Neue Prüfanlage: Wie kalt darf Kraftstoff für Dieselmotoren werden?

Presseaussendung der TU Wien vom 22.11.2022

Bei extremer Kälte können Kraftstoffe nicht mehr verwendet werden – aber wie misst man die mögliche Minimaltemperatur? An der TU Wien wurde dafür nun eine Prüfanlage entwickelt.

Wenn es zu kalt wird, springt das Auto nicht mehr an. Bestimmte Bestandteile von Kraftstoffen können bei niedrigen Temperaturen ausfallen, der Kraftstoff wird trüb und lässt sich nicht mehr nutzen. Besonders Paraffine in den Treibstoffen können bei großer Kälte kleine Flocken bilden.

Das ist zwar schon lange bekannt – doch bisher gab es keine einheitliche Untersuchungsmethode, mit der man im realen Betrieb der Kältebeständigkeit von Treibstoffen mit wissenschaftlicher Präzision auf den Grund gehen kann. Die TU Wien hat daher nun zusammen mit Partnerunternehmen aus Forschung und Industrie einen klimatisierten Prüfstand entwickelt, mit der sich nun Kraftstoffe zusammen mit Tank- und Leitungssystem zuverlässig auf Wintertauglichkeit überprüfen lassen. Der Prüfstand ist für unterschiedlichste Arten von Treibstoff geeignet – von gewöhnlichem Diesel, über Diesel aus recyceltem Speiseöl bis zu E-Fuels oder speziellen neuen Flugzeugtreibstoffen auf Basis von Bioabfällen.

Bisher keine einfache, einheitliche Testmethode

Dass ein neuer, zuverlässiger Prüfstand für Kraftstoffe nötig ist, stellte sich bereits im Rahmen eines anderen Projekts heraus: Die Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für nachhaltige Energieträger, Mobilität und Kohlenstoffkreisläufe (DGMK) untersuchte gemeinsam mit verschiedenen Automobilfirmen und Kraftstoffherstellern den Einfluss des Kraftstoffs und der Fahrzeugtechnologie auf die Winterfestigkeit aktueller Dieselfahrzeuge.

„Dabei zeigte sich, dass die unterschiedlichen Projekt-Teams in ihren Häusern ganz unterschiedliche Testanlagen für die Untersuchung von Kraftstoffen betreiben“, sagt Prof. Bernhard Geringer vom Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien. „Die Tests sind nicht alle gleich realitätsnah und führen somit auch nicht zu denselben Ergebnissen. So wurde die Wichtigkeit erkannt, einen einheitlichen Prüfstand und ein einheitliches Prozedere zu entwickeln.“

An der TU Wien wurde nun ein passendes Testsystem entwickelt und aufgebaut: Es ist klimatisiert und kann auf eine Temperatur von bis zu -45 °C abgekühlt werden. Die Anlage enthält den für die Bewertung der Winterfestigkeit entscheidenden Teil des Fahrzeugs, nämlich das Niederdruck-Kraftstoffsystem. „Wir haben unterschiedlichste Versuchskraftstoffe getestet und die Temperaturen, Drücke und Durchflüsse im Kraftstoffsystem gemessen“, erklärt Bernhard Geringer. Wird der Test bestanden, wird ein weiterer Test bei tieferer Temperatur durchgeführt. Die tiefste Temperatur mit positivem Testergebnis gilt als Betriebsgrenze für den Kraftstoff.

Reproduzierbar und verlässlich

Die Prüfstandmethode wurde umfassend untersucht und mit Prüfergebnissen verglichen, die an echten vollständigen Fahrzeugen gewonnen wurden – die beiden Methoden stimmen gut miteinander überein. „Wir konnten auch zeigen, dass die Ergebnisse gut reproduzierbar sind, und dass unterschiedliche Prüfstände mit dieser Technologie auch gut miteinander vergleichbare Ergebnisse liefern“, sagt Bernhard Geringer.

