Archiv des Monats: April 2011

Solarenergie effizienter nutzen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 14.04.2011

KIT-Wissenschaftler liefern grundlegende Erkenntnisse über die Vorgänge in photoelektrochemischen Zellen und publizieren in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“

Die Erschließung und Nutzung neuer Energiequellen zählt zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Solarenergie spielt dabei eine zentrale Rolle. Eine interessante Variante ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie, beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser. Der momentan effizienteste, aber noch wenig verstandene Prozess ist die Titanoxid-basierte Photo-katalyse. Wissenschaftler des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus dem In- und Ausland die fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titanoxid untersucht und liefern neue detaillierte Erkenntnisse.

Obwohl die Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Sonnenlicht mittels Oxidpulvern schon seit mehreren Jahrzehnten intensiv untersucht wird, gibt es noch immer keine befriedigende Beschreibung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Mechanismen. Unter der Leitung von Professor Christof Wöll ist es Wissenschaftlern des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten St. Andrews (Schottland) und Bochum sowie des Helmholtz-Forschungs-zentrums Berlin gelungen, neue Erkenntnisse zu fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titandioxid (TiO2) zu gewinnen.

Titandioxid ist ein photoaktives Material und kommt in der Natur in den zwei Modifikationen Rutil und Anatase vor, wobei die Anatase-Form eine zehnfach höhere photochemische Aktivität besitzt. Fällt Licht auf dieses weiße Pulver, das auch als Pigment in der Malerei und als Sonnenschutzmittel eingesetzt wird, werden Elektronen in angeregte Zustände versetzt und können dann beispielsweise Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff ist ein „sauberer“ Energieträger, da bei seiner Verbrennung kein klimaschädliches Treibhausgas, sondern lediglich Wasser entsteht. Titandioxid wird auch zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen verwendet. Dabei entfernt einfallendes Sonnenlicht durch photochemische Prozesse unerwünschte Beläge. In Krankenhäusern wird dieser Effekt zur Sterilisierung speziell beschichteter Instrumente durch Bestrahlen mit UV-Licht genutzt.

Die physikalischen Mechanismen dieser photochemischen Reaktionen an Titandioxidoberflächen und insbesondere der Grund für die viel höhere Aktivität von Anatase konnten bislang noch nicht aufgeklärt werden, da die dafür verwendeten Pulverpartikel mit nur wenigen Nanometern winzig klein sind. Solch kleine Partikel sind für die Untersuchung mit leistungsstarken Methoden der Oberflächen-analytik nicht geeignet. Daher haben die Forscher für ihre Messungen Millimeter-große Einkristalle verwendet. An derartigen Substraten konnten dann mit Hilfe eines neuartigen Infrarot-Spektrometers erstmals präzise Messungen zur Photochemie an der Oberfläche von Titandioxid durchgeführt werden.

Außerdem haben die Wissenschaftler mittels einer laser-basierten Technik die Lebensdauer von lichterzeugten elektronischen Anregungen im Inneren von TiO2-Kristallen bestimmt. Genaue Informationen über diese Prozesse sind von großer Bedeutung, wie Christof Wöll, Leiter des IFG, erklärt: „Eine kurze Lebensdauer bedeutet, dass die angeregten Elektronen sofort wieder in ihren Ausgangszustand zurück fallen. Es entsteht eine Art interner Kurzschluss. Bei einer großen Lebensdauer bleiben die Elektronen lange genug im angeregten Zustand, um die Oberfläche des Kristalls zu erreichen, wo sie dann chemische Prozesse in Gang setzen.“ Anatase ist hierfür besonders gut geeignet, weil die elektronische Struktur dieses Materials eine Besonderheit aufweist, die diesen „internen Kurzschluss“ verhindert. Die Kenntnis dieser Ursache wird es den Forschern nun erlauben, Form, Größe und Dotierung der in den Photoreaktoren eingesetzten Anatase-Partikel weiter zu optimieren. Ziel ist es, photoaktive Materialien mit höheren Wirkungsgraden und längeren Lebensdauern zu entwickeln. „Für die Erzeugung elektrischer und chemischer Energie aus Sonnenlicht haben die Ergebnisse von Wöll und Mitarbeitern eine große Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung von Photoreaktoren,“ sagt Professor Olaf Deutschmann, Sprecher des Helmholtz-Graduiertenkollegs „Energy-related Catalysis“. (twn)

Publikation:
Mingchun Xu, Youkun Gao, Elias Martinez Moreno, Marinus Kunst, Martin Muhler, Yuemin Wang, Hicham Idriss, Christof Wöll, Phys. Rev. Lett. 106, 138302 (2011)

Externer Link: www.kit.edu

Schweizer Forschende belegen Einsteins Theorie

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.04.2011

Nach über 100 Jahren ist es einem internationalen Forschungsteam unter Mitwirkung des an der Universität Basel angesiedelten Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) Nanowissenschaften erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung im Experiment zu untersuchen und zu bestätigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden kürzlich in der renommierten Wissenschaftszeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht.

