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Chemiker entwickeln flexible bunte Kollektoren für die Stromerzeugung

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 19.04.2023

So genannte lumineszierende Solarkonzentratoren können diffuses Sonnenlicht einfangen, um es für die Stromerzeugung zu verwenden. Die Sonnenstrahlung wird durch farbige Kunststoffplatten aufgefangen, an den Rändern wandeln Mikrosolarzellen das entstandene Licht in Elektrizität um. In einer Kooperation der Universität des Saarlandes mit der Universität Pisa wurde ein an der UdS entwickeltes Material nun erstmals für flexible Solarkonzentratoren eingesetzt.

An vielen Orten der Erde trifft genügend Sonneneinstrahlung auf, um Energie zu erzeugen. Jedoch will man nicht überall die klassischen dunklen Photovoltaikelemente zur Energieerzeugung verwenden. Lumineszierende Solarkonzentratoren ermöglichen die Kombination von Energieerzeugung und farbigen Designelementen beispielsweise im Bereich des Bauwesens. In der Arbeitsgruppe von Guido Kickelbick, Professor für Anorganische Festkörperchemie an der Universität des Saarlandes, wird seit einigen Jahren an flexiblen, silikonartigen Materialen geforscht, die speziell für optische Anwendungen geeignet sind. „Durch Einbettung von fluoreszierenden Farbstoffen gelingt es uns, langzeitstabile optische Elemente zu erzeugen, die farbig sind und beim Auftreffen von Licht an den Seiten stark leuchten“, so Professor Kickelbick. Das Phänomen ist von Designelementen aus dem Garten bekannt. Dort gibt es flache Skulpturen, die nahezu transparent sind und an den Rändern stark fluoreszieren.

Das Funktionsprinzip hinter dieser Technologie ist, dass ein Farbstoff, der in Kunststoff eingebettet ist, durch bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts angeregt wird. Dabei werden Elektronen im Farbstoff auf höhere Energieniveaus angeregt; beim Zurückfallen in den Grundzustand schließlich wird Licht einer längeren Wellenlänge emittiert, welches an den Rändern des Kunstoffkörpers aufkonzentriert wird.

Bringt man an den Kanten kleine Solarzellen an, so lässt sich Strom erzeugen. Dieses Prinzip funktioniert selbst mit diffusem Licht in der Dämmerung. „Bisher war es lediglich möglich, solche Bauelement aus hartem Plastik, wie zum Beispiel Plexiglas, zu erzeugen. Unser Material, welches aus einem speziell vernetzten Silikonharz besteht, ermöglicht nun auch flexible Bauelemente“, erläutert Guido Kickelbick. Aufgrund der chemischen Eigenschaften des in Saarbrücken synthetisierten Materials zeigen die Bauelemente eine hohe Umwandlungsleistung und eine hohe Lebensdauer, was sie für Außenanwendungen prädestiniert.

Die Eigenschaften der Farbstoff-Silikonharz Mischungen wurden an der Universität Pisa in der Arbeitsgruppe von Professor Andrea Pucci untersucht. Mit lumineszierenden Solarkonzentratoren ist selbst an Standorten mit einer hohen indirekten Strahlung eine Nutzung des konzentrierten Sonnenlichts möglich, auch wenn die Effizienz nur gering ist. Sie liegt im optimalen Fall nur bei wenigen Prozent.

Dennoch stellen die Elemente eine interessante Ergänzung zu herkömmlichen Photovoltaikelementen dar. Die bunten, transparenten und lichtdurchlässige Solarkollektoren können aufgrund der ansprechenden Optik direkt in Gebäudestrukturen integriert werden, beispielsweise in Lärmschutzwände an Autobahnen. Bisher wurden lediglich rote Farbstoffe für die Einbettung verwendet, aber in Zukunft sind auch weitere Farben geplant.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Metamaterialien: Zeitkristall bringt Licht in Schwung

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 06.04.2023

Forschende des KIT entwickeln erstmals zweidimensionalen photonischen Zeitkristall – Anwendung verspricht Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation und bei Lasern

Photonische Zeitkristalle, deren Eigenschaften sich periodisch ändern, versprechen wesentliche Fortschritte in Mikrowellentechnik, Optik und Photonik. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun zusammen mit Partnern an der Aalto University und der Stanford University erstmals einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall hergestellt und wichtige Anwendungen demonstriert. Ihr Ansatz vereinfacht die Herstellung photonischer Zeitkristalle und kann die Effizienz künftiger Kommunikationssysteme verbessern. Die Forschenden berichten in Science Advances.