Damit konnte das Ziel erreicht werden – nämlich eine zeit- und kostensparende Messmethode zu entwickeln, damit man zur Überprüfung der Winterfestigkeit eines Kraftstoffs keinen vollständigen klimatisierten Fahrzeugprüfstand benötigt, sondern der Kraftstoff nur noch an den relevanten Fahrzeugsystemen untersucht werden muss. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.at

Künstliche Intelligenz für Ahle-Wurst-Herstellung

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 23.11.2022

Wer in naher Zukunft eine Ahle Wurst kauft, Nordhessens Spezialität, der könnte ein Lebensmittel in der Hand halten, das mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) produziert wurde. Informatiker der Universität entwickeln gemeinsam mit einer Caldener Fleischerei ein Verfahren, in dem eine KI die Reifung der Wurst überwacht und die Pflege in der Reifekammer steuert. Das Projekt soll auf die Produktion anderer Lebensmittel übertragbar sein und das hessische Handwerk stärken.

Die Ahle Wurst ist nordhessisches Kulturgut und hat Kultstatus. Für die echte „Stracke“ oder „Runde“ kommt es nicht nur auf Rezept und Verarbeitung an, es braucht auch eine aufwändige und mehrere Wochen, oft Monate lange Reifung in speziellen Wurstekammern. Anders als in der Industrie erfolgt die traditionelle Reifung in einem natürlichen Umfeld, oft in Lehmkammern auf den Dachböden historischer nordhessischer Fachwerkhäuser.

Das Handwerk sorgt für ein charakteristisches, besonders intensives Aroma der Wurst, ist aber gleichzeitig mit viel Überwachung und Pflege verbunden. So wird jede reifende Wurst regelmäßig auf den Reifegrad geprüft und gegebenenfalls umgelagert. Eine gewisse Menge an Reifeschimmel ist wünschenswert, zu viel Schimmelbelag muss von den Mitarbeitern abgewaschen werden. Hier kommt es stark auf die Erfahrung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an.

Übertragbar auf anderes Handwerk

In Kooperation mit der Landfleischerei Koch in Calden entwickeln Informatiker der Universität Kassel nun ein System, im dem eine Künstliche Intelligenz Nase und Augen der erfahrenen Fleischer unterstützt. Sensoren ermitteln dafür zunächst Werte wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Kammer sowie Wassergehalt oder PH-Wert der Würste und überspielen die Daten an einen zentralen Rechner. Ein Programm errechnet dann die nötigen Schritte und übermittelt sie an die Fachkräfte: Muss gelüftet werden? Ist es zu warm oder zu kalt, zu feucht oder zu trocken? Muss die Wurst gewaschen werden? Dabei erhält das System Rückmeldungen von den Fachleuten, die es wiederum einspeist und verarbeitet. So entwickelt sich das Programm weiter.

Prof. Dr. Klaus David, der an der Universität Kassel das Fachgebiet Kommunikationstechnik leitet und das Projekt steuert, erläutert: „Die Wurstproduktion ist ein gutes Reallabor, um Anwendungsmöglichkeiten von KI und Maschinellem Lernen für das Lebensmittel-Handwerk zu entwickeln. Ähnliche Systeme sind denkbar etwa für handwerkliche Bäckereien oder Käsereien.“

Katharina Koch, Inhaberin der Landfleischerei Koch, bestätigt den Nutzen für das Handwerk: „Funktioniert das System, kann das nicht nur die Qualität der Produkte erhöhen, sondern auch dem Fachkräftemangel entgegenwirken.“

Das Projekt wird im Rahmen einer Machbarkeitsstudie durch das Förderprogramm Distr@l der Hessischen Staatskanzlei im Bereich der Ministerin für Digitale Strategie und Entwicklung mit rund 100.000 Euro gefördert. Es läuft über ein Jahr.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Neuartiges Netzteil bietet bis zu 50 Jahre Lebensdauer

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.11.2022

Ausgründung „Digital Power Systems“ des KIT entwickelt ultralanglebige industrielle Stromversorgungen

Im Haushalt, im Büro, in der Industrie: Schaltnetzteile sind in unserem Alltag allgegenwärtig. Sie wandeln Wechselstrom der Hausleitung in Gleichstrom um, den Smartphone, Laptop und Co. genauso benötigen wie Ladestationen für E-Autos und ganze Logistik- oder Rechenzentren. Bislang müssen diese nach üblicherweise neun Jahren Dauerbetrieb ausgetauscht werden. Die Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Digital Power Systems (DPS) zeigte in Tests nun Netzteile mit 50 Jahren Lebensdauer.

