Kategorie: Forschung

Energieverbrauch mit Phasenwechselmaterialien reduzieren

  Von , , ,
Herstellung von PCM-Emulsionen im Labor© Fraunhofer ISE Herstellung von PCM-Emulsionen im Labor

Herstellung von PCM-Emulsionen im Labor
© Fraunhofer ISE
Herstellung von PCM-Emulsionen im Labor

Phasenwechselmaterialien, auch Phase Change Materials (PCM) genannt, sind ein wichtiger Baustein im effizienten Thermomanagement. Ihr Einsatz ermöglicht es, Energie einzusparen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickeln zusammen mit Industriepartnern Emulsionen aus Phasenwechselmaterialien und Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen etwa für die Gebäudeklimatisierung und die Kühlung von Industriemaschinen. Die neuen PCM-Emulsionen erreichen die doppelte Speicherdichte von Wasser.

Wasser hat sich als Wärmeträger bewährt, wenn es beispielsweise darum geht, Wärme vom Heizkessel zum Heizkörper zu transportieren oder Kühldecken mit Kälte zu versorgen. Doch der Wärmeträger bekommt Konkurrenz: Im Projekt Optimus entwickeln Forschende am Fraunhofer ISE in Freiburg gemeinsam mit Partnern aus der Industrie PCM-Emulsionen mit hoher Speicherdichte für den Einsatz in Gebäuden und der Industrie, aber auch für die Anwendung in Wärmepumpensystemen und zur Batteriekühlung in Kraftfahrzeugen. Weiterlesen

Materialien: Metallorganische Gerüste mit metallischer Leitfähigkeit

  Von , , ,
Metallische Leitfähigkeit bei MOF-Dünnschichten eröffnen neue Perspektiven in der Elektronik- und Energieforschung. (Foto: Lena Pilz, KIT)

Metallische Leitfähigkeit bei MOF-Dünnschichten eröffnen neue Perspektiven in der Elektronik- und Energieforschung. (Foto: Lena Pilz, KIT)

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) zeichnen sich durch hohe Porosität und eine anpassbare Struktur aus. Sie besitzen enormes Potenzial, zum Beispiel für Anwendungen in der Elektronik. Doch bisher schränkte ihre geringe elektrische Leitfähigkeit ihren Einsatz stark ein. Mithilfe von KI- und robotergestützter Synthese in einem selbststeuernden Labor ist es Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen in Deutschland und Brasilien nun gelungen, eine MOF-Dünnschicht anzufertigen, die Strom leitet wie Metalle. Damit eröffnen sich in der Elektronik und der Energiespeicherung – von Sensorik über Quantenmaterialien bis hin zu Funktionswerkstoffen – neue Möglichkeiten. Weiterlesen

Metamaterialien: Stark verdrehte Stäbe speichern große Mengen Energie

  Von , ,
Das Modell zeigt die spiralförmige Verformung des Metamaterials. Dank dieses Mechanismus lässt sich eine große Menge Energie speichern, ohne dass es zu Brüchen kommt. (Abbildungen: IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT)

Das Modell zeigt die spiralförmige Verformung des Metamaterials. Dank dieses Mechanismus lässt sich eine große Menge Energie speichern, ohne dass es zu Brüchen kommt. (Abbildungen: IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT)

Mechanische Metamaterialien mit hoher elastischer Energiedichte hat ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniertes internationales Team von Forschenden entwickelt. Dank stark verdrehter Stäbe, die sich spiralförmig verformen, weisen sie eine hohe Steifigkeit auf und können große Mengen elastischer Energie aufnehmen und wieder abgeben.

Ob Federn zur Energieaufnahme, Puffer für die Energiespeicherung, aber auch flexible Strukturen in der Robotik oder in energieeffizienten Maschinen: Viele Technologien erfordern eine mechanische Energiespeicherung. Dabei wird kinetische Energie, also Bewegungsenergie, oder entsprechende mechanische Arbeit so in elastische Energie umgewandelt, dass sie bei Bedarf wieder vollständig freigesetzt werden kann. Zentrale Kenngröße dafür ist die Enthalpie – die Energiedichte, die sich in einem Materialelement speichern und zurückgewinnen lässt. Peter Gumbsch, Professor für Werkstoffmechanik am Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT, erklärt die Herausforderung, eine möglichst hohe Enthalpie zu erreichen: „Die Schwierigkeit besteht darin, widersprüchliche Eigenschaften zu kombinieren: hohe Steifigkeit und große rückstellbare Verformung bei limitierter Festigkeit.“ Weiterlesen

Smarte Textilien und Oberflächen – Wie eine leichte Folie noch mehr Leben in die Technik bringt

  Von , ,
© Oliver DietzeForscher Sebastian Gratz-Kelly zeigt ein Sensorelement mit metallbeschichteter Folie: Das Touchpad – hier auf einem Armband – erkennt Druck und Bewegungsrichtung des Fingers, der darüberstreicht. Mit maschinellem Lernen und KI kann es Buchstaben und Formen entziffern.

