Wasserstoff nach Wunsch

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Presseinformation der LMU München vom 30.09.2015

LMU-Chemiker haben neue poröse Materialien für die Photokatalyse entwickelt. Die organischen Netzwerke eröffnen neue Wege zu polymeren Photokatalysatoren mit präzise einstellbaren Eigenschaften.

Bei der künstlichen Photosynthese wird mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt, um die Energie aus der Sonne effizient speichern zu können. Da die bisherigen Systeme jedoch viele Mängel aufweisen, wird weltweit an effizienteren Verfahren geforscht. Chemiker um Professor Bettina Lotsch vom Department Chemie der LMU und vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart konnten nun erstmals zeigen, wie sich eine neue Klasse poröser organischer Materialien dazu nutzen lässt, molekular maßgeschneiderte Photokatalysatoren für die licht-induzierte Wasserstoffentwicklung herzustellen. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Chemiker um Lotsch forschen unter anderem an sogenannten kovalenten organischen Netzwerken. „Solche zweidimensionalen Polymere verfügen über Eigenschaften, die für photokatalytische Prozesse wesentlich sind: Die Materialien sind kristalline und poröse Halbleiter, die sich zudem chemisch maßschneidern lassen“, sagt Bettina Lotsch. Sie werden bereits für die Speicherung von Gasen und als Sensoren untersucht, zudem haben sie Potenzial für Anwendungen in der Optoelektronik.

Effizienter und billiger

Bettina Lotsch untersuchte mit ihrem Team in Zusammenarbeit mit Forschern um Professor Christian Ochsenfeld, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie an der LMU, am Beispiel einer Triphenylarylplattform, inwiefern sich die porösen Polymere für die Photokatalyse eignen. „Der Vorteil dieser Materialklasse ist, dass sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften nach Bedarf einstellen lassen“, sagt Dr. Vijay Vyas, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Dadurch konnten wir ihre Fähigkeit, Wasserstoff zu produzieren, gezielt verbessern. Ihre Leistungskraft ist mit denen etablierter Kohlenstoffnitrid- und Oxid-Photokatalysatoren vergleichbar.“ Die neu entwickelten Materialien sind über Azin-Brücken verbunden, sie haben eine zweidimensionale Grundstruktur und wurden auf Basis von Hydrazin und Trialdehyden synthetisiert.

Gegenüber Katalysatoren auf Metallbasis, die oft mit hohen Kosten verbunden und nur wenig modifizierbar sind, hat die neue Materialklasse einen entscheidenden Vorteil. „Da sich ihre Eigenschaften spezifisch molekular ändern lassen, lässt sich auch ihre Leistung gezielt verbessern“, sagt Frederik Haase aus der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch. Damit liefern die neu entwickelten Materialien beste Voraussetzungen, um auf ihrer Basis umweltfreundliche und preiswerte Photokatalysatoren entwickeln zu können.

„Wir konnten erstmals auf molekularer Ebene zeigen, dass sich die strukturellen, morphologischen und optoelektronischen Eigenschaften kovalenter organischer Netzwerke präzise daraufhin einstellen lassen, ihre photokatalytische Aktivität zu verbessern“, fasst Bettina Lotsch das Ergebnis zusammen. Die Grundlagenforschung der LMU-Chemiker könnte daher dazu beitragen, Solarenergie künftig effizienter zu nutzen als dies bislang möglich ist.

Publikation:
Nature Communications 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Leuchtender Wegweiser zum Auto

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.10.2015

In der neuen BMW 7er Reihe erleichtert ein Lichtteppich in Form eines strahlenförmigen Lichtmusters den Einstieg bei Dunkelheit. Fraunhofer-Forscher haben dazu spezielle Mikrooptiken entwickelt, die das Licht vom Fahrzeugboden gezielt auf den Einstiegsbereich lenken.

Der Abend im Restaurant war unterhaltsam, es ist spät geworden. Leider ist der Parkplatz nur schlecht beleuchtet – doch der Fahrer weiß sich zu helfen: Einen Knopf am Autoschlüssel gedrückt, und schon breitet sich vor dem Einstiegsbereich seines Wagens ein strahlenförmiger Lichtteppich aus.