Heutige Schaltnetzteile sind zwar leicht und kompakt, wegen der darin verbauten Elektrolytkondensatoren aber auch fehleranfällig. Deutlich langlebiger sind Folienkondensatoren. Diese benötigen aber bis zu zehnmal mehr Platz – bis jetzt: „Wir haben ein digitales Regelungsverfahren entwickelt, das es uns erlaubt, Folienkondensatoren platzsparend einzusetzen“, sagt DPS-Geschäftsführer Michael Heidinger. Dadurch entstehe ein viel geringerer Wartungsaufwand als bei gewöhnlichen Netzteilen: „Die Technologie ist ein Gamechanger für alle Bereiche, wo es auf Zuverlässigkeit ankommt“, sagt Heidinger. „Etwa bei Rechenzentren oder Logistikzentren oder der Flugsicherheitsbeleuchtung.“ Denn Serviceeinsätze um defekte Netzteile auszutauschen, kosteten ein Vielfaches des Gerätpreises selbst.

Lebensdauer fünfmal höher als bei Netzteilen mit Elektrolytkondensator

Gemeinsame Tests mit dem Lichttechnischen Institut des KIT haben eine Lebensdauer der Netzteile von 50 Jahren bei 40 Grad Umgebungstemperatur nachgewiesen. „Damit wird die Lebensdauer von etablierten Netzteilen etwa um das Fünffache übertroffen“, sagt Heidinger. Dabei sei noch kein Netzteil ausgefallen, sodass die Tests fortgesetzt würden. „Es ist also noch Luft nach oben.“

Digitale Regelung spart Platz

Das neuartige digitale Regelungsverfahren, welches es erlaubt, Folienkondensatoren bei nur leicht gesteigertem Platzbedarf einzusetzen, läuft auf einem im Netzteil eingebauten Mikroprozessor. Es erkennt störende Umgebungseinflüsse, sodass beispielsweise höhere Spannungsschwankungen am Folienkondensator ausgeglichen werden können. Dadurch sind Speicherkondensatoren mit geringerer Kapazität ausreichend. Möglich sei diese Technologie erst mit der Verbreitung von sehr leistungsstarken Mikroprozessoren geworden, erklärt Heidinger.

Einsatz in der Luftsicherheit

Eingesetzt wird das Netzteil bereits bei der Sicherheitsbeleuchtung – auch Befeuerung genannt – an Hindernissen für Flugzeuge wie Industriekamine, Windräder oder Funkmasten. Ausgetauscht werden können defekte Netzteile dort meist nur umständlich und teuer mithilfe von Industriekletternden. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Ultrakalte Mini-Tornados

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 31.10.2022

Quanten-Wirbel klarer Hinweis auf Suprafluidität

Ein Team von Quantenphysikern um die dreifache ERC-Preisträgerin Francesca Ferlaino hat eine neue Methode entwickelt, mit der Wirbel in dipolaren Quantengasen beobachtet werden können. Diese Quanten-Wirbel gelten als eindeutiger Hinweis für Suprafluidität, das reibungsfreie Strömen eines Quantengases, und wurden nun erstmals an der Universität Innsbruck in dipolaren Gasen experimentell nachgewiesen.

Wirbel sind in der Natur allgegenwärtig: Durch Rühren lassen sich Wasserstrudel erzeugen. Wird die Atmosphäre aufgewühlt, können gewaltige Tornados entstehen. So verhält es sich auch in der Quantenwelt, nur dass dort viele identische Wirbel gleichzeitig entstehen – der Wirbel ist quantisiert. In vielen Quantengasen konnten solche quantisierten Wirbel bereits nachgewiesen werden. „Das ist deshalb interessant, weil solche Wirbel ein klarer Hinweis für das reibungsfreie Strömen eines Quantengases – die sogenannte Suprafluidität – sind“, sagt Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Neue Methode erzeugt Quantenwirbel

