Kategorie: Forschung

Entdeckung neuer Werkstoffe mit Hilfe von maschinellem Lernen

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Überblick über das Framework für aktives Lernen zur Entwicklung von Hochentropie-Legierungen. Das Framework kombiniert Modelle für maschinelles Lernen, auf der Dichtefunktionaltheorie basierende Berechnungen, thermodynamische Simulationen und experimentelles Feedback.

Überblick über das Framework für aktives Lernen zur Entwicklung von Hochentropie-Legierungen. Das Framework kombiniert Modelle für maschinelles Lernen, auf der Dichtefunktionaltheorie basierende Berechnungen, thermodynamische Simulationen und experimentelles Feedback. (Bild: Science)

Neuartige Werkstoffe sind der Schlüssel für die Transformation zu einer nachhaltigeren Wirtschaft. Die Suche nach neuen Werkstoffen, die die Anforderungen einer spezifischen Technologie erfüllen, sowie deren Design sind allerdings zeit- und kostenintensiv. Insbesondere bei Hochentropie-Legierungen, die aus festen Lösungen mehrerer Hauptelemente bestehen, wird die Anzahl möglicher Kombinationen so groß, dass nicht mehr mit Methoden von Versuch und Irrtum gearbeitet werden kann. Ein internationales Forschungsteam hat nun ein Framework für aktives maschinelles Lernen in einem geschlossenen Regelkreis entwickelt, dass die experimentelle Effizienz bei der Identifizierung neuer Legierungen mit gewünschten Eigenschaften um Größenordnungen verbessert und so Zeit und Geld spart. Weiterlesen

Additive Fertigung im Flug

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Drohnen als 3D-Drucker: Mit einem Schwarm solcher selbständig fliegender Roboter hat eine internationalen Forschungsgruppe Strukturen aus Zement gedruckt. Ein Team um Stefan Leutenegger, Professor für Machine Learning in Robotics an der TUM, hat dafür gesorgt, dass die Drohnen die notwendigen präzisen Flugmanöver ausführen konnten.

Drohnen als 3D-Drucker: Mit einem Schwarm solcher selbständig fliegender Roboter hat eine internationalen Forschungsgruppe Strukturen aus Zement gedruckt. Ein Team um Stefan Leutenegger, Professor für Machine Learning in Robotics an der TUM, hat dafür gesorgt, dass die Drohnen die notwendigen präzisen Flugmanöver ausführen konnten. (Bildquelle: Vijay M. Pawar & Robert Stuart-Smith / University College London, Department of Computer Science, London.)

Ein internationales Forschungsteam hat fliegende 3D-Drucker entwickelt, die kooperativ Strukturen bauen und reparieren können. Die Inspiration für das Projekt liefern Bienen und Wespen. Die Technologie könnte in Zukunft für Konstruktionsmaßnahmen an schwer zugänglichen oder gefährlichen Orten, etwa an hohen Gebäuden, zum Einsatz kommen, so die Forschenden.

3D-Druck gewinnt in der Bauindustrie zunehmend an Bedeutung. Sowohl auf Baustellen als auch in Fabriken drucken stationäre und mobile Roboter Strukturen für den Einsatz in Bauprojekten, beispielsweise aus Stahl oder Beton. Im Fachmagazin „Nature“ beschreibt ein internationales Forschungsteam das Projekt „Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM)“. Dieser neue Ansatz für den 3D-Druck mit fliegenden Robotern, die kooperativ arbeiten, ist von Baumeistern aus der Natur wie Bienen und Wespen inspiriert. Weiterlesen

Grüne Klebstoffe aus Molke

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© Fraunhofer IKTS Nach der Fermentation der Melasse im Bioreaktor wird das entstandene Gas-Dampf-Gemisch durch ein Membranmodul geleitet und das wertvolle Ethylacetat abgetrennt.

© Fraunhofer IKTS
Nach der Fermentation der Melasse im Bioreaktor wird das entstandene Gas-Dampf-Gemisch durch ein Membranmodul geleitet und das wertvolle Ethylacetat abgetrennt.

Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, bei dem aus Molke wertvolles Ethylacetat in hoher Reinheit gewonnen wird. Dieses kann beispielsweise für die Herstellung umweltfreundlicher Klebstoffe verwendet werden und ersetzt damit das herkömmliche Ethylacetat aus fossilen Rohstoffen. Auch die aufwendige Entsorgung der bei der Molke-Verarbeitung entstehenden Melasse wird damit überflüssig.

