Archiv des Monats: August 2012

Sonnenstrom bei Tag und Nacht

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.08.2012

KIT bändigt die Volatilität erneuerbarer Energien durch modernste Speichersysteme

Energiespeicher sind eine der Schlüsseltechnologien der Energiewende. Denn sie können das wechselnde Stromangebot von Photovoltaik und Windkraft mit dem Bedarf der Verbraucher in zeitliche Deckung bringen. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entstehen mehrere Pilotanlagen aus Solarzellen, Kleinwindanlagen, Lithium-Ionen-Batterien und Leistungselektronik, die zeigen, wie Lastspitzen im Stromnetz ausgeglichen werden können und wie in Zukunft die regenerative Inselnetz-Stromversorgung aussehen könnte.

„Hochleistungsbatterien auf Lithium-Ionen-Basis können schon heute sinnvoll im Stromnetz eingesetzt werden“, stellt Dr. Andreas Gutsch fest, Koordinator des Projekts Competence E. Als stationäre Speicher können sie Sonnen- oder Windstrom speichern bis er vom Netz abgerufen wird. „Richtig eingesetzt können Batterien also Last- und Produktionsspitzen in größerem Umfang ausgleichen und somit wirtschaftlich Sinn machen.“

Das Projekt Competence E entwickelt derzeit mehrere Pilotsysteme aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen mit gekoppelter Lithium-Ionen-Batterie. Im Rahmen der 2-jährigen Entwicklungsphase wurde ein weltweites Batterie-Screening durchgeführt. „Jetzt wissen wir, welche Lithium-Ionen-Zellen die besten für stationäre Speicher sind“, so Gutsch. Die erste Ausbaustufe der modularen Systeme wird bis Ende 2012 auf dem Gelände des Campus Nord des KIT errichtet und eine Systemleistung von 50 Kilowatt besitzen.

Ein neu entwickelter, getriebeloser Windgenerator, der besonders für Schwachwindgebiete geeignet ist, ergänzt die Stromerzeugung der Photovoltaikanlage vor allem in den Wintermonaten. Das Gesamtsystem der ersten Ausbaustufe kann den Strombedarf eines mittelständischen Gewerbebetriebs ganzjährig decken. Langfristig soll das gewonnene Knowhow dazu dienen, sowohl kleinere Speichersysteme für den Privathaushalt als auch größere Systeme für den Industriebedarf zu entwickeln.

Herzstück der stationären Energiespeicher ist neben der Batterie eine angepasste Leistungselektronik, die das Laden und Entladen der Batterie innerhalb von nur 2 Stunden ermöglicht. Somit kann der stationäre Speicher als Zwischenspeicher zum Spitzenlastausgleich eingesetzt werden: In Schwachlastzeiten erfolgt die Einspeisung der Sonnenenergie und des Windstroms in die Batterie, wohingegen zu Spitzenlastzeiten die Energie aus der Photovoltaikanlage, dem Windgenerator und der Batterie in das Netz eingespeist wird. Neben dem Lastmanagement ist die Nachtentladung von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung für Nutzer, denn dadurch kann der Eigenverbrauch an Photovoltaikstrom – erheblich gesteigert werden, wenn die Anlage etwa zur Versorgung eines Eigenheims oder einer Wohnanlage genutzt wird. Die Batterie wird nachmittags geladen und bei Dunkelheit bis zum nächsten Morgen entladen, um Elektrogeräte und Licht direkt vor Ort netzunabhängig zu betreiben.

„Das Zusammenspiel von Solarzellen, Windgenerator, Speichern und Netz zu regeln ist die zentrale Herausforderung“, erläutert Gutsch. Bei der Vielzahl der verschiedenen Betriebszustände muss die Systemsteuerung stets sicher und passgenau eingreifen. Nur so kann die Lebenserwartung und Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Batterien langfristig gewährleistet werden und damit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. „Nur mit einem detaillierten Batterie-Knowhow kann man so eine Anlage 24 Stunden am Tag und 365 Tage im Jahr steuern, sodass ein jahrzehntelanger wirtschaftlicher und verlässlicher Betrieb möglich wird“, stellt Gutsch klar. Nach den ersten Funktionstests werden zusammen mit der Industrie konkrete Anwendungssysteme in verschiedenen Leistungsklassen entstehen.