© Oliver Dietze: Forscher Sebastian Gratz-Kelly zeigt ein Sensorelement mit metallbeschichteter Folie: Das Touchpad – hier auf einem Armband – erkennt Druck und Bewegungsrichtung des Fingers, der darüberstreicht. Mit maschinellem Lernen und KI kann es Buchstaben und Formen entziffern.

Kleider übertragen virtuelle Berührungen auf die Haut, Displays bestätigen Eingaben mit Nachdruck, sogar Lautsprecher werden ultraleicht: Die dünne Silikonfolie, die all dies möglich macht, bewegt sich nach Wunsch, sie vibriert, klopft, drückt oder zieht. Alles nur mit elektrischer Spannung.

Die Folie ist fast so dünn wie Frischhaltefolie und ein wahrer Tausendsassa. Mit ihr kann das Team der Professoren Stefan Seelecke und Paul Motzki von der Universität des Saarlandes den Dingen auf energiesparende Weise neue Fähigkeiten verleihen. Auf Textilien angebracht, macht sie den eigenen Körper in der virtuellen Realität etwa von Computerspielen spürbar. Indem sich die Folie bewegt und mit wohl dosierter Kraft drückt, überträgt sie Berührungsempfindungen auf die Haut. Als dehnbare Schicht im Arbeitshandschuh gibt sie weiter, wie Hand und Finger sich bewegen und lässt den Computer Gesten verstehen. Auf flache Displays zaubert die Folie Knöpfe, Schalter oder Schieberegler, die auftauchen und wieder verschwinden. Sogar stromsparende leichte Lautsprecher, Signalgeber oder schallschluckende Textilien zählen zu den Prototypen, die die Experten für smarte Materialsysteme an der Universität und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (Zema) entwickeln. Weiterlesen

Neuartige Materialien weisen Wasser nahezu vollständig ab

  Von , ,

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) haben ein Oberflächenmaterial entwickelt, das Wasser fast vollständig abweist. Mit einem völlig neuen Verfahren veränderten sie metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) – künstlich designte Materialien mit neuen Eigenschaften – mithilfe von Kohlenwasserstoffketten. Die so entstandenen superhydrophoben, also hochgradig wasserabweisenden Eigenschaften sind für den Einsatz als selbstreinigende Oberflächen interessant, die robust gegenüber Umwelteinflüssen sein müssen, beispielsweise bei Automobilen oder in der Architektur.

Links: Poröses Substrat mit geringem Wasserkontaktwinkel: Die Oberfläche nimmt viel Flüssigkeit auf. Rechts: Das neue Material weist einen großen Wasserkontaktwinkel auf und ist somit nahezu völlig wasserabweisend. (Foto: KIT)

Links: Poröses Substrat mit geringem Wasserkontaktwinkel: Die Oberfläche nimmt viel Flüssigkeit auf. Rechts: Das neue Material weist einen großen Wasserkontaktwinkel auf und ist somit nahezu völlig wasserabweisend. (Foto: KIT)

Weiterlesen

Mit KI schneller zu besseren Photovoltaik-Materialien

  Von , , ,

Perowskit-Solarzellen gelten als flexible und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Solarzellen auf Silizium-Basis. Forschende fanden nun innerhalb weniger Wochen neue organische Moleküle, mit denen sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen steigern lässt. Zu dem internationalen Team gehören auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich. Die Wissenschaftler kombinierten dabei geschickt den Einsatz von KI mit vollautomatischer Hochdurchsatz-Synthese. Die entwickelte Strategie ist auf andere Bereiche der Materialforschung übertragbar, etwa auf die Suche nach neuen Batteriematerialien.

Nah am Optimum: Dank geschicktem Einsatz von KI konnten Forschende neue Materialien für hocheffiziente Solarzellen identifizierenCopyright: Kurt Fuchs / HI ERN

Nah am Optimum: Dank geschicktem Einsatz von KI konnten Forschende neue Materialien für hocheffiziente Solarzellen identifizieren
Copyright: Kurt Fuchs / HI ERN

Weiterlesen

Biowasserstoff aus Holzabfällen

  Von , ,
© Fraunhofer IGBVon links: Unbehandeltes Altholz, Holz in der Aufschlusslösung, Cellulosefasern (nach Kochung und Waschgang), Zuckerlösung aus Cellulosefasern, anaerober Wasserstoffproduzent (Bakterien), Mikroalgen

© Fraunhofer IGB
Von links: Unbehandeltes Altholz, Holz in der Aufschlusslösung, Cellulosefasern (nach Kochung und Waschgang), Zuckerlösung aus Cellulosefasern, anaerober Wasserstoffproduzent (Bakterien), Mikroalgen

Holzabfälle werden bislang kostenintensiv entsorgt und in Verbrennungsanlagen allenfalls energetisch verwertet. In der Region Schwarzwald nutzen Fraunhofer-Forschende die wertvolle Ressource zur Herstellung von Biowasserstoff. Im Verbundvorhaben H2Wood – BlackForest wurden eigens Fermentationsverfahren mit wasserstoffproduzierenden Bakterien und Mikroalgen zur biotechnologischen Erzeugung des grünen Energieträgers entwickelt. Bereits 2025 soll eine Pilotanlage zur Produktion von Biowasserstoff in Betrieb genommen werden. Eine im Rahmen des Projekts veröffentlichte Untersuchung beleuchtet darüber hinaus die Potenziale, Barrieren und Handlungsmaßnahmen zur regenerativen Wasserstofferzeugung aus Rest- und Altholz in der Region Schwarzwald. Weiterlesen