Zeitkristalle gehören im weitesten Sinne zu den sogenannten Metamaterialien, die künstlich hergestellt sind und Eigenschaften aufweisen, wie sie in der Natur nicht vorkommen. 2012 stellte der Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek erstmals das faszinierende Konzept der Zeitkristalle vor. Anders als gewöhnliche Kristalle ändern Zeitkristalle ihre Eigenschaften nicht im Raum, sondern periodisch in der Zeit. Forschende in der Photonik arbeiten aktuell an ersten optischen Versionen dieser Materialien, die als photonische Zeitkristalle bezeichnet werden. Diese Kristalle besitzen ein großes Potenzial zur Verbesserung drahtloser Kommunikationssignale und können künftig eine neue Generation von Lasern ermöglichen, da Licht, das sich in photonischen Zeitkristallen ausbreitet, effektiv verstärkt werden kann.

Reduktion der Dimensionalität erleichtert Realisierung

Bisher konzentrierte sich die Forschung im Bereich der photonischen Zeitkristalle auf Volumenmaterialien, das heißt dreidimensionale Strukturen. Die Realisierung von photonischen Zeitkristallen in solchen Materialien stellt aber eine enorme Herausforderung dar und die Experimente gingen bisher nicht über Modellsysteme hinaus. Zu praktischen Anwendungen dieser dreidimensionalen Strukturen kam es noch nicht. Forschende vom Institut für Nanotechnologie und vom Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP) des KIT haben nun zusammen mit Partnern der Aalto University in Finnland und der Stanford University in den USA einen neuen Ansatz entwickelt und in der Zeitschrift Science Advances vorgestellt: Das Team hat erstmals einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall gebaut. Dabei handelt es sich um eine ganz dünne Schicht eines solchen Metamaterials. „Wir haben festgestellt, dass die Reduktion der Dimensionalität von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfacht. Dadurch wurde es möglich, photonische Zeitkristalle zu realisieren“, erklärt Dr. Xuchen Wang, der Hauptautor der Studie, der derzeit am KIT in der Gruppe von Professor Carsten Rockstuhl am TFP forscht. Das Team hat eine zweidimensionale elektromagnetische Struktur entwickelt und synthetisiert. Diese enthält periodisch in der Zeit eingebettete, abstimmbare Komponenten, die ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern. Durch den Einsatz dieser Struktur gelang es, das theoretisch vorhergesagte Verhalten experimentell zu bestätigen. „Diese Entdeckung hat erstmals eine starke Wellenverstärkung in photonischen Zeitkristallen ermöglicht“, erläutert Wang.

Photonische Zeitkristalle in 2D machen Kommunikation effizienter

Die wegweisende Entwicklung ermöglicht Fortschritte in verschiedenen Technologien, beispielsweise bei der drahtlosen Kommunikation, bei integrierten Schaltkreisen und bei Lasern. Durch die Verstärkung elektromagnetischer Wellen können drahtlose Sender und Empfänger künftig leistungsfähiger und effizienter werden. Außerdem kann die Beschichtung von Oberflächen mit zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen den Signalabfall bei der drahtlosen Übertragung verringern. Dieser stellt häufig einen Engpass dar. Die Verwendung von zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen kann zukünftig auch die Konstruktion von Lasern vereinfachen, da komplexe Spiegelsysteme, wie sie normalerweise in Laserresonatoren eingesetzt werden, nicht mehr erforderlich sind.

Eine weitere wichtige Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass photonische Zeitkristalle in 2D nicht nur die eintreffenden elektromagnetischen Wellen im freien Raum verstärken, sondern auch Oberflächenwellen, die für die Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Oberflächenwellen leiden unter Verlusten durch Absorption im Material, wodurch die Signalstärke verringert wird. „Durch den Einsatz von zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen, die das Ausbreitungsmedium bedecken, lässt sich die Oberflächenwelle verstärken, was die Kommunikationseffizienz verbessert“, sagt Wang. (or)

Originalpublikation:
Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, & Sergei A. Tretyakov: Metasurface-Based Realization of Photonic Time Crystals. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adg7541

Externer Link: www.kit.edu

Neue Erfindung: Die Sauerstoff-Ionen-Batterie

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Presseaussendung der TU Wien vom 22.03.2023

An der TU Wien wurde eine neuartige Batterie erfunden: Die Sauerstoff-Ionen-Batterie soll extrem langlebig sein, ohne seltene Elemente auskommen und das Problem der Brandgefahr lösen.