Trotz der hohen Kosten für Lithium-Ionen-Batterien kann sich diese Technologie bereits heute lohnen, vor allem in Regionen die keine stabilen Stromnetze haben. Kleinere und größere Inseln zum Beispiel werden oftmals noch durch Dieselgeneratoren versorgt. In Afrika und Indien sind ganze Landstriche ohne Elektrizität. Eine Photovoltaikanlage mit gekoppelter Lithium-Ionen-Batterie kann hier bei entsprechendem Systemdesign und Lastprofil profitabel eingesetzt werden. Bei weiter sinkenden Kosten für die Systemkomponenten werden wir auch in Deutschland „Battery Parity“ erreichen, so wie wir heute schon für den Privatkunden „Grid Parity“ bei Photovoltaikstrom haben. (kes)

Externer Link: www.kit.edu

Kontrollierte chemische Reaktionen mit einzelnen lokalisierten Molekülen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 07.08.2012

Forschern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, einen Ladungstransfer mit einzelnen lokalisierten Molekülen durchzuführen und zu analysieren. In Kombination mit Computersimulationen konnten sie aufzeigen, wie Energie im Verlauf einer chemischen Reaktion umgewandelt wird. Die Ergebnisse wurden als Titelthema im renommierten Fachjournal «Chemical Physics Letters» veröffentlicht.

Die Reaktivität einer chemischen Verbindung, also ihre Fähigkeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt zu werden, wird massgeblich durch ihren Energieinhalt beeinflusst. Dieser wiederum äussert sich in der Bewegung der Moleküle. So kann sich ein Molekül im Raum bewegen (Translation), drehen (Rotation) oder schwingen (Vibration). Gelingt es, die einzelnen Formen der molekularen Bewegung gezielt zu manipulieren, kann man ihren Einfluss auf die chemische Reaktivität untersuchen und ausnutzen. Diese absolute Kontrolle über Moleküle und ihre Reaktionen ist ein wichtiges Ziel in der Chemie.

Eine Kontrolle der Geschwindigkeit (Translationsenergie) gelingt durch eine extreme Abkühlung nahe an den absoluten Nullpunkt (ca. -273 °C). In den Experimenten am Departement Chemie der Universität Basel haben die Forscher im Ultrahochvakuum einzelne elektrisch geladene Moleküle im elektrischen Feld einer Ionenfalle festgehalten und durch den Kontakt mit lasergekühlten Calcium-Ionen in einem sogenannten Coulomb-Kristall fixiert.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Stefan Willitsch im Departement Chemie hat diese Methode verfeinert, indem sie die Vibrations- und Rotationsenergie der Molekülionen bereits vor der Abkühlung festgelegt hat und somit die wichtigsten Bewegungsformen der Moleküle präzise kontrollieren konnte. Die räumliche Fixierung der Teilchen steigerte die Empfindlichkeit des Experiments zusätzlich und ermöglichte die Untersuchung chemischer Prozesse mit einzelnen isolierten Molekülen.

Beim Ladungstransfer, den die Forscher untersucht haben, wird die positive Ladung von einem Stickstoffmolekül auf ein anderes übertragen. Diese Reaktion wurde in der Arbeitsgruppe Willitsch so umgesetzt, dass sie einen Strahl von N2-Molekülen mit lokalisierten N2+-Molekülionen jeweils definierter Energie kollidieren liess. Die Interpretation der Messergebnisse gelang mithilfe von Computersimulationen, welche die Gruppe von Prof. Markus Meuwly durchführte. Im Zusammenspiel von Theorie und Experiment konnten die Forscher erstmals detailliert zeigen, wie im Verlauf eines Ladungstransfers Translationsenergie in Rotationsenergie umgewandelt wird.

