Schritt in Richtung Massenmarkt

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 05.05.2021

Redox-Flow-Batterien eignen sich hervorragend, um große Mengen regenerativer Energien zu speichern. Allerdings waren sie bislang noch zu teuer für den Massenmarkt. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben nun das »Herz« einer Redox-Flow-Batterie – den Stack – vollständig re-designt – und konnten so den Materialeinsatz und die Kosten massiv senken. Dafür erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis.

Sonne und Wind orientieren sich nicht an unserem Strombedarf – regenerative Energie muss daher bis zum Verbrauch gespeichert werden, zum Beispiel in Redox-Flow-Batterien. Diese sind sowohl zyklenstabil – ihre Kapazität nimmt also auch nach tausenden Zyklen nicht merklich ab – als auch nicht brennbar und lassen sich in puncto Leistung und Kapazität auf den Bedarf auslegen. Zudem brauchen sie keine kritischen Materialien, und ihre Elektrolyte können vollständig zurückgewonnen werden. Aber: Bis dato waren sie schlichtweg zu teuer für den Massenmarkt.

Kostengünstig, leicht und kompakt

Forscher des Fraunhofer UMSICHT konnten nun dieses Problem nachhaltig lösen: Sie haben die Herstellungsweise des zentralen elektrisch leitfähigen Kunststoffs neu erfunden, so dass dieser flexibel bleibt und sich verschweißen lässt. Dieses neue Verfahren hat erhebliche Auswirkungen auf die Redox-Flow-Batterien. »Der entwickelte Stack, das Herzstück einer jeden Redox-Flow-Batterie, ist von den Materialkosten her 40 Prozent günstiger, auch die Produktionskosten konnten deutlich gesenkt werden. Der Stack wiegt 80 Prozent weniger als ein herkömmlicher Stack und ist nur etwa halb so groß«, fasst Prof. Christian Doetsch zusammen. Vermarktet wird der Stack vom Spin-off Volterion. Für diese Entwicklung erhalten Christian Doetsch und Lukas Kopietz vom Fraunhofer UMSICHT sowie Dr. Thorsten Seipp von der Volterion GmbH & Co. KG den Joseph-von-Fraunhofer-Preis. Die Jury begründete ihre Entscheidung unter anderem mit »der Ausgründung und dem erfolgreichen Exit von Fraunhofer, die prototypisch den Weg der Vermarktung von neuen Fertigungstechnologien zeigen«.

Üblicherweise bestehen die Stacks aus 160 gestapelten Komponenten, die mit einer Vielzahl von Schrauben und massiven Metallplatten zusammengehalten und mit zahlreichen Dichtungen abgedichtet werden. Ein Teil dieser Komponenten wird spritzgegossen und ist aufgrund der für den Spritzguß notwendigen hohen Drücke und Temperaturen spröde wie eine Bleistiftmine. Um dies zu umgehen, verwendet das Forscherteam zwar ähnliche Ausgangsstoffe, also Grafite und Ruße, ging aber auf andere Art und Weise an den Prozess heran: Pelletförmiger Kunststoff wird auf bis zu minus 80 Grad gekühlt, zu Pulver zermahlen und mit 80 Gewichtsprozent Graphit gemischt. Das entstehende Pulver schickt das Forscherteam durch ein System aus mehreren Walzen mit verschiedenen Temperaturen und Geschwindigkeiten. Zwischen den Walzen wird das Pulver bei moderaten Temperaturen und geringen Drücken kurz aufgeschmolzen, geknetet, zu einer »Endlos-Platte« gewalzt und schließlich aufgerollt. »Das neue Material erhält dabei thermoplastische Eigenschaften, es ist also biegsam und verschweißbar, obwohl der Kunststoff nur einen Anteil von 20 Prozent hat«, erläutert Lukas Kopietz. Der Stack kommt somit ohne eine einzige Dichtung aus, auch Schrauben sind überflüssig – die Zellen werden einfach miteinander verschweißt. Ein weiterer Vorteil: Über diese Methode lassen sich Bipolarplatten nicht nur deutlich schneller und damit kostengünstiger herstellen, es gibt auch keine Größenbegrenzung mehr. Bipolarplatten mit bis zu mehreren Quadratmetern sind problemlos möglich.

