Terahertz-Strahl bricht Rekorde

Presseaussendung der TU Wien vom 20.01.2020

An der TU Wien wurde eine neue, extrem effiziente Quelle von Terahertz-Strahlung entwickelt: Laser machen die Luft zum Plasma, dabei entsteht Strahlung mit vielen Einsatzmöglichkeiten.

Terahertz-Strahlen verwendet man bei den Sicherheitschecks am Flughafen, für medizinische Untersuchungen oder auch für Qualitätskontrollen in der Industrie. Allerdings ist Strahlung im Terahertz-Bereich extrem schwer zu erzeugen. An der TU Wien ist es nun gelungen, eine Terahertz-Strahlungsquelle zu entwickeln, die gleich mehrere Rekorde bricht: Sie ist extrem effizient, ihr Spektrum ist sehr breit – sie erzeugt unterschiedliche Wellenlängen aus dem gesamten Terahertz-Bereich. Dadurch ermöglicht sie auch die Herstellung kurzer Strahlungspulse mit sehr hoher Strahlungsintensität. Die neue Terahertz-Technologie wurde nun im Fachjournal Nature Communications präsentiert.

Die „Terahertz-Lücke“ zwischen gewöhnlichen Lasern und Antennen

„Terahertz-Strahlung hat sehr nützliche Eigenschaften“, sagt Claudia Gollner vom Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien). „Sie kann viele Materialien problemlos durchdringen, ist aber im Gegensatz zur Röntgenstrahlung unbedenklich, weil es sich nicht um ionisierende Strahlung handelt.“

Technisch gesehen befindet sich die Terahertz-Strahlung allerdings gerade im schwer zugänglichen Niemandsland zwischen zwei wohlbekannten Gebieten: Strahlung mit höherer Frequenz kann man mit Hilfe von gewöhnlichen Festkörper-Lasern erzeugen. Strahlung mit niedriger Frequenz, wie wir sie etwa für den Mobilfunk verwenden, wird von Antennen abgestrahlt. Genau dazwischen, im Terahertz-Bereich, liegen die größten Herausforderungen.

In den Laserlabors der TU Wien muss daher einiges an Aufwand betrieben werden, um die gewünschten hochintensiven Terahertz-Strahlungspulse zu erzeugen. „Unser Ausgangspunkt ist die Strahlung eines Infrarot-Lasersystems. Es wurde bei uns am Institut für Photonik entwickelt und ist in seiner Form einzigartig auf der Welt“, sagt Claudia Gollner. Zunächst wird das Laserlicht durch ein sogenanntes „nichtlineares Medium“ geschickt. In diesem Material wird die Infrarot-Strahlung verändert, ein Teil davon wird in Strahlung mit doppelt so hoher Frequenz umgewandelt.

„Nun haben wir also zwei verschiedene Arten von Infrarot-Strahlung. Diese beiden Strahlungsanteile werden dann miteinander überlagert. So entsteht eine Welle, deren elektrisches Feld eine ganz bestimmte asymmetrische Form aufweist“, erklärt Gollner.

Ein Plasma aus heißer Luft

Diese elektromagnetische Welle ist intensiv genug, um Elektronen aus den Molekülen der Luft herauszureißen. Die Luft verwandelt sich in ein glühendes Plasma. Durch die spezielle Form der Infrarot-Welle werden die Elektronen dann so beschleunigt, dass dabei die gewünschte Terahertz-Strahlung entsteht.

„Unsere Methode ist extrem effizient: 2,3 % der zugeführten Energie wird in Terahertz-Strahlung umgewandelt – das ist um Größenordnungen mehr als man mit anderen Methoden erreicht. Das  führt zu außergewöhnlich hohen Terahertz-Energien von beinahe 200 µJ“, sagt Claudia Gollner. Ein weiterer wichtiger Vorteil der neuen Methode ist, dass ein sehr breites Spektrum an Terahertz-Strahlung erzeugt wird. Ganz unterschiedliche Wellenlängen aus dem Terahertz-Bereich werden gleichzeitig emittiert. Dadurch entstehen extrem intensive kurze Strahlungspulse. Je größer das Spektrum unterschiedlicher Terahertz-Wellenlängen, umso kürzere und intensivere Pulse lassen sich generieren.