Die Forscher erhoffen sich von diesen hochpräzisen Experimenten ein tieferes Verständnis der chemischen Reaktivität, was letztlich zu einer besseren Kontrolle chemischer Reaktionen führen soll.

Originalbeitrag:
Xin Tong, Tibor Nagy, Juvenal Yosa Reyes, Matthias Germann, Markus Meuwly, Stefan Willitsch
State-selected ion-molecule reactions with Coulomb-crystallized molecular ions in traps
Chemical Physics Letters (2012), published online 27 June 2012 | doi: 10.1016/j.cplett.2012.06.042

Externer Link: www.unibas.ch

Abwasser als Pflanzendünger

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2012

Klärschlamm, Abwässer und Gülle sind wertvolle Quellen, aus denen sich Dünger für die Nahrungsmittelproduktion gewinnen lässt. Forscher haben jetzt ein chemikalienfreies und umweltschonendes Verfahren entwickelt, mit dem rückgewonnene Salze direkt zu Dünger umgesetzt werden.

Phosphor ist nicht nur für Pflanzen, sondern für alle Lebewesen wichtig. Doch das für die Nahrungsmittelproduktion unverzichtbare Element wird knapper. Ein Indiz dafür sind die stetig steigenden Preise für phosphathaltige Düngemittel. Höchste Zeit also, nach Alternativen zu suchen. Keine leichte Aufgabe – denn Phosphor lässt sich nicht durch einen anderen Stoff ersetzen. Eine Lösung haben Forscher vom FraunhoferInstitut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart gefunden. Sie nutzen hierzulande vorhandene Ressourcen – und die finden sich ausgerechnet in Abwässern von Klärwerken oder Gärresten von Biogasanlagen. Die vermeintliche Dreckbrühe lässt sich hervorragend wiederverwerten. Dafür haben die Wissenschaftler um Jennifer Bilbao, die am IGB die Gruppe für Nährstoffmanagement leitet, ein neues Verfahren entwickelt. »Dabei werden Nährstoffe so gefällt, dass sie direkt als Dünger zur Verfügung stehen«, sagt Jennifer Bilbao.

Mobile Pilotanlage für Tests

Kern der patentierten Methode, die die Experten derzeit in einer mobilen Pilotanlage erproben, ist ein elektrochemischer Prozess, mit dem per Elektrolyse Stickstoff und Phosphor als Magnesium-Ammonium-Phosphat – auch als Struvit bekannt – ausgefällt werden. Das Salz Struvit wird aus dem Prozesswasser in Form kleiner Kristalle ausgeschieden, womit es sich direkt als Pflanzendünger einsetzen lässt. Der Clou der Methode: Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren müssen die Forscher keine Salze oder Laugen zugeben. Bilbao: »Es handelt sich um einen komplett chemikalienfreien Prozess.«

In der mannshohen Elektrolysezelle der Versuchsanlage, durch die das Abwasser geleitet wird, befindet sich eine Opferanode aus Magnesium und eine metallische Kathode. Im Verlauf der Elektrolyse wird am negativ geladenen Pol, der Kathode, das Wasser aufgespalten. Dabei werden unter anderem Hydroxidionen gebildet. Am positiv geladenen Pol, der Anode, findet eine Oxidation statt: Magnesiumionen wandern durch das Wasser und reagieren dabei mit dem in der Lösung enthaltenen Phosphat und Ammonium zu Struvit.