Lithium-Ionen-Batterien sind heute allgegenwärtig – vom Elektroauto bis zum Smartphone. Das heißt aber nicht, dass sie für alle Einsatzbereiche die beste Lösung sind. An der TU Wien gelang es nun, eine Sauerstoff-Ionen-Batterie zu entwickeln, die einige wichtige Vorteile aufweist. Sie ermöglicht zwar nicht ganz so hohe Energiedichten wie die Lithium-Ionen-Batterie, aber dafür nimmt ihre Speicherkapazität im Lauf der Zeit nicht unwiderruflich ab: Sie lässt sich regenerieren und ermöglicht damit eine extrem lange Lebensdauer.

Außerdem kann man Sauerstoff-Ionen-Batterien herstellen, ohne dafür seltene Elemente zu benötigen, und sie besteht aus unbrennbaren Materialien. Die neue Batterie-Idee wurde zusammen mit Kooperationspartnern aus Spanien bereits zum Patent angemeldet. Für große Energiespeicher, etwa zum Aufbewahren elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, könnte die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine ausgezeichnete Lösung sein.

Keramische Materialien als neue Lösung

„Wir haben schon seit längerer Zeit viel Erfahrung mit keramischen Materialien gesammelt, die man für Brennstoffzellen verwenden kann“, sagt Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen.“

Die keramischen Materialien, die das Team der TU Wien untersuchte, können doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen aufnehmen und abgeben. Wenn man eine elektrische Spannung anlegt, wandern die Sauerstoff-Ionen von einem keramischen Material zum anderen, danach kann man sie wieder zurückwandern lassen und so elektrischen Strom erzeugen.

„Das Grundprinzip ist eigentlich sehr ähnlich wie bei der Lithium-Ionen-Batterie“, sagt Prof. Jürgen Fleig. „Aber unsere Materialien haben einige wichtige Vorteile.“ Keramik ist nicht brennbar – Brandunfälle, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien immer wieder vorkommen, sind damit also praktisch ausgeschlossen. Außerdem kommt man ohne seltene Elemente aus, die teuer sind oder nur auf umweltschädliche Weise gewonnen werden können.

„In diesem Punkt ist die Verwendung von keramischen Materialien ein großer Vorteil, weil sie sehr gut angepasst werden können“, sagt Tobias Huber. „Man kann relativ problemlos bestimmte Elemente, die nur schwer zu bekommen sind, durch andere ersetzen.“ Der Prototyp der Batterie verwendet noch Lanthan – ein zwar nicht seltenes aber doch nicht völlig alltägliches Element. Doch auch Lanthan soll noch durch etwas Billigeres ersetzt werden, Forschungen daran laufen bereits. Auf Kobalt oder Nickel, die in vielen Batterien verwendet werden, kann man völlig verzichten.

Sehr lange Lebensdauer möglich

Der vielleicht wichtigste Vorteil der neuen Batterietechnik ist aber ihre potentielle Langlebigkeit: „In vielen Batterien hat man das Problem, dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können“, sagt Alexander Schmid. „Dann können sie nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden, die Kapazität der Batterie sinkt. Nach vielen Ladungszyklen kann das zum ernsten Problem werden.“

Die Sauerstoff-Ionen-Batterie hingegen lässt sich problemlos regenerieren: Wenn Sauerstoff durch Nebenreaktionen verloren geht, dann kann der Schwund einfach durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgeglichen werden.

Für Smartphones oder Elektroautos ist das neue Batterie-Konzept nicht gedacht, denn die Sauerstoff-Ionen-Batterie erreicht nur rund ein Drittel der Energiedichte, die man von Lithium-Ionen-Batterien gewohnt ist und läuft bei Tempersturen zwischen 200 und 400 °C. Höchst interessant aber ist die Technologie zum Speichern großer Energiemengen. „Wenn man etwa einen großen Energiespeicher benötigt, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern, wäre die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung“, glaubt Alexander Schmid. „Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeicher-Modulen errichtet, spielt die geringere Energiedichte und erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle. Die Stärken unserer Batterie wären gerade dort aber besonders wichtig: Die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen, und die Tatsache, dass es bei diesen Batterien keine Brandgefahr gibt.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Schmid, M. Krammer, Jürgen Fleig; Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes, to be published in: Advanced Energy Materials (2023).

Externer Link: www.tuwien.at

Zweidimensionaler Quanten-Freeze

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 06.03.2023

Nanoteilchen in zwei Bewegungsrichtungen in Quanten-Grundzustand gekühlt.