In der Volterion GmbH & Co. KG bis zur Batterie umgesetzt

Der zweite entscheidende, weil kostensenkende, Schritt war die Entwicklung eines kontinuierlichen Produktionsverfahrens: das Pulver-zu-Rolle-Verfahren, in dem sich die Bipolarplatten als Endlos-Rolle fertigen lassen. Auf diese Weise lassen sich sehr dünne Platten herstellen. Ist die Plattendicke beim Spritzgießen produktionsbedingt auf mehrere Millimeter begrenzt, kann sie beim Pulver-zu-Rolle-Verfahren zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter dünn werden. Es ist also deutlich weniger Material notwendig, was den Preis wiederum senkt sowie leichtere kompaktere Stacks ermöglicht. »All dies verschafft ganz neue Möglichkeiten in der Konstruktion, die wir in der Volterion GmbH & Co. KG bis hin zur ganzen Batterie umgesetzt haben«, sagt Thorsten Seipp. Mittlerweile hat Volterion bereits über tausend Stacks gebaut und verkauft.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Quantenkryptographie: Neue Methode für abhörsichere Kommunikation

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Pressemeldung der JKU Linz vom 15.04.2021

Die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Bankgeschäfte, E-Mails, Handel – die moderne Gesellschaft ist auf virtuellen Informationsaustausch aufgebaut. Genau das macht sie angreifbar und Cyber-Security zu einem wesentlichen Faktor. Quantentechnologie basierend auf Quantenlicht verspricht eine absolut sichere Kommunikation.

Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz ist es gemeinsam mit der Uni Wien gelungen, erstmalig eine neuartige Quantenlichtquelle für die Erzeugung von verschränkten Lichtteilchen aus Halbleiternanostrukturen für eine sichere Quantenkommunikation zu demonstrieren. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lichtquellen ist die Rauscharmut und im Prinzip hörer Datenrate gegenüber bisher genutzen Lichtquellen.

Mit 85 Bit pro Sekunde ist die Übertragung zwar noch nicht praxistauglich, aber: „Die Quantenübertragung war nicht nur fehlerfrei – sie kann auch nicht mehr unbemerkt abgehört werden“, erklären die JKU Physiker DI Christian Schimpf und Prof. Armando Rastelli (Abteilung für Halbleiterphysik). Jeder Versuch würde die Verschränkung zwischen den Photonen stören – und somit auffallen, noch ehe die Übertragung stattfindet.

Gelungene Übertragung zwischen Gebäuden

Tatsächlich gelungen ist die Informationsübertragung zwischen dem Physikgebäude der JKU und dem Open Innovation Center des Linz Institute of Technology. „Damit ist die technische Machbarkeit nachgewiesen“.

Anders als bei vorherigen Demonstrationen stammen die Photonen erstmalig aus Halbleiternanostrukturen, sogenannten Quantenpunkten, die aus Materialien ähnlich wie herkömmliche Lichtquellen für die faserbasierte Kommunikation aufgebaut sind. Der Vorteil dieser Methode: „Zwar ist noch weitere Forschung notwendig, aber mit unserer Methode sind Übertragungsraten im Bereich von hunderten Megabit pro Sekunde durchaus möglich“, ist Rastelli sicher.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Qualität der erzeugten Photonen. „Quantenpunkte erzeugen wirklich Photonen in einer Qualität, die bisher genutze Photonenquellen nicht erreichen“, so Philip Walther. Daher sind diese Art von Quellen nicht nur für die Quantenkommunikation von Interesse, sondern auch für optische Quantencomputer und Quantensimulatoren. Das Paper wurde gestern im renommierten Journal „Science Advances“ unter dem Titel „Quantum Cryptography with highly entangled photons from semiconductor quantum dots“ publiziert.

EU-Interesse an Forschung

Die Teams aus Linz und Wien sind durch die Partnerschaft in der Lage, ihr Wissen und ihre Erfahrung synergetisch zu kombinieren, um die Quanten-Verschlüsselung weiterzuentwickeln und an weiteren Anwendungen für die Quantenpunkte in den Bereichen Kommunikation, Sicherheit und Informationsverarbeitung zu forschen. Forschung in diesen Bereich wird vom Linz Institute of Technology (LIT) im Rahmen des Projektes „EQKD-QD – Entanglement-Based Quantum Key Distribution with On-Demand Photons Generated by Semiconductor Quantum Dots“, dem LIT Secure and Correct Systems Lab, die FWF Forschungsgruppe FG5 „Multiphoton Experiments with Semiconductor Quantum Dots“ (geleitet von der JKU und mit Partner*innen an der Universität Wien und der Universität Innsbruck) sowie der EU unterstützt. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Elektronenstrahlschmelzen bringt sprödes Metall in Form

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.04.2021

Forschenden des KIT ist es erstmals gelungen, Bauteile aus Wolfram für den Einsatz im Hochtemperaturbereich im 3D-Druck-Verfahren Elektronenstrahlschmelzen herzustellen.