Stromsparender, chemikalienfreier Prozess

Da die Magnesiumionen im Prozesswasser der Anlage besonders reaktionsfreudig sind, wird für dieses Verfahren sehr wenig Energie benötigt. Deshalb wird weniger Strom für die elektrochemische Aufspaltung gebraucht als bei üblichen Methoden. Bei allen bisher untersuchten Abwässern lag die erforderliche Leistung unter 70 Wattstunden pro Kubikmeter – ein äußerst niedriger Wert. Langzeitversuche zeigten zudem, dass die Phosphor-Konzentration im Reaktor der Pilotanlage um 99,7 Prozent auf unter 2 Milligramm pro Liter sinkt. Damit unterschritten die Forscher vom IGB den Grenzwert der Abwasserverordnung (AbwV) für Kläranlagen bis 100 000 Einwohner. »Kläranlagenbetreiber wären somit in der Lage, die Abwasserreinigung mit der lukrativen Düngemittelproduktion zu verbinden«, benennt Bilbao den entscheidenden Vorteil. Das Produkt Struvit ist für die Landwirtschaft attraktiv, da es als hochwertiges Düngemittel gilt, das Nährstoffe langsam freisetzt. Wachstumsexperimente der Fraunhofer-Forscher bestätigten die Wirksamkeit: Ertrag und Nährstoffaufnahme der Pflanzen waren mit Struvit bis zu viermal höher als mit kommerziellen Mineraldüngern.

In den nächsten Monaten wollen die Experten die mobile Pilotanlage in verschiedenen Kläranlagen testen, bevor sie sie gemeinsam mit Industriepartnern Anfang nächsten Jahres auf den Markt bringen. »Unser Verfahren eignet sich übrigens auch für die Lebensmittelindustrie und die landwirtschaftliche Biogasproduktion«, so Bilbao. Einzige Bedingung: Deren Prozesswässer müssen reich an Ammonium und Phosphat sein.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Neue Ergebnisse in der Quantenphysik: Zugang zur Quantentechnologie wird einfacher

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Pressemeldung der Universität Wien vom 06.08.2012

In Rahmen einer internationalen Kooperation sind PhysikerInnen der Universität Wien robusteren Quantentechnologien einen weiteren Schritt näher gekommen: Sie haben gezeigt, dass für essenzielle Operationen in der Quanten- informationsverarbeitung weniger empfindliche Ressourcen verwendet werden können. „Die von uns gezeigten Quanteneffekte können zur Entwicklung verbesserter Informations- oder Computersysteme beitragen“, so der Quantenphysiker der Universität Wien Philip Walther. In einem in „Nature Physics“ publizierten Experiment demonstrieren die WissenschafterInnen, dass die für zukunftsträchtige Quantentechnologien wesentliche Fern-Herstellung von Quantenzuständen auch ohne Verschränkung möglich ist.

Eine wesentliche Eigenschaft in der Quantenphysik ist, dass zwei oder mehrere Quantenteilchen stärker als klassisch möglich miteinander verbunden, d.h. korreliert, sein können – wie im Falle von Verschränkung. Bereits Erwin Schrödinger – einer der Gründer der heutigen Quantentheorie und österreichischer Nobelpreisträger – hat erkannt, dass die Beeinflussung eines Teilchens durch eine Messung von außen auch den Zustand des mit ihm verschränkten Teilchens verändert. Dabei ist es irrelevant, wie weit die beiden verschränkten Teilchen voneinander entfernt sind. Dies ermöglicht die gezielte Fern-Herstellung von Quantenzuständen und dient einer Reihe von Anwendungen wie der Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und der Quantencomputer.

Quanten-Discord als Ressource

Üblicherweise wird der Grad der Verschränkung zweier Teilchen gleich gesetzt mit der unmittelbaren Nützlichkeit für quantentechnologische Anwendungen. Stark verschränkte Systeme reagieren sehr sensibel auf äußere Einflüsse und sind schwer herzustellen. Forschungsteams um die Quantenphysiker der Universität Wien Caslav Brukner und Philip Walther haben gezeigt, dass für eine erfolgreiche Fern-Herstellung eines Quantenzustandes nicht Verschränkung, sondern eine andere robustere Korreliertheit, der so genannte Quanten-Discord, als Ressource ausreicht. Dieses noch weitgehend unverstandene Maß gibt an, wie stark ein System gestört wird, wenn ein Beobachter seine Eigenschaften misst.