Große Hoffnung auf zahlreiche Anwendungen

„Damit steht nun erstmals eine Terahertz-Quelle für extrem hohe Strahlungsintensitäten zur Verfügung“, sagt Andrius Baltuska, der Leiter der Forschungsgruppe an der TU Wien. „Erste Experimente mit Zink-Tellurid-Kristallen zeigen bereits, dass sich die Terahertz-Strahlung ausgezeichnet eignet, um materialwissenschaftliche Fragen auf ganz neue Weise zu untersuchen. Wir sind überzeugt davon, dass diese Methode eine große Zukunft hat.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Koulouklidis et al., Observation of extremely efficient terahertz generation from mid-infrared two-color laser filaments, Nature Communications 11, 292 (2020).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Dünger aus Klärschlamm

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.01.2020

Ab 2032 müssen große Kläranlagen Phosphate aus dem Klärschlamm, bzw. der Asche zurückgewinnen – das besagt die neue Abfall- und Klärschlammverordnung. Bisherige Technologien dazu sind jedoch chemikalien- und kostenintensiv. Eine neue Technologie bietet nun eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Alternative. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher zeichnen für die Aufskalierung des Verfahrens verantwortlich.

Hobbygärtner dürften es kennen: Ohne Düngemittel gedeihen Blumen, Kohlrabi, Tomaten und Co. nur mäßig. Landwirte setzen beim Düngen vor allem auf phosphathaltige Präparate, schließlich ist Phosphor ein elementarer Bestandteil allen Lebens und wird auch von Pflanzen dringend benötigt. Was die Lieferkette von Phosphor angeht, existiert jedoch ein Nadelöhr – 75 Prozent der Phosphatlagerstätten liegen in Marokko und der westlichen Sahara. Wie kritisch das werden kann, zeigte sich in den Jahren 2008 und 2009: Durch Lieferengpässe und Spekulationen an den Rohstoffmärkten stieg der Phosphorpreis um 800 Prozent. Die Europäische Kommission nahm Phosphor daher in die Liste der 20 kritischen Rohstoffe auf. Auch die Bundesregierung reagierte: Ab 2023 müssen Betreiber großer Kläranlagen ein Konzept vorlegen, wie der Phosphor zurückzugewinnen ist. Zwar kann die Klärschlammasche auch direkt auf die Felder ausgebracht werden, allerdings können die Pflanzen den darin enthaltenen Phosphor nicht in nennenswertem Maße verwerten. Dazu kommt: Die Asche enthält auch Schadstoffe wie Schwermetalle, die nicht auf den Acker gelangen sollten. Zwar gibt es bereits erste Ansätze, den Phosphor über nasschemische Verfahren aus der Klärschlammasche zurückzugewinnen. Jedoch sind hierfür große Mengen an Chemikalien nötig.

Phosphor rückgewinnen: Kostengünstig, pflanzenverfügbar und umweltschonend

Einen alternativen Ansatz verfolgt die P-bac Technologie, die Experten der Firma Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & Co. KG entwickelt und im Projekt »Phosphorrecycling – vom Rezyklat zum intelligenten langzeitverfügbaren Düngemittel – PRil« gemeinsam mit der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau,und der ICL Fertilizers Deutschland GmbH vom Labormaßstab in den Technikumsmaßstab übertragen haben. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