In der Milchindustrie fallen täglich große Mengen Molke als Nebenprodukt an. Allein in Deutschland sind das Jahr für Jahr 12,6 Millionen Tonnen. So entstehen bei der Herstellung eines Kilogramms Käse beispielsweise neun Kilogramm Molke. Sie wird teilweise weiterverarbeitet, etwa zu Trinkmolke mit Fruchtzusatz oder anderen Mischgetränken. Trennt man die in der Molke enthaltene Laktose sowie die Proteine ab, lassen sich diese ebenfalls nutzen, etwa als Rohstoff in der Pharmazie oder auch in Babynahrung. Doch nach Abtrennung von Proteinen und Laktose bleibt eine Melasse zurück. Deren Entsorgung ist aufgrund des relativ hohen Salzgehalts äußerst aufwendig und teuer. Weiterlesen

Highspeed für die Batteriezellproduktion

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Lithium-Ionen-Batteriezellen bestehen zu einem wesentlichen Teil aus Elektroden, die sauber übereinanderliegen liegen müssen. In der industriellen Herstellung ist der Aufbau dieses Elektrodenstapels bislang ein technisch und zeitlich besonders aufwändiger Prozess. Viele aufeinanderfolgende Handhabungsschritte und Qualitätskontrollen verlangsamen den Stapelaufbau, sind zur präzisen und beschädigungsfreien Positionierung und Fixierung der Elektroden im Stapel jedoch notwendig. Aufgrund der herausfordernden Positionierung und Fixierung ist die bisherige Stapelbildung der wesentliche Engpass der Batteriezellproduktion und verhindert damit eine kostengünstige und durchsatzstarke Serienfertigung. Zur deutlichen Steigerung der Geschwindigkeit und gleichzeitigen Vermeidung von Beschädigungen in der Stapelbildung wurde an der Technischen Universität Braunschweig ein innovatives Verfahren entwickelt. Weiterlesen

Hochreflektierende Spiegel aus dem Tintenstrahldrucker

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Farbige, gedruckte Spiegelschicht auf einer Folie. Der Tintenstrahldruck erlaubt die Strukturierung, sodass auch großflächige Logos gedruckt werden können (Foto: Qihao Jin, KIT; DOI: 10.1002/adma.202201348)

Farbige, gedruckte Spiegelschicht auf einer Folie. Der Tintenstrahldruck erlaubt die Strukturierung, sodass auch großflächige Logos gedruckt werden können (Foto: Qihao Jin, KIT; DOI: 10.1002/adma.202201348)

Forschende des KIT entwickeln ein Verfahren, mit dem erstmals Spiegel mit einer Reflektion von mehr als 99 Prozent in variabler Größe gedruckt werden können

Dielektrische Spiegel, auch Bragg-Spiegel genannt, können Licht fast vollständig reflektieren. Damit eignen sie sich für zahllose Anwendungen, etwa in Kamerasystemen, in der Mikroskopie, in der Medizintechnik oder in Sensorsystemen. Bisher mussten diese Spiegel aufwendig in teuren Vakuumapparaturen hergestellt werden. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun erstmalig Bragg-Spiegel in hoher Qualität mit Tintenstrahldruckern gedruckt. Das Verfahren könnte den Weg zu einer digitalen Fertigung von maßgeschneiderten Spiegeln eröffnen. Weiterlesen

Grüner Wasserstoff aus Pflanzenresten

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© Leins Aktenvernichtungs GmbH / Jochen Weiblen Aus Holzabfällen sollen im Projekt H2Wood – BlackForest Biowasserstoff und biobasierte Koppelprodukte entstehen.

© Leins Aktenvernichtungs GmbH / Jochen Weiblen
Aus Holzabfällen sollen im Projekt H2Wood – BlackForest Biowasserstoff und biobasierte Koppelprodukte entstehen.