Bereits im Jahr 1827 beobachtete der britische Botaniker Robert Brown unter seinem Mikroskop, dass sich kleine Partikel aus Pflanzenpollen im Wasser ruckartig und unvorhersehbar bewegen. 1905 erklärte Albert Einstein im Rahmen seiner Doktorarbeit, dass diese Bewegung durch Zusammenstösse der Partikel mit den umgebenden Wassermolekülen zustande kommt. Während die beobachteten Zellbestandteile mikroskopisch zu sehen sind, bleiben die Wassermoleküle bei der Auflösung eines Lichtmikroskops unsichtbar. Ihr Effekt auf die freien Bestandteile der Pollenkörner im Wasser ist jedoch zu beobachten. Indirekt lieferte Einstein mit seiner Theorie den Beweis für die Existenz von Molekülen und Atomen, lange bevor diese experimentell nachgewiesen oder dargestellt werden konnten. Aufgrund von zahlreichen thermodynamischen Überlegungen wurde Einsteins Theorie in den vergangenen hundert Jahren mehrfach indirekt bestätigt. Der Effekt der Wassermoleküle auf die Bewegung der suspendierten Teilchen konnte jedoch bisher nie direkt gemessen werden, da es technisch nicht möglich war, diese Bewegungen auf kleinstem Raum bei Zeiten im Nanosekundenbereich zu verfolgen.

Einem internationalen Team unter Mitwirkung des NFS Nanowissenschaften ist es nun erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung direkt zu verifizieren. Die Forscherinnen und Forscher entwickelten eine optische Laserfalle, mit der sie ein einzelnes Teilchen einfangen können. Dank eines neuartigen Detektors liessen sich dann die Bewegungen dieses einzelnen Teilchens verfolgen. Die gemessenen Daten stimmten in hervorragender Weise mit den theoretischen Vorhersagen überein.

Nationaler Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften

Der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Nanowissenschaften ist ein langfristiges, an der Universität Basel angesiedeltes interdisziplinäres Forschungsprojekt, das sich mit Strukturen und Phänomenen im Nanometerbereich beschäftigt und Impulse für Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie geben möchte. Innerhalb des NFS fungiert die Universität Basel als Kompetenzzentrum. Die Nationalen Forschungsschwerpunkte sind ein Förderinstrument des Schweizerischen Nationalfonds. Seit 2006 ist der NFS Nanowissenschaften Bestandteil des Swiss Nanoscience Instituts an der Universität Basel.

Originalbeitrag:
Rongxin Huang, Isaac Chavez, Katja M. Taute, Branimir Lukic, Sylvia Jeney, Mark G. Raizen, Ernst-Ludwig Florin
Direct observation of the full transition from ballistic to diffusive Brownian motion in a liquid
Nature Physics (27 March 2011), doi:10.1038/nphys195

Externer Link: www.unibas.ch

Flachkristalle mit integrierter Elektrode

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 07.04.2011

Forscher ebnen den Weg für elektronische Schaltungen aus Graphen

Graphen gilt wegen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten neuen Materialien. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben jetzt ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, Bauelemente aus Graphen mithilfe einer integrierten Elektrode gezielt anzusteuern – eine wichtige Voraussetzung für industrielle Anwendungen. Ihre Forschungsergebnisse haben Prof. Dr. Heiko Weber, Daniel Waldmann, Johannes Jobst, Dr. Michael Krieger vom Lehrstuhl für Angewandte Physik und Prof. Dr. Thomas Seyller und Florian Speck vom Lehrstuhl für Technische Physik jetzt in der renommierten Zeitschrift „nature materials“ publiziert (DOI: 10.1038/NMAT2988).

Graphen (mit der Betonung auf der zweiten Silbe) besteht aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die in einem aus Sechsecken zusammengesetzten Netzwerk so angeordnet sind, dass sie den ersten wahrhaft zweidimensionalen Festkörper bilden. Graphen begründet damit eine neue Klasse von Materialien. Seine Entdeckung im Jahre 2004 hat zu weltweiten Forschungsaktivitäten geführt, die nur mit denen anlässlich der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter vergleichbar sind. 2010 wurde die Entdeckung von Graphen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Die Begeisterung der Wissenschaftler für dieses neue Material nährt sich aus den für einen Festkörper völlig neuen elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften des Graphens. Diese revolutionären Eigenschaften stellen für den Forscher ein faszinierendes Labor neuer Physik dar, das es zu ergründen gilt; sie bergen aber auch ein ungeahntes Potenzial für Anwendungen, die von neuartigen Halbleiterbauelementen über chemische und biologische Sensoren bis zu Quanten-Computern reichen.