Das Designelement gehört zur Ausstattung der neuen BMW 7er Reihe und basiert auf speziellen Mikrooptiken des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. »Dank dieser spezifisch konstruierten Mikrooptiken wird es möglich, das Licht von der Unterseite des Fahrzeugs aus strahlenförmig auf eine etwa vier Quadratmeter große Fläche beidseitig vor den Einstiegsbereich zu projizieren«, erklärt Dr. Andreas Bräuer, Abteilungsleiter für Mikrooptische Systeme am IOF. Ganz neu ist der leuchtende Wegweiser nicht: Auch andere Automobilhersteller arbeiten bereits an einem entsprechenden Feature für Oberklasse-Fahrzeuge. Bei den bisherigen Lösungen wurde die Leuchte allerdings entweder im Außenspiegel oder in der Tür montiert. Das Problem: Bei der Integration in den Spiegel bewegt sich das Lichtbild bei Türöffnung weg von dem Bereich, den es eigentlich ausleuchten soll. Bei der Integration in die Türunterseite kann bei geschlossenen Türen kein Licht den Boden erreichen.

Anders der Lichtteppich im BMW: Dort ist das Lichtmodul im Bereich der Fahrertür an der Schwelle zum Fahrzeugboden angebracht. Wie aber ist es dann möglich, das Licht quasi um die Ecke auf den Einstiegsbereich zu lenken? »In unserer Mikrooptik projizieren Mikrolinsen das Licht gezielt auf die gewünschte Fläche«, erläutert Dr. Peter Schreiber vom IOF, der die Entwicklungsarbeiten zum Projekt betreut. Ursprünglich ging es den Jenaer Wissenschaftlern darum, winzige und dennoch lichtstarke digitale Projektoren zu bauen, wie man sie beispielsweise im Smartphone benötigt. Physikalisch ist das ein Widerspruch – denn je kleiner die Projektoren werden, desto weniger Licht wird ausgestrahlt. Die Lösung der IOF-Experten und Expertinnen: Sie bauen die Projektoren zwar extrem klein, ordnen dann aber viele dieser Winzlinge in einem Array – einer wabenförmigen Struktur – an. »Wir können die Lichtstärke anpassen, indem wir die Anzahl dieser Mikroprojektoren verändern. Egal ob wir dann 150, wie beim BMW Lichtteppich, oder 3000 Projektoren verwenden: Die Dicke des Arrays bewegt sich auf jeden Fall im Millimeterbereich«, sagt Bräuer.

Projektionslinsen können einzeln angeordnet werden

Ein Nebeneffekt dieser Art von Arraybeleuchtung erwies sich für die Entwicklung des Lichtteppichs als entscheidend: Die Projektionslinsen, die das Licht einfangen und dann als Abbild auf eine Fläche projizieren, lassen sich einzeln und individuell zur Lichtquelle anordnen. Man kann also die Abbilder der einzelnen Linsen aus unterschiedlichen Positionen genau übereinanderlegen. »Auf diese Weise projizieren wir selbst bei extrem flachen Beleuchtungswinkeln ein hochwertiges und lichtstarkes Bild. Diese Lichttechnik und deren erstmalige Applikation im BMW Welcome Light Carpet ermöglichen somit ein neues Nachterscheinungsbild der BMW 7er Reihe«, so Marcel Sieler, BMW Entwickler, der ebenfalls aus dem Team des IOF stammt. Für die Anwendung im Automobil konstruierten die IOF-Wissenschaftler ein 10×10 mm² großes Mikrooptik-Bauteil, das mit einem Deckglas versehen ist. Um das empfindliche Modul während der Fahrt gegen Steinschlag zu schützen, wird es mit der Öffnung gegen die Fahrtrichtung am Unterboden des Fahrzeugs verbaut. Auch kleinere Verschmutzungen auf dem Frontglas sind dank der speziellen Optik kein Problem: Da es sich mit den vielen Einzelprojektoren um eine mehrkanalige Beleuchtung handelt, wird die Helligkeit zwar unter Umständen etwas verringert, das Licht wird jedoch nie komplett abgedeckt.

In der neuen BMW 7er Reihe ist der Lichtteppich mittlerweile serienmäßig enthalten. »Damit haben wir mit unserer Entwicklung erstmalig einen Volumenmarkt erreicht«, freut sich Bräuer. Doch das Forscherteam hat auch neue Einsatzgebiete im Blick: »Die Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Arraybeleuchtung sind extrem breit gefächert und reichen von Beleuchtungslösungen für die Sicherheits- und Medizintechnik über den Maschinenbau bis hin zu klassischen Signalleuchten«, so der Wissenschaftler.