Bislang werden Grünabfälle und Klärschlamm meist kompostiert oder verbrannt. Sinnvoller wäre es, daraus den wertvollen Energieträger Wasserstoff zu gewinnen. Dieses Ziel verfolgt ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Das bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Abfällen entstehende CO2 wird dabei abgeschieden und beispielsweise in der chemischen Industrie als Rohstoff verwendet. Auf diese Weise stellen die Forschenden aus dem Bioabfall mit unterschiedlichen Verfahren Wasserstoff mit einem negativen CO2-Fußabdruck her. Es wird also der Atmosphäre CO2 entzogen. Weiterlesen

CO2-neutrale Aluminiumherstellung

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Bei der Aluminiumgewinnung wird pro Tonne Rohmaterial ein Vielfaches an CO2 ausgestoßen. Daran hat sich in fast eineinhalb Jahrhunderten industrieller Aluminiumerzeugung nicht viel geändert. Isabella Gallino vom Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe der Universität des Saarlandes möchte dies nun gemeinsam mit dem Industriepartner Trimet ändern. Sie erforschen eine Methode, bei der statt CO2 reiner Sauerstoff als Nebenprodukt anfällt.

Manche Dinge brauchen Zeit, die einen mehr, die anderen weniger. Im Falle von Isabella Gallino und gemessen an menschlichen Maßstäben war es schon eine ordentliche Zeit, die vergehen musste, bis das Thema ihrer Doktorarbeit nun Eingang in die Praxis findet, nämlich gut 20 Jahre. Es könnte aber ein Eingang mit großem Bahnhof sein, denn Gallinos Doktorarbeit ebnet möglicherweise einem Paradigmenwechsel in der energieintensiven Aluminiumindustrie den Weg. Am Ende steht nichts weniger als die Möglichkeit, Aluminium CO2-neutral herstellen zu können. Weiterlesen

Druckbarer Klebstoff für Solarmodule

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Solarmodule mit Drucktechniken fertigen – das könnte bei der Energiewende das Tempo erhöhen und gleichzeitig die Kosten senken. Möglich wird das mithilfe eines leitfähigen und druckbaren Klebstoffs, den Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und das Unternehmen PROTAVIC INTERNATIONAL in einem gemeinsamen Projekt zur Marktreife bringen. Beim Innovationswettbewerb NEULAND haben sie nun den Transferpreis gewonnen.

Der Spezialkleber soll die Herstellung von Photovoltaik-Modulen stark vereinfachen und dabei den Energie- und Materialverbrauch senken. „Dank der neuen Klebetechnologie werden Lötverbindungen überflüssig“, erklärt Professor Norbert Willenbacher das neue Verfahren, das er mit seinem Team am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) des KIT entwickelt hat. Weiterlesen

Neue Präzisionsmethode – Fluoreszenzmesstechnik zur Qualitätssicherung in der Produktion

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© Fraunhofer / Piotr Banczerowski Chancen für die Produktion: Die Technologie ist nicht nur präzise, sondern auch inline-fähig.

© Fraunhofer / Piotr Banczerowski
Chancen für die Produktion: Die Technologie ist nicht nur präzise, sondern auch inline-fähig.

Von »qualitativ« zu »quantitativ« sind es nur ein paar Buchstaben – und doch ist der Weg mitunter weit. So auch bei der Fluoreszenzmesstechnik: Mit ihr waren bisher meist nur qualitative Untersuchungen möglich. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM entlockt der Methode nun erstmals quantitative Messwerte mit hoher Ortsauflösung und wird dafür mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnet.

Bisher galten fluoreszenzbasierte Techniken eher als Schätzeisen denn als zuverlässige, quantitative Messverfahren: Schließlich braucht es nicht nur präzise Referenzen, um das Verfahren zu kalibrieren, sondern auch ein tiefes Verständnis der Effekte, die die Fluoreszenzstrahlung beeinflussen. »Wir konnten aus dem Schätzeisen eine robuste und extrem schnelle Präzisionsmessmethode entwickeln«, erläutert Dr. Albrecht Brandenburg vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. Weiterlesen

Technologiespezifische Rohstoffe zeigen in der Ökobilanz sehr kurze Nutzungsdauer

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Wie lange werden metallische und mineralische Rohstoffe im Wirtschaftskreislauf genutzt – und wann endet ihre Verwendbarkeit? Diese Fragen zur Ökobilanz von 61 Metallen beantworten Forschende aus Bordeaux, Augsburg und Bayreuth. In einer mehrjährigen Forschungskooperation wurden veröffentlichte und auch selbst erfasste Daten zu 61 Metallen analysiert. Wichtigste Erkenntnis: gerade die technologiekritischen Rohstoffe haben eine sehr kurze Nutzungsdauer.

Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

Verteilung von Metallverlusten je Phase im Nutzungskreislauf und durchschnittliche Lebensdauer von Metallen in der Wirtschaft. © Nature Sustainability

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