Fern-Herstellung von Quantenzuständen

Mit Hilfe von quantenmechanisch präparierten Photonenpaaren haben die ForscherInnen die Fern-Herstellung von Quantenzuständen untersucht. „Durch die Messung des Polarisationszustandes eines Photons können wir den Zustand des dazugehörigen Partnerphotons fern-herstellen“, erklärt Philip Walther. „Im Experiment haben wir beobachtet, wie sich das Variieren des Quanten-Discords auf die Qualität unseres fern-hergestellten Zustands auswirkt.“ Dabei konnte das Forschungsteam demonstrieren, dass die Fern-Herstellung von Quantenzuständen sogar ohne Verschränkung möglich ist, sofern im System Quanten-Discord vorliegt. Diese Erkenntnis ist für die Entwicklung von zukünftigen Quantentechnologien vielversprechend: In Zukunft könnten nicht verschränkte robustere Quantensysteme als Ressource herangezogen werden, was den Zugang zur Quantentechnik erheblich erleichtern würde.

Das Projekt ist eine Kollaboration von ForscherInnen der Fakultät für Physik der Universität Wien, des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, des Centre for Quantum Technologies of the National University of Singapore und der University of Oxford.

Publikation:
„Quantum discord as resource for remote state preparation“: Borivoje Dakic, Yannick-Ole Lipp, Xiaosong Ma, Martin Ringbauer, Sebastian Kropatschek, Stefanie Barz, Tomasz Paterek, Vlatko Vedral, Anton Zeilinger, Caslav Brukner, Philip Walther
(Nature Physics 2012)
DOI: 10.1038/NPHYS2377

Externer Link: www.univie.ac.at

Neues Fertigungsverfahren für kostengünstigere Endoprothesen

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 23.07.2012

Keramische Implantate für Jedermann

Wenn Politiker, wie zuletzt Gesundheitsminister Daniel Bahr, laut darüber nachdenken, den Einsatz künstlicher Hüft- oder Kniegelenke aus Kosten-/Nutzenabwägungen für bestimmte Bevölkerungsgruppen künftig zu begrenzen, folgt das Dementi meist auf dem Fuß. Dennoch ist es von großer gesellschaftlicher Bedeutung, die Kosten für dauerhafte Implantate wie etwa Gelenkprothesen/Endoprothesen zu senken, wenn die Versorgung in Deutschland gesichert und Endoprothesen auch in Entwicklungs- und Schwellenländern erschwinglich werden sollen. Wissenschaftler des Instituts für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) der Universität Stuttgart arbeiten an einer neuen Technologie auf Basis des keramischen Spritzgießens, mit der die Herstellkosten solcher Implantate deutlich gesenkt werden können.

Herkömmlich werden bei Hüft- und Knieoperationen routinemäßig Implantate aus Spezialstahl und einem Kunststoffgegenkörper aus Niederdruck-Polyethylen (NDPE) eingesetzt. Diese sind zwar vergleichsweise kostengünstig, ihre Gebrauchsdauer ist jedoch je nach Belastung auf zehn bis 15 Jahre begrenzt. Deutlich langlebiger sind keramische Implantate, deren überlegene Werkstoffeigenschaften eine Reduktion des Verschleißes und eine bessere Biokompatibilität (Verträglichkeit) gewährleisten, wodurch Entzündungen im Gewebe vermindert und die Implantatlockerung verlangsamt werden. Zudem wachsen sie schneller ein und die Patienten kommen nach einer Operation rasch wieder auf die Beine. Ihr Nachteil: Die Herstellung und Endbearbeitung der spiegelglatt geschliffenen, harten und zähen Keramik erfordert eine Vielzahl an Arbeitsschritten und ist dementsprechend teuer. Dieser Problematik hat sich Mohammed Abou El-Ezz am Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering Stuttgart (GSaME) angenommen. Der 26-jährige Absolvent der German University of Cairo (GUC) versucht, durch einen deutlich preiswerteren Fertigungsweg Keramikimplantate einem größeren und weniger vermögenden Patientenkreis zugänglich zu machen. Die Arbeit wird durch die Hans-Böckler-Stiftung finanziert und durch Institutsleiter Prof. Rainer Gadow sowie den Leiter der Abteilung Hochleistungskeramiken, Dr. Frank Kern, betreut.