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Tarnkappe könnte Solarzellen-Effizienz erhöhen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.09.2015

Nach dem Prinzip einer Tarnkappe: Material tarnt Kontaktfinger, die bei Solarzellen für die Stromableitung dienen und die aktive Fläche bedecken – Messungen bestätigen Tarnung der Kontakte

Ein Erfolgsfaktor für die Energiewende ist der Ausbau der erneuerbaren Energien. Allerdings ist deren Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Energiequellen zum Teil noch deutlich geringer. Die Effizienz von handelsüblichen Solarzellen beispielsweise liegt bei etwa 20 Prozent. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) veröffentlichten nun einen unkonventionellen Weg, um die Effizienz der Panels zu steigern: Optische Tarnkappen leiten das Sonnenlicht um Objekte, wie etwa die Kontakte zur Stromabfuhr herum, die eigentlich einen Schatten auf das Solarpanel werfen. DOI: 10.1364/OPTICA.2.000850

Aber nicht nur für die Energiewende, sondern auch zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit muss die Energieeffizienz von Solarpanels deutlich verbessert werden. Module, wie sie heute auf Dächern montiert werden, wandeln nur ein Fünftel des Lichts in Strom um, das bedeutet, dass etwa 80 Prozent der Sonnenenergie verloren gehen. Die Gründe für die hohen Verluste sind vielfältig. Beispielsweise ist bis zu einem Zehntel der Fläche der Solarzellen mit sogenannten Kontaktfingern bedeckt, die den erzeugten Strom abführen. Dort, wo sich die Kontaktfinger befinden, kann das Licht die aktive Fläche der Solarzelle nicht erreichen, die Effizienz der gesamten Zelle sinkt.

„Unsere Modellexperimente haben gezeigt, dass die Tarnschicht die Kontaktfinger fast vollständig unsichtbar macht“, sagt Doktorand Martin Schumann vom Institut für Angewandte Physik am KIT, der die Experimente und Simulationen durchgeführt hat. Physiker des KIT um den Leiter des Forschungsprojekts Carsten Rockstuhl haben gemeinsam mit Partnern aus Aachen, Freiburg, Halle, Jena und Jülich die am KIT entworfene optische Tarnkappe weiterentwickelt, um das einfallende Licht um die Kontaktfinger der Solarzelle herumzuführen.

Normalerweise ist das Ziel der Tarnkappen-Forschung Objekte unsichtbar zu machen. Dafür wird Licht um das zu tarnende Objekt herum geleitet. Bei diesem Forschungsprojekt lag der Fokus aber nicht auf der Tarnung der Kontaktfinger an sich, sondern auf dem umgeleiteten Licht, das dank der Tarnkappe potenziell die aktive Fläche der Solarzelle erreicht und damit für diese nutzbar gemacht wird.

Um den Tarneffekt zu erzielen, gingen die Wissenschaftler zwei Möglichkeiten nach. Bei beiden Verfahren wird auf die Solarzelle eine Polymerschicht aufgebracht. Diese muss exakt berechnete optische Eigenschaften besitzen, nämlich entweder einen Brechungsindex, der vom Ort abhängt, oder eine spezielle Oberflächenform. Das zweite Konzept ist besonders vielversprechend, da es sich potenziell auch kostengünstig in die Massenproduktion von Solarzellen integrieren lässt. Die Oberfläche der Tarnschicht weist dabei Rillen auf, die entlang der Kontaktfinger ausgerichtet sind. So wird das einfallende Licht von den Kontaktfingern weg gebrochen und trifft schließlich auf die aktive Fläche der Solarzelle.

Die Forscher haben in einem Modellexperiment und anhand von ausführlichen Simulationen gezeigt, dass sich beide Konzepte dazu eignen, die Kontaktfinger zu tarnen. Im nächsten Schritt ist geplant, die Tarnschicht auf eine Solarzelle aufzubringen, um die tatsächliche Effizienzsteigerung zu bestimmen. Die Physiker sind optimistisch, dass sich auch unter realen Bedingungen eine Verbesserung durch die Tarnschicht ergibt: „Wenn man eine derartige Schicht auf eine echte Solarzelle aufbringt, sollten sich die optischen Verluste durch die Kontaktfinger reduzieren und die Effizienz sollte um bis zu zehn Prozent steigen“, sagt Martin Schumann. (sis)