Um das große Potenzial von Graphen für elektronische Anwendungen nutzen zu können, ist die Schichtherstellung in hoher Qualität auf kristallinen Halbleiterscheiben – so genannten Wafern – sehr wichtig. Hier konnten Forscher der FAU einen bedeutenden Beitrag leisten: Prof. Dr. Thomas Seyller hat 2009 ein Verfahren entwickelt, mit dem Graphen in höchster Qualität auf Siliziumkarbid-Kristallen synthetisiert werden kann. Das Verfahren gilt in der Fachwelt als ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer graphenbasierten Elektronik. Seyller erhielt dafür 2010 den Walter-Schottky-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, den höchsten nationalen Preis für hervorragende Forschungsarbeiten zur Festkörperphysik.

Der nächste wichtige Schritt ist es, ausgehend von Graphen-Wafern Bauelemente herzustellen. Insbesondere gilt es, die Graphenschichten für elektronische Anwendungen ansteuerbar zu machen. Hier kommt das Trägermaterial ins Spiel: Siliziumkarbid ist ein Halbleiter, der durch geschickte Manipulation als integrierte Ansteuerelektrode verwendet werden kann. Das ist Professor Dr. Heiko Weber und seinem Team jetzt gelungen. Die FAU-Forscher haben nicht nur Musterbauelemente hergestellt, sondern konnten auch die physikalischen Effekte en détail erklären, die bei Verwendung einer solchen Elektrode auftreten können. Mit diesem Wissen ist es nun möglich, optimale integrierte Elektroden für Graphen für die verschiedensten Anwendungsbereiche maßzuschneidern. Der große Vorteil einer solchen Elektrode liegt auf der Hand: die Graphenschicht an der Oberfläche bleibt frei zugänglich. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten sowohl in der Forschung als auch in der Anwendung, z. B. für ultra-empfindliche Sensoren, die sogar einzelne Atome detektieren können.

An diesen und weiteren Fragestellungen arbeiten die Erlanger Forscher im Rahmen des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials“ an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Externer Link: www.uni-erlangen.de

IMPULLS testet Systeme und Sensoren für Flugzeuge

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Pressemitteilung der TU München vom 06.04.2011

Erstflug eines von Doktoranden der TU München entwickelten Testflugzeugs:

Eine Vielzahl von Sensoren und Systemen liefern modernen Flugzeugen die Daten für die Flugsteuerung. Aber auch für die Messung von Schadstoffen, die archäologische Forschung und sogar die Suche nach Vermissten bringt die Vogelperspektive große Vorteile. Doktoranden der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein unbemanntes Kleinstflugzeug entwickelt, das für eine Vielzahl solcher Aufgaben eingesetzt werden kann. Gestern hatte es seinen Erstflug.

Bei bestem Wetter absolvierte gestern ein neues Testflugzeug der TU München auf dem Flugfeld des MFC Red Baron bei Heimstetten erfolgreich seinen Erstflug. Das auf den Namen „IMPULLS“ (Innovative Modular Payload UAV – TUM LLS) getaufte Kleinstflugzeug dient dem Test von Sensoren und Systemen für die Luftfahrt. Entwickelt haben es Doktoranden der Lehrstühle für Luftfahrtsysteme und für Flugsystemdynamik in Garching. Angetrieben wird es emissionsfrei und leise durch einen kompakten Elektromotor.

Ein wesentliches Merkmal der neuartigen Konstruktion ist der modulare Aufbau. Mit wenig Aufwand können die Wissenschaftler so unterschiedlichste Systeme einbauen und unter Flugbedingungen testen. Dies gilt ebenso für die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit, denn die Wissenschaftler wollen mit IMPULLS auch erforschen, wie elektrische und hybride Antriebe in Flugzeugen eingesetzt werden können.

Ideal eignen sich automatisch fliegende, unbemannte Kleinstflugzeuge wie IMPULLS (engl. unmanned aerial vehicles, UAV) für Schadstoffmessungen in der Atmosphäre, für luftgestützte geographische Messungen oder Überwachung von Natur und Infrastruktur aus der Luft. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Informationsgewinnung in Not- und Gefahrensituationen. Entsprechend ausgerüstete unbemannte Flugzeuge ließen sich auch unter schwierigen Wetterbedingungen oder bei Gefährdungen einsetzen, denen man Piloten nicht aussetzen möchte.