»Wir haben die Aufskalierung des Verfahrens im Bereich der Prozesswasserrezyklierung sowie der Reststoffverwertung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Analytik begleitet«, erläutert Dr. Lars Zeggel, Projektleiter am Fraunhofer IWKS. »Der Phosphor, den wir über das neuartige Verfahren aus der Asche zurückgewinnen, hat eine Pflanzenverfügbarkeit von 50 Prozent, bezogen auf einen wasserlöslichen Phosphatdünger. Zum Vergleich: Das Phosphat in der reinen Klärschlammasche ist nahezu gar nicht pflanzenverfügbar.« Zudem ist das enthaltene Substrat weitgehend schadstofffrei, die relevanten Schadstoffe können um mehr als 90 Prozent reduziert werden. Auch was die Kosten angeht, kann sich das Düngemittel aus recyceltem Klärschlamm sehen lassen, wie eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Fraunhofer IWKS ergab: Etwa zwei Euro pro Kilogramm kostet das so hergestellte Phosphat, während der Preis bei der Herstellung über nasschemische Verfahren bei mindestens vier bis sechs Euro pro Kilogramm liegt. Zwar ist der Phosphor aus recycelten Quellen bislang noch teurer als der primäre Phosphor aus Marokko, der bei 70 Cent pro Kilogramm P2O5 liegt. Doch enthält der primäre Phosphor im Gegensatz zum recycelten zunehmend Schadstoffe wie Cadmium und Uran.

Bakterien machen es möglich

Das Verfahren, mit dem der Phosphor aus dem Klärschlamm zurückgewonnen wird, hat die Firma Fritzmeier entwickelt. Der Clou: Statt Chemikalien wie Schwefelsäure zur Klärschlammasche zu geben, überlassen die Experten Bakterien das Feld. Diese nehmen Kohlenstoffdioxid aus der Luft auf – schaffen somit also einen weiteren Vorteil – und stellen unter Zugabe von elementarem Schwefel selbst Schwefelsäure her, mit dem sie den Phosphor aus der Asche lösen. Andere Bakterien nehmen den Phosphor unter geschickt gewählten Lebensbedingungen auf, reichern ihn an und geben ihn unter anderen Lebensbedingungen wieder ab: Es fällt festes Eisenphosphat aus, das von der Laugungslösung abgetrennt werden kann.

Die Forscher des Fraunhofer IWKS widmeten sich unter anderem dem Prozesswasser. »Um ein Liter Klärschlammasche zu rezyklieren, sind etwa zehn Liter Prozesswasser nötig«, sagt Zeggel. Nach der Abtrennung des Phosphats lässt es sich direkt für die erneute Vermehrung der Bakterien verwenden, und muss erst nach einigen Zyklen entsalzt werden. »Wir haben die Membranfiltration soweit anpassen können, dass wir 98 Prozent des eingesetzten Sulfats – also den Schwefel – aus dem Wasser entfernen und letztendlich 75 Prozent des Prozesswassers im Kreis führen können«, fasst Zeggel zusammen. Damit reduziert sich die Menge des zu entsorgenden Prozesswassers erheblich und führt zu hohen Einsparungen an Energie. Das Verfahren ist somit nicht nur sehr umweltschonend, sondern es fällt auch ein großer Kostenfaktor weg. Denn die Energie, die zum Verdampfen des Wassers aufgewendet werden müsste, ist einer der größten Kostentreiber. Mit der Membranfiltration konnte das Forscherteam die Betriebskosten erheblich senken. Das Gesamtverfahren ist bereits im Hundert-Liter-Maßstab einsatzbereit.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Agrarroboter mit Künstlicher Intelligenz

Pressemitteilung der OTH Regensburg vom 07.01.2020

An der OTH Regensburg schrauben Studierende an einem intelligenten Roboter, der ohne Glyphosat und für den Preis eines neuen Handys, Bio-Felder von Unkraut befreien soll.

Die Sonne brennt auf die schattenlose Weite, ein scharfer Wind schneidet über die Hügel. Unermüdlich surrt und knattert ein kleiner Roboter zwischen jungen Feldpflanzen umher und scannt mit zwei kleinen Kameraaugen die Umgebung. Immer, wenn die Künstliche Intelligenz (KI) in seiner Platine Unkraut erkennt, fährt ein Stecharm in den Boden und rupft wucherndes Unkraut aus der Erde. Keine tausend Kilogramm wiegt er und keinen Tropfen Glyphosat muss er dabei verteilen. Es ist eine Vision von smarter Landwirtschaft, die weit entfernt wirkt. Doch an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg (OTH Regensburg) gibt es einen Idealisten, der seit einem Jahr an genau dieser Vision bastelt. Prof. Dr. Hermann Ketterl, Fakultät Maschinenbau, entwickelt mit seinen Studierenden einen kleinen Agrarroboter mit künstlicher Intelligenz, der nicht nur Biobauern eine Freude sein soll, sondern auch flexibel und vor allem erschwinglich.

