserten Crashverhalten entwickeln. »Wir können im Gegensatz zu herkömmlichen Crashsimulationen wesentlich präziser voraussagen, wie stark sich das Bauteil beim Crash verformen lässt, bevor es versagt«, sagt Sun.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Batterielose Fernbedienungen mit Mikropfeifen

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Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 08.09.2009

In Deutschland fallen jährlich etwa 40.000 Tonnen Sondermüll aus Altbatterien an, die eine erhebliche Belastung für die Umwelt darstellen. Einen bedeutenden Anteil daran haben Batterien für Fernbedienungen, die beispielsweise für Autoschlüssel, Steuerungen von Fernbedienungen oder schnurlose PC-Tastaturen verwendet werden.

Dank einer Entwicklung der RWTH Aachen werden für diese Fernbedienungen zukünftig womöglich nur noch selten Batterien benötigt. Mitarbeiter vom Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (KEmikro) haben Mikropfeifen entwickelt, die so klein sind, dass mindestens jeweils zwei unter der Taste einer PC-Tastatur Platz finden. Wird auf die Taste gedrückt, so werden zwei Silikonbälge komprimiert; diese erzeugen einen Luftstrom, der die kleinen Pfeifen ansteuert. Aus den Tönen erkennt ein am PC angebrachtes Mikrofon, welche Taste gedrückt wurde und kann die sich daraus ergebende Anweisung ausführen. Für den Menschen stellen die Töne keine Belästigung dar, weil das menschliche Ohr sie nicht wahrnehmen kann.

Die Herstellung der Kunststoffpfeifen ist sehr preiswert. Daher bieten sie auch kleinen Unternehmen die Chance, mit geringen Investitionen neue Märkte zu erschließen. (i. A. Gabriele Renner)

Externer Link: www.rwth-aachen.de