Ferlaino forscht mit ihrem Team an Quantengasen aus stark magnetischen Elementen. Für solche dipolaren Quantengase, in denen die Atome stark wechselwirken, konnten die Quanten-Wirbel bisher noch nicht nachgewiesen werden. Die Wissenschaftler haben nun eine neue Methode entwickelt: „Wir nutzen die Richtungsabhängigkeit unseres Quantengases aus Dysprosium, dessen Atome sich wie viele kleine Magneten verhalten, um das Gas umzurühren“, erklärt Manfred Mark aus dem Team von Francesca Ferlaino. Dazu legen die Wissenschaftler ein Magnetfeld so an ihr Quantengas an, dass dieses zunächst runde, pfannkuchenartig geformte Gas aufgrund von Magnetostriktion elliptisch verformt wird. Diese ebenso einfache wie wirkungsvolle Idee geht auf einen theoretischen Vorschlag zurück, den ein Theorieteam der Universität Newcastle unter der Leitung von Nick Parker, dem auch Thomas Bland, der Mitautor der aktuellen Arbeit, angehörte, vor einigen Jahren gemacht hatte. „Indem wir das Magnetfeld drehen, können wir das Quantengas rotieren lassen“, erklärt Lauritz Klaus, Erstautor der Arbeit. „Wenn es sich schnell genug dreht, dann bilden sich im Quantengas kleine Wirbel aus. So versucht das Gas, den Drehimpuls auszugleichen.“ Bei ausreichend hoher Rotationsgeschwindigkeit bilden sich entlang des Magnetfelds auffällige Streifen mit Wirbeln. Diese sind ein besonderes Charakteristikum dipolarer Quantengase und wurden nun an der Universität Innsbruck zum ersten Mal beobachtet.

Nächste Ziel Suprasolidität

Die nun in der Fachzeitschrift Nature Physics präsentierte neue Methode soll in Zukunft zur Untersuchung der Suprafluidität in suprasoliden Zuständen eingesetzt werden, in denen Quantenmaterie gleichzeitig fest und flüssig ist. „Es ist immer noch eine große offene Frage, inwieweit die neu entdeckten suprasoliden Zustände tatsächlich supraflüssig sind, und diese Frage ist heute noch sehr wenig erforscht.“

Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Giacomo Lamporesi von der Universität Trient und dem Theoretiker Russell Bisset von der Universität Innsbruck und wurde unter anderem vom Europäischen Forschungsrat ERC, dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ÖAW finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Observation of vortices and vortex stripes in a dipolar condensate. Lauritz Klaus, Thomas Bland, Elena Poli, Claudia Politi, Giacomo Lamporesi, Eva Casotti, Russell N. Bisset, Manfred J. Mark, and Francesca Ferlaino. Nature Physics 2022

Externer Link: www.uibk.ac.at

Schnellere und effizientere Computerchips durch Germanium

Presseaussendung der TU Wien vom 08.11.2022

An der TU Wien gelang es, ein neuartiges Material aus Silizium und Germanium für die Chiptechnologie nutzbar zu machen. Das ermöglicht schnellere, effizientere Computer und neuartige Quantenbauelemente.

Unsere heutige Chiptechnologie basiert größtenteils auf Silizium. Nur in ganz bestimmten Bauelementen wird auch eine geringe Menge an Germanium beigemischt. Es gibt aber gute Gründe in Zukunft höhere Germaniumanteile zu verwenden: Der Verbindungshalbleiter Silizium-Germanium hat nämlich entscheidende Vorteile gegenüber der heutigen Silizium-Technologie, was Energieeffizienz und die erreichbaren Taktfrequenzen betrifft.

Das Hauptproblem dabei ist, auf technisch zuverlässige Weise Kontakte zwischen Metall und Halbleiter auf Nanoskala herzustellen. Das ist bei einem hohen Anteil an Germanium deutlich schwieriger als bei Silizium. An der TU Wien zeigte man nun aber zusammen mit Forschungsteams aus Linz und Thun (Schweiz), dass sich dieses Problem lösen lässt – mit Kontakten aus kristallinem Aluminium mit extrem hoher Qualität und einem ausgeklügelten Silizium-Germanium Schichtsystem. Dieses Zusammenspiel ermöglicht, in Abhängigkeit des Germaniumanteils im Silizium, unterschiedliche hochinteressante Kontakteigenschaften – speziell für optoelektronische- und Quantenbauelemente.

Das Problem mit dem Sauerstoff

„Jede Halbleiterschicht wird in konventionellen Verfahren automatisch verunreinigt, das lässt sich auf atomarer Ebene einfach nicht verhindern“, sagt Masiar Sistani vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. In erster Linie sind es Sauerstoffatome, die sich sehr rasch an der Oberfläche der Materialien anlagern – an der Oberfläche entsteht eine Oxidschicht.