Mühelosere Bewegungen von Robotern

  Von ,

Im Rahmen eines ERC Advanced Grandes untersucht Prof. Alin Albu-Schäffer seit vier Jahren, wie Roboter Eigenschwingungen nutzen können. (Bildquelle: Andreas Heddergott/TUM)

Menschen und Tiere bewegen sich – ohne bewusst darüber nachzudenken – besonders ökonomisch, indem sie die Eigenschwingungen ihres Körpers nutzen. Ein neues Tool von Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist nun erstmals in der Lage, dieses Wissen für die effizientere Bewegung von Robotern zu nutzen.

Vierbeiner, die sich im Schritt bewegen und langsam schneller werden, fallen irgendwann automatisch in den Trab. Der Grund dafür ist, dass es mehr Energie bräuchte, nicht die Gangart zu wechseln. Dieser Zusammenhang wurde schon vor mehr als 40 Jahren entdeckt. Nun ist es Alin Albu-Schäffer, Professor für Sensorbasierte Robotersysteme und intelligente Assistenzsysteme an der TUM, gelungen, die Methode auf die Bewegung von Robotern zu übertragen.

Experten sprechen von intrinsischer Dynamik, die Menschen und Tiere für ihre energie-effiziente Bewegungen nutzen. Sie passen zum Beispiel die Steifigkeiten ihrer Muskeln an, wenn sie auf einem härteren Untergrund laufen. Diese „intrinsischen“ Anpassungen passieren automatisch und sind schwer zu identifizieren, sowohl im Menschen als auch in komplexen Roboter-Systemen. Weiterlesen

Neue Materialien für eine leistungsfähigere optische Datenübertragung

  Von , ,
ERC Synergy Grant für das ATHENS-Projektteam mit Adrian Schwarzenberger, Professor Stefan Bräse, Professor Christian Koos, Hend Kholeif (v. l. n. r., Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT)

© Amadeus Bramsiepe, KIT ERC Synergy Grant für das ATHENS-Projektteam mit Adrian Schwarzenberger, Professor Stefan Bräse, Professor Christian Koos, Hend Kholeif (v. l. n. r., Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT

Enorm wachsende Datenmengen stellen die Informations- und Kommunikationstechnik vor Probleme. Besonders das digitale Trainieren sogenannter Large-Language-Models für KI-Anwendungen ist eine rechentechnische Mammutaufgabe. Der Flaschenhals dabei ist die Kommunikation zwischen tausenden Prozessoren in riesigen Parallelrechnern. Hierbei spielen optische Transceiver eine zentrale Rolle: Sie wandeln elektrische Informationen in optische Signale um, die dann über eine Glasfaser oder über einen Lichtwellenleiter effizient und schnell übertragen werden können. Bisher werden für die Signalumwandlung in den Transceivern in der Regel Silizium-Bauteile eingesetzt. Dieser Ansatz stößt jedoch zunehmend an Grenzen, da reine Siliziumbauteile zu langsam für die immer größeren Datenmengen sind. Dazu kommt ein hoher Energieverbrauch der vorhandenen Transceiver, der zu einem hohen CO2-Ausstoß der KI-Modelle beiträgt. Weiterlesen

Klimafreundlicher Strom aus Ammoniak

  Von , ,
© Fraunhofer IKTSDemonstrationsanlage zur CO2-freien Stromerzeugung mit Ammoniak in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)

© Fraunhofer IKTS
Demonstrationsanlage zur CO2-freien Stromerzeugung mit Ammoniak in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)

Bei der Stromerzeugung mit Wasserstoff entstehen keine klimaschädlichen Emissionen. Doch Speicherung und Transport des Gases sind technisch anspruchsvoll. Fraunhofer-Forschende nutzen deshalb das leichter handhabbare Wasserstoffderivat Ammoniak als Ausgangsstoff. Im Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stack wird Ammoniak zerlegt und der entstehende Wasserstoff in Strom verwandelt. Die Abwärme kann beispielsweise als Heizenergie genutzt werden.

Auf dem Energieträger Wasserstoff und seinen Derivaten ruhen große Hoffnungen. In der nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung nehmen sie bei der Energiewende eine zentrale Rolle ein. Insbesondere Ammoniak (NH3) hat dabei ein hohes Potenzial, denn Wasserstoff lässt sich in Form von Ammoniak besser speichern und transportieren.

Ein Forschenden-Team mit Prof. Laura Nousch vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden hat auf Basis eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) einen Demonstrator entwickelt, der Ammoniak direkt und mit einem hohen Wirkungsgrad verstromen kann. Strom und Wärme entstehen in einer einzigen kompakten Anlage – ohne CO2-Emissionen oder andere schädliche Nebenprodukte. Weiterlesen