Wolfram hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Ideal für den Einsatz dort, wo es richtig heiß wird, etwa für Weltraumraketendüsen, Heizelemente von Hochtemperaturöfen oder im Fusionsreaktor. Das Metall ist aber zugleich sehr spröde und daher schwer zu verarbeiten. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) fanden nun einen innovativen Ansatz, wie sie „den Spröden geschmeidig machen“: Sie entwickelten für das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens neue Prozessparameter, um damit auch Wolfram verarbeiten zu können.

Das Metall Wolfram verfügt über Eigenschaften, die es als Werkstoff sehr attraktiv machen: Es ist sehr korrosionsbeständig, schwer wie Gold, als Wolframcarbid hart wie Diamant, und es hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Allerdings ist dieses Metall bei Raumtemperatur sehr spröde. Aufgrund seiner Eigenschaften lässt sich Wolfram mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer bearbeiten. Die Verarbeitung ist sehr kostspielig und zeitintensiv im Herstellungsprozess. Eine Alternative bietet der 3D-Druck, mit dem Bauteile so hergestellt werden können, dass sie kaum noch nachbearbeitet werden müssen. „Aktuell arbeiten wir an der additiven Fertigung von Bauteilen aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram mit dem Verfahren Electron Beam Melting, kurz EBM, auch Elektronenstrahlschmelzen genannt“, erklärt Dr. Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Das Forschungsteam konnte den EBM-Prozess erfolgreich für Wolfram anpassen. Die eigens entwickelten Prozessparameter erlauben nun den 3D-Druck von Bauteilen aus Wolfram. „Die Einsatzgebiete dieses Metalls sind beindruckend vielseitig. Durch seine speziellen Eigenschaften ist es für Hochtemperaturanwendungen in Energie- und Lichttechnik sowie für die Raumfahrt und die Medizintechnik ideal geeignet und damit für die moderne Hightech-Industrie unverzichtbar“, so Alexander Klein vom IAM-WK.

Vorwärmen erlaubt Verarbeiten von spröden Werkstoffen

EBM ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die unter Vakuum beschleunigten Elektronen Metallpulver selektiv schmelzen und so Schicht für Schicht, also additiv, ein 3D-Bauteil erzeugen. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht in der verwendeten Energiequelle, dem Elektronenstrahl. Dieser ermöglicht das Vorwärmen des Metallpulvers sowie der Trägerplatte vor dem Schmelzen und reduziert damit Verformungen und Eigenspannungen. Dies erlaubt die Verarbeitung von Werkstoffen, die bei Raumtemperatur leicht brechen und bei hohen Temperaturen verformbar sind. Allerdings müssen die verwendeten Materialien elektrisch leitfähig sein. Für keramische Werkstoffe kommt das Verfahren daher nicht in Frage, da der EBM-Prozess auf dem Prinzip der elektrischen Ladung basiert. Das Vorwärmen des Metallpulvers vor dem Schmelzen reduziert Verformungen.

Leichtbauteile aus Titan für KA-RaceIng

Der EBM-Prozess wurde ursprünglich entwickelt, um Titanlegierungen sowie Materialien, die erhöhte Prozesstemperaturen erfordern, zu verarbeiten. Bisher wurden im Technik-Haus des KIT damit Leichtbauteile aus Titan, zum Beispiel für das Formula-Student-Projekt KA-RaceIng des KIT hergestellt.

Das IAM-WK forscht in den Forschungsprogrammen der Helmholtz-Gemeinschaft und des europäischen Fusionsprogrammes EUROfusion an Materialien und Prozessen, um Hochtemperaturwerkstoffe für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Fusionsenergie oder auch in der Medizintechnik herstellen zu können. (rli)

Externer Link: www.kit.edu

2D-Nanomaterial MXene: Der perfekte Schmierstoff

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Presseaussendung der TU Wien vom 20.04.2021

Bei extremer Hitze oder im Vakuum des Weltraums – ein neuartiges Nanomaterial bringt in Extremsituationen Höchstleistungen, das zeigte die TU Wien mit internationalen Partnern.