Noch ganz am Anfang

„Seit das mit Glyphosat ein Thema ist, sind viele motiviert, in diese Richtung zu gehen,“ erzählt Prof. Dr. Ketterl, während er zwischen dutzenden „wilden“ Erfindungen im Labor für Mess- und Steuerungstechnik steht. Erst vor einem Jahr startete das erste Agrartechnik-Projekt seines Labors überhaupt. Heute sind schon rund zehn Studierende dabei und einige Masterarbeiten in vollem Gange. Prof. Dr. Ketterl hatte schon Jahre zuvor das Thema angestoßen, hat er doch selbst ein paar Hektar Bioland mit zwei Kühen in Niederbayern. Mit dem Studenten Michael Engel startete es schließlich durch. Engel forscht an einem Konzept zur Reihenerkennung in Getreidefeldern. Im Sommersemester 2019 startete schließlich das Projekt „Agrarroboter“. Für den Anfang der großen Vision soll es erst einmal darum gehen, Futterrüben von Melden zu unterscheiden, einem hartnäckigen Fuchsschwanzgewächs, das vielen Bauern auf die Nerven geht.

Günstige Alternative

Ziel wäre eine kleine Maschine, die sich vor allem auch kleine Biobetriebe leisten können. Die Bauteile sind deshalb günstig, zwei Motoren für je 50 Euro und ein „Raspberry Pi“-Rechner für nochmal 50 Euro. Bislang liegt der Prototyp bei 300 Euro, am Ende sollte er inklusive GPS-Modul, Ladestation und einer schicken Hülle bei unter 1.000 Euro liegen. Auch im Stromverbrauch soll er sehr sparsam sein.

Damit ist die Maschine ein Gegenentwurf zu dem, was bislang auf dem Markt ist. Denn natürlich sind die Regensburger weit davon entfernt, die Ersten zu sein, mit der Idee eines intelligenten Unkraut-Vernichters. Viele technische Universitäten arbeiten bereits an dem Thema. Und auf den Feldern fahren bereits erste Hackgeräte herum. Diese sind jedoch für Großbauern angelegt, müssen noch von einem großen Diesel-Traktor gezogen werden und kosten einen sechsstelligen Betrag. An der OTH Regensburg forschen die Studierenden auf eigene Faust, ohne Zusammenarbeit mit Privatfirmen. „Industrielle Interessen sind da oft andere,“ weiß Prof. Dr. Ketterl, „die haben wenig Interesse an Low-Cost-Alternativen.“

Realistische Ziele

Außerdem, und das will der Professor noch ausdrücklich betonen, ist der Agrarroboter in erster Linie ein Lehrforschungsprojekt. Es geht um die Ausbildung künftiger Ingenieure, die vielleicht in der Zukunft die Agrarwirtschaft verändern werden. Und nicht um den Bau eines marktreifen Produkts innerhalb weniger Monate. Und schon gar nicht um den Bau eines perfekten Roboters, der 100 Prozent des Unkrauts erkennt und sich nie mal irgendwo festfährt. Das ist für den Preis auch nicht möglich. Dennoch geht die Arbeit an der Optimierung des Roboters stetig weiter. Der erste ferngesteuerte Prototyp fährt mit seinen wackeligen Test-Reifen seit wenigen Wochen und auch der mechanische Hackarm ist bereits montiert.

Im kommenden Semester arbeiten Studierende wie der Masterand Clemens Hölscher an der GPS-Positionierung. Masterand Michael Dier will bis dahin die Abstandsermittlung mittels Triangulation mit den beiden Kameras optimiert haben. Und noch in diesem Frühherbst soll ein 50 Quadratmeter großes Testfeld zwischen den Testanlagen für Erneuerbare Energien entstehen. „Dann kann man das mal richtig testen,“ freut sich Prof. Dr. Ketterl bereits, „wenn‘s mal geregnet hat und er verschlammt, wenn Dreckbatzen auf der Linse sind, dann wird‘s erst spannend.“

Externer Link: www.oth-regensburg.de

Ein erfolgreiches Jahr für ETH-Spin-offs

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 06.01.2020

Im Jahr 2019 wurden an der ETH Zürich 30 neue Spin-offs gegründet. Das Klimajahr widerspiegelt sich auch in den Neugründungen: Auffällig viele der neuen ETH-Spin-offs entwickeln nachhaltige Materialien.