Bei Silizium ist das allerdings kein Problem: Silizium bildet nämlich immer genau die gleiche Art von Oxid aus. „Bei Germanium ist die Sache aber viel komplizierter“, erklärt Masiar Sistani. „In diesem Fall gibt es nämlich eine ganze Reihe unterschiedlicher Oxide, die sich bilden können. Das bedeutet aber, dass unterschiedliche nanoelektronische Bauteile eine stark unterschiedliche Oberflächenzusammensetzung aufweisen und damit auch unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben können.“

Wenn man nun einen metallischen Kontakt mit diesen Bauteilen verbinden möchte, hat man ein Problem: Auch, wenn man sich sehr bemüht, all diese Bauteile exakt auf die gleiche Weise herzustellen, ergeben sich trotzdem zwangsläufig massive Unterschiede – und dass macht das Material für den Einsatz in der Halbleiterindustrie komplex in der Handhabung.

„Die Reproduzierbarkeit ist ein großes Problem“, sagt Prof. Walter Weber, der Leiter des Instituts für Festkörperelektronik, TU Wien. „Wenn man germaniumreiches Silizium-Germanium verwendet, kann man sich nicht darauf verlassen, dass der elektronische Bauteil, nachdem man ihn mit Kontakten versehen hat, wirklich die Kennlinien aufweist, die man braucht.“ Daher wird dieses Material in der Chipproduktion nur begrenzt eingesetzt.

Das ist schade, denn Silizium-Germanium hätte entscheidende Vorteile: „Die Ladungsträgerkonzentration ist höher, speziell positive Ladungsträger, die sogenannten Löcher, können sich in diesem Material viel effizienter bewegen als in Silizium. Das Material würde daher viel höhere Taktfrequenzen bei gesteigerter Energieeffizienz erlauben als unsere heutigen Silizium-Chips“, sagt Lukas Wind, Doktorand in der Forschungsgruppe von Walter Weber.

Die „perfekte“ Schnittstelle

Nun konnte das Forschungsteam allerdings zeigen, wie sich das Problem lösen lässt: Man fand eine Methode, auf atomarer Skala perfekte Schnittstellen zwischen Aluminiumkontakten und Silizium-Germanium-Bauteilen zu erzeugen. In einem ersten Schritt wird ein Schichtsystem hergestellt, mit einer dünnen Siliziumschicht und dem eigentlichen Material, aus dem die elektronischen Bauteile gemacht werden sollen – dem Silizium-Germanium.

Durch das kontrollierte Aufheizen der Struktur kann nun ein Kontakt zwischen dem Aluminium und dem Silizium hergestellt werden: Bei rund 500 Grad Celsius kommt es zu starker Diffusion: Die Atome können ihren Platz verlassen und zu wandern beginnen. Silizium und Germanium-Atome dringen relativ rasch in den Aluminiumkontakt ein, Aluminium füllt den freigewordenen Raum aus.

„Durch die Diffusionsdynamik in dem verwendeten Schichtsystem entsteht so eine Schnittstelle zwischen Aluminium und dem Silizium-Germanium mit einer extrem dünnen Silizium-Schicht dazwischen“, erklärt Masiar Sistani. Durch dieses Herstellungsverfahren haben Sauerstoffatome gar nicht die Gelegenheit, an diese atomar-scharfe und hochreine Schnittstelle heranzukommen.

„Unsere Experimente zeigen, dass diese Kontaktstellen auf verlässliche und gut reproduzierbare Weise hergestellt werden können“, sagt Walter Weber. „Die technologischen Systeme, die man dafür braucht, werden bereits heute in der Chipindustrie eingesetzt. Es handelt sich also nicht bloß um einen Laborversuch, sondern um ein Verfahren, das man relativ rasch in der Chipindustrie einsetzen könnte.“

Der entscheidende Vorteil des präsentierten Herstellungsverfahrens ist, dass unabhängig von der Silizium-Germaniumzusammensetzung hochqualitative Kontakte hergestellt werden können. „Wir sind davon überzeugt, dass die vorgestellten abrupten, robusten und zuverlässigen Metall-Halbleiter Kontakte für eine Vielzahl neuer nanoelektronischer, optoelektronischer und Quantenbauelementen hochinteressant sind“, sagt Walter Weber. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.at