Die Fahrradkette kann man mit Öl schmieren, aber was macht man bei einem Marsrover oder bei einem glühend heißen Transportband in der Stahlindustrie? Ganz spezielle Nanomaterialien wurden nun von der TU Wien gemeinsam mit Forschungsgruppen aus Saarbrücken (Deutschland), der Purdue University in den USA und der Universidad de Chile (Santiago, Chile) untersucht.

Die Materialklasse der MXene (sprich: Maxene) sorgte in den letzten Jahren eigentlich im Zusammenhang mit neuartigen Batterie-Technologien für großes Aufsehen. Doch wie sich nun zeigt, sind sie auch ein hervorragender Festschmierstoff, der extrem haltbar ist und auch unter schwierigsten Bedingungen seine Aufgabe dauerhaft erfüllt. Diese bemerkenswerten Eigenschaften der MXene wurden nun im renommierten Fachjournal ACS Nano publiziert.

Wie ein Stapel Papierblätter

Wie das Kohlenstoff-Material Graphen zählen auch die MXene zu den sogenannten 2D-Materialien: Ihre Eigenschaften werden wesentlich dadurch bestimmt, dass es sich um ultradünne Schichten handelt, um einzelne Atomlagen, ohne starke Bindungen nach oben oder unten.

„Man beginnt zunächst mit sogenannten MAX-Phasen, das sind spezielle Schichtsysteme, die etwa aus Titan, Aluminium und Kohlenstoff bestehen“, sagt Prof. Carsten Gachot, Leiter der Tribologie-Gruppe am Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung der TU Wien. „Der entscheidende Trick ist, das Aluminium mit Flusssäure heraus zu ätzen.“

Übrig bleibt dann ein Stapel von atomar dünnen Schichten aus Titan und Kohlenstoff, die ähnlich wie Papierblätter lose aufeinanderliegen. Jede Schicht für sich ist relativ stabil, die Schichten können sich aber gegeneinander problemlos verschieben.

Diese Verschiebbarkeit der atomaren Schichten untereinander macht das Material zu einem hervorragenden Trockenschmiermittel: Ohne Abrieb zu erzeugen wird ein extrem widerstandsarmes Gleiten ermöglicht. Die Reibung zwischen Stahloberflächen konnte damit auf ein Sechstel reduziert werden – und das mit außergewöhnlich hoher Verschleißbeständigkeit: Auch nach 100.000 Bewegungszyklen funktionierte die MXene-Schmierschicht noch problemlos.

Das ist perfekt für den Einsatz unter erschwerten Bedingungen: Während Schmieröl etwa im Vakuum bei Weltraummissionen sofort verdampfen würde, lassen sich MXene in Form von feinem Pulver auch dort einsetzen.

Unabhängig von Atmosphäre und Temperatur

„Man hat Ähnliches auch schon mit anderen Dünnschicht-Materialien versucht, etwa mit Graphen oder Molybdändisulfid“, sagt Carsten Gachot. „Aber sie reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Wassermoleküle können die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Schichten verändern. Bei MXenen spielt das hingegen eine geringere Rolle.“

Ein weiterer, entscheidender Vorteil ist die Hitzebeständigkeit von MXenen: „Viele Schmiermittel oxidieren bei großer Hitze und verlieren dabei ihre Schmierfähigkeit. MXene hingegen sind viel stabiler, man kann sie sogar in der Stahlindustrie einsetzen, wo mechanisch bewegte Teile schon mal eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius erreichen können“, erklärt Gachot.

Untersucht wurde das pulverförmige Schmiermittel in mehreren Experimenten an der TU Wien von Dr. Philipp Grützmacher aus Prof. Gachots Arbeitsgruppe sowie der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und der Purdue Universität in den USA. Wesentlichen Anteil an der Initiierung und Konzeption der Arbeit hatte dabei am anderen Ende der Welt Prof. Andreas Rosenkranz in Chile.

„Auch von Seiten der Industrie gibt es bereits großes Interesse an diesen Materialien. Wir gehen davon aus, dass solche MXene schon bald in größerem Maßstab hergestellt werden können“, ist Carsten Gachot zuversichtlich. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
P. Grützmacher et al., Superior Wear-Resistance of Ti3C2Tx Multilayer Coatings, ACS Nano, 2021.

Externer Link: www.tuwien.at