Die ETH Zürich blickt auf ein sehr erfolgreiches Spin-off-Jahr zurück und kann die Anzahl der Gründungen vom Vorjahr erneut ausbauen: 30 neue Firmen wurden 2019 von ETH-Forschenden gegründet. Zudem beweisen die hohen Investitionen in ETH-Spin-offs deren Attraktivität. So erzielte die Firma GetYourGuide als erster ETH-Spin-off noch vor einem Börsengang über eine Milliarde Marktwert. Auch in diesem Jahr stammen viele Neugründungen aus dem Bereich Informatik und Kommunikationstechnologie. Besonders zugelegt hat der Bereich neue Materialien. Sechs der neuen Spin-offs fokussieren auf nachhaltige und ökologische Materialien.

Umweltfreundliche Membran und Isolation aus Industrieabfällen

Obwohl sich die Spin-offs mit sehr unterschiedlichen Materialien befassen, ist ihnen eines gemeinsam: Ihre Produkte sollen die Umwelt schonen. FenX verwandelt Industrieabfall in einen porösen Schaum, der sich zur Gebäudeisolation eignet. Im Gegensatz zu anderen nachhaltigen Dämmstoffen ist dieser nicht brennbar und günstig herzustellen. Auch ETH-Spin-off Neustark verwendet Altes, um Neues zu schaffen und hat sich zum Ziel gesetzt, Beton kostengünstig zu recyceln. So können die CO2-Emissionen, die bei der Herstellung von Zement immens sind, deutlich reduziert werden. Der Spin-off Dimpora hingegen entwickelt eine umweltfreundliche Membran für Outdoor-Jacken, die ohne Fluorverbindungen auskommt, aber gleich atmungsaktiv ist wie herkömmliche Membranen.

Weiteres Wachstum im Spin-off-Bereich

Detlef Günther, Vizepräsident Forschung und Wirtschaftsbeziehungen, freut sich über die vielen Spin-off-Gründungen. «Viele haben mich in den letzten Jahren darauf angesprochen, dass die ETH doch mehr Firmen gründen könnte. Meine Antwort war immer die gleiche: Wenn die richtigen Ideen da sind, werden unsere Forschenden das Risiko nicht scheuen.» Für die ETH sei es wichtig, dass aus guten Technologien und Ideen aus der Grundlagenforschung Firmen mit Wachstumspotenzial entstehen und somit neue Arbeitsplätze geschaffen würden. Langfristig am Markt zu bestehen, sei dabei eine Herausforderung und berge ein grosses Risiko für die Firmengründerinnen und -gründer. «An der ETH Zürich haben sie aber gute Startmöglichkeiten, da es ein zentrales Anliegen der Hochschule ist, Innovationen schnell in die Gesellschaft zu tragen», so Günther.

So viele Investitionen wie noch nie

Erfreulich hat sich im vergangenen Jahr auch das gesamte Investitionsvolumen in ETH-Spin-offs entwickelt. Rund 630 Millionen Schweizer Franken wurden in ETH-Spin-offs investiert – ein Investitionsvolumen in dieser Grössenordnung gab es vorher noch nicht. Zwar sticht GetYourGuide heraus, aber auch viele weitere Spin-offs konnten letztes Jahr grosse Finanzierungsrunden vermelden. So wurde etwa in Nexxiot 50 Millionen Schweizer Franken und in Beekeeper 45 Millionen US-Dollar investiert. Der 2019 gegründete ETH-Spin-off Planted Foods, der aus Erbsen einen Fleischersatz herstellt, konnte eine erste Finanzierungsrunde von 7 Millionen Schweizer Franken abschliessen.

Externer Link: www.ethz.ch