Grundlegend neuer Ansatz

Um die erforderlichen hohen Qualitäten implantatkeramischer Produkte mit den Kostenzielen für einen breiteren Markt in Einklang zu bringen, wählen die Wissenschaftler einen grundlegend neuen Ansatz entlang der gesamten Prozesskette von der Rohstoffkonditionierung über das Formgebungsverfahren bis zur Endbearbeitung. Ihr Ziel ist es, durch die Anwendung des keramischen Spritzgießens (CIM) Implantate in einer Geometrie herzustellen, die der Endkontur schon sehr nahe kommt. Dieses in der Fachsprache als „Net-shape-Formgebung“ bezeichnete Konzept in Verbindung mit dem CIM-Verfahren macht es möglich, die Taktzeit sowie die kostspielige Nacharbeit erheblich zu reduzieren. Allerdings erfordert das Verfahren einen höheren Anteil an Bindemittel und Hilfsstoffen, wodurch sich die Wärmebehandlung und die chemische Technik komplizierter gestalten. Im Rahmen des Projektes wurden zunächst hochfeste und zähe Mischoxidkeramiken entwickelt, die für die Spritzgießtechnik geeignet sind: Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Nanokomposite (ZTA: zirconia toughened alumina). Hinter der Abkürzung verbergen sich keramische Hochleistungswerkstoffe für biomedizinische Anwendungen, die eine hohe Festigkeit, Biokompatibilität und Härte besitzen. Dadurch sind sie metallischen Werkstoffen in orthopädischen Anwendungen überlegen. Die üblichen Nachteile der Keramiken, insbesondere die Sprödbruchanfälligkeit, können durch Verstärkungsmechanismen auf der mikroskopischen Ebene des Werkstoffgefüges vermieden werden, welche zu einer Steigerung der Bruchzähigkeit, Härte und Dauerfestigkeit führen. Auf der Basis detaillierter Analysen der Bauteilgefüge und der Versagenskriterien sollen die Prozesse und Materialien schließlich so optimiert werden, dass man preiswerte Implantate von hoher Zuverlässigkeit in großen Stückzahlen herstellen kann.

Erste Versuche sind vielversprechend

Bereits im Frühjahr wurden am IFKB erste spritzgegossene Hüftgelenksimplantate aus ZTA-Verbundkeramik hergestellt, wobei eine Spritzgußform zum Einsatz kam, die das deutsch-ägyptische Unternehmen HBW Gubesch Egypt in Kairo im Rahmen eines Technologietransferprojektes konstruiert und gefertigt hat. „Die Ergebnisse sind vielversprechend und lassen hoffen, dass diese neue Prozessroute für keramische Implantate dazu beitragen kann, die unmittelbaren Herstellkosten dieser Produkte um bis zu 30 Prozent zu senken“, freuen sich Mohammed Abou El-Ezz und sein Doktorvater Prof. Gadow. „Wir gehen davon aus, dass sich dadurch der Kreis der Patientengruppen, die von dieser modernen Werkstofftechnologie in der Medizintechnik profitieren, in der Zukunft erheblich erweitert.“ Durch die Erhöhung der Lebensdauer der Prothesen steigt nicht nur die Lebensqualität der einzelnen Betroffenen. Auch die Gesundheitskosten werden real gesenkt, da weniger Ersatzoperationen und Nachsorgemaßnahmen notwendig werden. Bei einer demografischen Entwicklung mit einer steigenden Anzahl alter Menschen ist dies von erheblichem gesellschaftlichem Interesse, was die Bedeutung von Forschung und Entwicklung vom Werkstoff bis zur industriellen Fertigungstechnik nicht nur für den Standort Baden-Württemberg unterstreicht.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de