„Dank der fortschreitenden Miniaturisierung und der steigenden Leistungsfähigkeit von Sensorik- und Avioniksystemen können wir mit IMPULLS die Grundlagen für solche Entwicklungen legen,“ sagt Professor Mirko Hornung, Inhaber des Lehrstuhls für Luftfahrtsysteme. Aber auch die Ableitung und das Verständnis entsprechender Geschäftsmodelle und Dienstleistungsangebote sind Fragestellungen, die mit IMPULLS als Plattform untersucht werden.

IMPULLS hat eine Spannweite von 5 Metern und ein Leergewicht von 20 Kilogramm. Angetrieben wird es von einem Elektromotor mit zwei Kilowatt Leistung. Bis zu 10 Kilogramm Zuladung kann das Kleinstflugzeug an Bord nehmen und damit bis zu 75 Minuten non-stop in der Luft bleiben. Ähnlich wie bei einem Verkehrsflugzeug sind bei IMPULLS die wesentlichen sicherheitskritischen Systeme redundant ausgelegt.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Keine Chance für Gammelfleisch

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2011

Bei verpacktem Fisch oder Fleisch ist es kaum möglich, zwischen frischer und bereits ungenießbarer Ware zu unterscheiden. Fraunhofer-Forscher haben eine Sensorfolie entwickelt, die in die Packung integriert wird und dort die Qualitätskontrolle übernimmt. Bei verdorbener Speise warnt sie durch einen Farbwechsel.

Ob der eingeschweißte Hähnchenschenkel wirklich noch frisch und genießbar ist? Ansehen kann man es ihm nicht. Auch das Mindesthaltbarkeitsdatum stellt keine Garantie da. Gammelfleischskandale haben den Verbraucher zusätzlich verunsichert, und auch der Kunde selbst verkürzt möglicherweise durch falsche Lagerung die Haltbarkeit. Eine Sensorfolie der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München kann hier unverzüglich grünes – nein: gelbes Licht geben oder bei verdorbener Ware warnen. Die EMFT hat sie in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelt.

Farbwechsel zeigt verdorbene Ware an

Die Sensorfolie wird in die Innenseite der Verpackung integriert und reagiert auf biogene Amine. Das sind Moleküle, die beim Zersetzungsprozess von Lebensmitteln, vor allem Fisch und Fleisch, entstehen. Sie sind auch für den unangenehmen Geruch verantwortlich. Gelangen diese nun in die Luft in der Verpackung, so reagiert der Indikatorfarbstoff der Sensorfolie mit ihnen und wechselt seine Farbe von gelb zu blau. »Ab einem bestimmten Konzentrationsbereich ist die Farbänderung deutlich zu erkennen und kann somit eine Warnfunktion übernehmen«, erläutert Dr. Anna Hezinger, Wissenschaftlerin an der EMFT. Das ist nicht nur interessant, um ungenießbare Produkte zu erkennen. Viele Menschen reagieren überempfindlich auf bestimmte Amine. Eine Warnung ist für sie umso wichtiger.

Sensorfolie sorgt für Lebensmittelsicherheit

»Die Information der Sensorfolie beruht im Gegensatz zum Mindesthaltbarkeitsdatum nicht auf einer Schätzung, sondern auf der tatsächlichen Kontrolle des Lebensmittels«, betont Hezinger. Gleichzeitig ist das System sehr kostengünstig. Das ist wichtig, damit es auch im großen Maßstab eingesetzt werden kann. Andere Lösungen, beispielsweise elektronische Sensoren, würden den Preis des abgepackten Fleisches zu stark erhöhen. Darüber hinaus müssen Dinge, die direkt mit Lebensmitteln in Kontakt kommen können, hohen Anforderungen genügen. »Die Lebensmittelsicherheit ist hier durch eine Sperrschicht zwischen Sensorfolie und Produkt gewährleistet. Diese Barriere lässt nur gasförmige Amine durch. Die Indikatorchemikalien können nicht passieren«, erläutert Hezinger.

Zusätzlich arbeiten die Wissenschaftler an einem Messmodul mit eingebauter Sensorfolie. Mitarbeiter der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie können damit die Ware direkt testen und die Frische bestimmen. Das Gerät wertet die Farbreaktion objektiv aus und liefert zudem ein genaueres Ergebnis als das menschliche Auge. Auch Farbzwischenstufen lassen sich so exakt bestimmen. Derzeit suchen Hezinger und ihr Team noch Industriepartner, um die Sensorfolie und das Messmodul weiter zu entwickeln und zu produzieren.

Externer Link: www.fraunhofer.de