Forschern an der ETH Zürich und dem TII Abu Dhabi ist es mit Unterstützung von Innsbrucker Quantenphysikern gelungen, die Bewegung eines winzigen Glaskügelchens in zwei Richtungen gleichzeitig in den Quanten-Grundzustand abzukühlen. Dies stellt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer 3D-Grundzustandskühlung eines massiven Teilchens dar und eröffnet neue Möglichkeiten für den Bau von hochempfindlichen Sensoren.

In einem Hochvakuum mit Laserlicht kontrollierte Nanoteilchen gelten als vielversprechende Plattform, um die Grenzen der Quantenwelt auszuloten. Seit der Formulierung der Quantentheorie ist nämlich die Frage unbeantwortet geblieben, ab welcher Größe ein Objekt den Gesetzen der Quantenphysik und nicht den Regeln der klassischen Physik unterliegt.

Ein Team um Lukas Novotny (Zürich), Markus Aspelmeyer (Wien), Oriol Romero-Isart (Innsbruck) und Romain Quidant (Zürich) versucht im Rahmen des ERC-Synergy-Projekts QXtreme genau diese Frage zu beantworten. Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel ist es, die in der Bewegung des Nanoteilchen gespeicherte Energie so weit als möglich zu reduzieren, das Teilchen also in den sogenannten Quantengrundzustand abzukühlen.

Kühlen in allen Dimensionen

Das Q-Xtreme-Team arbeitet seit längerem gemeinsam an der Grundzustandsabkühlung von Nanopartikeln. Mehrere Experimente in Zürich und Wien, unterstützt durch theoretische Berechnungen von Carlos Gonzalez-Ballestero und Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck und dem IQOQI Innsbruck, haben zu den ersten Demonstrationen einer solchen Grundzustandskühlung eines Nanoteilchens geführt, entweder durch Dämpfung der Teilchenbewegung mittels elektronischer Steuerung (aktive Rückkopplung) oder durch Platzierung des Teilchens zwischen zwei Spiegeln (resonatorbasierte Kühlung). Bei all diesen Experimenten wurde der Grundzustand nur entlang einer der drei Bewegungsrichtungen der Teilchen erreicht, so dass die Bewegung entlang der beiden anderen Richtungen „heiß“ blieb.

„Die Abkühlung in den Grundzustand in mehr als einer Richtung ist der Schlüssel zur Erforschung neuer Quantenphysik“, betont Carlos Gonzalez-Ballestero vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Bislang war es jedoch schwierig, die Spiegel, zwischen denen das Teilchen positioniert wird, effizient mit der Bewegung des Teilchens in mehreren Richtungen in Wechselwirkung zu bringen.“ Der sogenannte „Dark State Effect“ verhindert die Abkühlung in den vollständigen Grundzustand.

Mit unterschiedlichen Frequenzen zum Ziel

Nun gelang es dem Photonik-Labor an der ETH Zürich erstmals die Grundzustandskühlung eines Nanoteilchen entlang zweier Bewegungsachsen. Dabei wird ein Glaskügelchen, das etwa tausendmal kleiner als ein Sandkorn ist, im Hochvakuum vollständig von seiner Umgebung isoliert und mit einem stark fokussierten Laserstrahl in der Schwebe gehalten und gleichzeitig bis nahe an dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Basierend auf theoretischen Vorarbeiten des Innsbrucker Teams konnten die Schweizer Physiker das Problem des Dunkelzustands umgehen. „Wir haben dazu die Frequenzen, mit denen das Teilchen in den beiden Richtungen schwingt, unterschiedlich gestaltet und die Polarisation des Laserlichts sorgfältig eingestellt“, sagt Lukas Novotny von der ETH Zürich.

Die in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienene Arbeit demonstriert, dass es möglich ist, den minimalen Energiezustand für alle drei Bewegungsrichtungen zu erreichen. Das neue Setup ermöglicht es auch, fragile Quantenzustände in zwei Richtungen zu erzeugen, die zum Beispiel zur Herstellung von extrem empfindlichen Gyroskopen und Sensoren verwendet werden könnten.