Veröffentlichung:
Martin F. Schumann, Samuel Wiesendanger, Jan Christoph Goldschmidt, Benedikt Bläsi, Karsten Bittkau, Ulrich W. Paetzold, Alexander Sprafke, Ralf B. Wehrspohn, Carsten Rockstuhl, and Martin Wegener, „Cloaked contact grids on solar cells by coordinate transformations: designs and prototypes,“ Optica 2, 850-853 (2015)
DOI: 10.1364/OPTICA.2.000850

Externer Link: www.kit.edu

Spintronik: Neue Theorie zu Spinwellen in Magnetfeldern

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 16.09.2015

Kooperation von Physikern aus Regensburg und Halle

Physiker der Universität Regensburg und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben auf der Grundlage von Experimenten eine neue Theorie entwickelt, um die nicht-linearen Eigenschaften sogenannter Spinwellen bei kleinen Magnetfeldern besser beschreiben zu können. Mit Hilfe des neuen Modells können Vorhersagen zum Verhalten dieser Wellen schneller und genauer getroffen werden. Das Verständnis dieser nicht-linearen Eigenschaften von Spinwellen wird zum Beispiel für die Entwicklung neuer Speichertechnologien benötigt. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

In der Spintronik nutzen Wissenschaftler die magnetischen Eigenschaften von Elektronen aus. Eine zentrale Eigenschaft ist dabei der sogenannte Spin, eine Art Eigendrehimpuls, der ein magnetisches Moment bewirkt. Die einzelnen magnetischen Momente sind in einem ferromagnetischen Material gekoppelt und parallel ausgerichtet. Werden diese Momente nacheinander ausgelenkt, so breitet sich die Anregung wellenartig aus. „Spinwellen beschreiben den kollektiven Anregungszustand von magnetischen Systemen“, erläutert Prof. Dr. Christian Back vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, einer der Autoren der neuen Studie.

Magnetische Materialien werden heute in der Informations- und Speichertechnologie genutzt, um immer kleinere und schnellere Speicher herstellen zu können, zum Beispiel Festplatten von Computern. So können Daten inzwischen in einer nur wenige Nanometer dicken magnetischen Schicht gespeichert werden. „Damit das funktioniert, ist es wichtig, dass die magnetischen Momente ihren Zustand mit der Zeit nicht verändern“, erklärt Prof. Dr. Georg Woltersdorf, der kürzlich von der Universität Regensburg an das Institut für Physik an der MLU gewechselt ist. Zum Umschalten sind eigentlich große Magnetfelder erforderlich. „Eine Alternative ist die resonante Anregung mit magnetischen Wechselfeldern im Gigaherzbereich. Dabei werden große Amplituden erreicht und die Magnetisierung reagiert nicht-linear.“, so Woltersdorf.

Damit diese Technologie funktionieren kann, sind korrekte Vorhersagen zum Verhalten der Spinwellen innerhalb der Bauteile nötig. Die bisherigen Modelle, um dieses Verhalten zu beschreiben, waren aber bei kleinen Magnetfeldern nicht anwendbar. Gerade dies ist jedoch für manche Bauelemente in der Spintronik von großem Interesse.

Ihre Experimente haben die Wissenschaftler im Synchrotron BESSY II des Helmholtz Zentrums Berlin durchgeführt. Dabei handelt es sich um einen deutschlandweit einzigartige Großforschungsanlage, an der sich Röntgenstrahlung erzeugen lässt, deren Energie und Polarisation exakt eingestellt werden kann. Das Messinstrument am BESSY II wurde im Rahmen eines BMBF Verbundforschungsprogramms unter der Leitung von Prof. Back aufgebaut. Mit den Experimenten konnten die Forscher die magnetische Resonanz messen und dabei die Amplitude der Magnetisierung exakt bestimmen. Anhand dieser Beobachtungen konnten die Physiker eine neue und verbesserte Theorie entwickeln: „Wir haben jetzt nicht nur ein genaueres Verständnis davon, wie nicht-lineare Dynamik bei kleinen Magnetfeldern abläuft“, so Woltersdorf. „Unser Modell lässt sich sowohl bei kleinen als auch bei großen Magnetfeldern anwenden.“ (Alexander Schlaak)

Angaben zur Publikation:
Bauer, H. G. et al. Nonlinear spin-wave excitations at low magnetic bias fields. Nat. Commun. 6:8274, DOI: 10.1038/ncomms9274 (2015).

Externer Link: www.uni-regensburg.de