Die Forschungen wurden unter anderem vom Europäischen Forschungsrat ERC und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle. Johannes Piotrowski, Dominik Windey, Jayadev Vijayan, Carlos Gonzalez-Ballestero, Andrés de los Ríos Sommer, Nadine Meyer, Romain Quidant, Oriol Romero-Isart, René Reimann, Lukas Novotny. Nature Physics 2023

Externer Link: www.uibk.ac.at

Studierende bauten Prototyp einer Passagierdrohne

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Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 07.03.2023

Wie fühlt sich der Flug mit einer Passagierdrohne an? Diese Frage wollten Forschende und Studierende der Technischen Hochschule Ingolstadt beantworten. Zu diesem Zweck konstruierten sie einen Prototyp, der bald auch von der Öffentlichkeit in Augenschein genommen werden kann.

Von München nach Ingolstadt mit dem Flugtaxi fliegen und dafür per App das Ticket kaufen und bequem einchecken. Was nach einer Zukunftsvision klingt, wollten Studierende des Master-Studiengangs „User Experience Design“ (UXD) der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI) so praxisnah wie möglich umsetzen. Sie bauten dazu den Prototyp einer Passagierdrohne, womit der gesamte Prozess von der Buchung eines Sitzplatzes bis zur Durchführung des Flugs dargestellt werden kann. Der Prototyp verfügt über vier Sitzplätze und wurde im Maßstab 1:1 konstruiert. Ziel ist aber nicht, dass die „AirDrone“ eines Tages abhebt, sondern die Erfahrungen eines Anwenders beim simulierten Flug einzuordnen. Damit die Ergebnisse auch langfristigen Nutzen haben, legte Professor Andreas Riener, Leiter des Studiengangs „User Experience Design“ (UXD), großen Wert darauf, dass alle Schritte so realitätsnah wie möglich umgesetzt wurden.

Was ist den Fluggästen wichtig?

Der Prototyp soll veranschaulichen, welche Konzepte und Visualisierungen an Bord gebraucht werden, die vielleicht später sogar den Bau beeinflussen könnten. Besonders spannend war das Thema Sitzplatzauswahl: „Aufgrund der Sensitivät des Gewichts werden nicht zwei schwere Personen links und zwei leichte Personen rechts Platz nehmen können“, erklärt Professor Riener. Die Buchungs-App, bei der ursprünglich eine Sitzplatzauswahl möglich war, musste dahingehend wieder angepasst werden. Da Drohnen im Vergleich zu Passagierflugzeugen eine geringere Flughöhe und ein geringeres Eigengewicht aufweisen, ist der Flug ruckeliger, was die Akzeptanz beeinträchtigt.

Weitere wichtige Erkenntnisse umfassen Vorlieben zur Mitnahme von Gepäck: Aufgrund der Gewichtsproblematik wurde geprüft, in wie weit es akzeptiert wäre, schwereres Gepäck am Boden – getrennt vom Passagier – zu transportieren. Das Ergebnis war: Der Großteil der Fluggäste möchte, auch zu einem höheren Preis, sein Gepäck stets mit sich führen. Ein weiteres Akzeptanzthema ist die Fernüberwachung (Teleoperation) der Drohne von einem Leitstand aus, anstatt wie derzeit vorgesehen, einem Piloten an Bord. Aktuell werden dazu Studien durchgeführt, um die Haltung potentieller Fluggäste abzufragen sowie notwendige Informations- und Interaktionskonzepte zu entwickeln.

Selbst in Passagierdrohne Platz nehmen

Während das Studierendenprojekt abgeschlossen ist, läuft das öffentliche Förderprojekt noch weiter. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Patricia Appel wird sich, ausgehend von den Erkenntnissen, im Rahmen ihrer Promotion weiter mit Sicherheitsaspekten bei Passagierdrohnen beschäftigten. Außerdem kann die Öffentlichkeit bald selbst in dem Prototyp Platz nehmen. „Wir machen derzeit noch das Fein-Tuning und werden den Prototyp dann am Hochschulinformationstag der THI am 25. März sowie beim ON Campus-Festival am 16. Juni und auf der IAA im Herbst einsetzen“, sagt Professor Riener.

Er betont abschließend, dass das Projekt verknüpft ist mit dem Modellprojekt „Urban Air Mobility“ in der Region Ingolstadt und den Startup-Programmen des brigkAir. Das Projekt „Prototyp-Bau“ ist zudem angedockt an das Verbundprojekt „AMI-Airshuttle“. Dabei werden Lösungen für den Betrieb von sogenannten Vertiports, also einer neuartigen Infrastruktur, an Flughäfen entwickelt. Die Integration von elektrifizierten Flugtaxis inklusive Betriebskonzepten wird dabei erprobt.

Externer Link: www.thi.de