Kategorie: Forschung

Mit High-Performance Computing und Machine Learning zur neuen Generation von kohlenstofffreien Brennkammersystemen

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Über 80 Prozent der weltweit verbrauchten Energie wird durch Verbrennungsprozesse erzeugt. An diesem Wert wird sich, nach heutigem Kenntnisstand, mittelfristig wenig ändern. Verbrennungsvorgänge, die beispielsweise in industriellen Hochöfen, Haushaltsbrennern, Trägerraketen, Gasturbinen und Triebwerken stattfinden, haben einen negativen Einfluss auf das Klima, und es besteht Handlungsbedarf. Ziel ist es, den Brennstoffverbrauch maximal zu senken, damit Verbrennungsprozesse effizienter, sauberer und leiser werden. Dabei treten instationäre Phänomene auf, die sich aus dem unerwünschten Zusammenspiel zwischen der Akustik, der Verbrennung und der Strömung ergeben. Nicht selten führen diese Ereignisse zu kostspieligen Totalschäden an den Prototypen in der Designphase. Forschung und Industrie bemühen sich, diese Vorgänge fundamental zu verstehen, um daraus die Technologie für morgen abzuleiten.

Das interdisziplinäre Projekt „Taming Combustion Instabilities by Design Principles (TACOS)“, für das Prof. Dr. Abdulla Ghani mit dem ERC-Starting-Grant des Europäischen Forschungsrates (European Research Council, ERC) ausgezeichnet wurde, forscht daran, diese instationären Phänomene auszuschließen. Weiterlesen

Eisen als Energiespeicher

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Verbrennung von Eisenpulver in einem Brenner im Industriemaßstab. Das Pulver wird als nachhaltiger Energieträger verwendet.© Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Verbrennung von Eisenpulver in einem Brenner im Industriemaßstab. Das Pulver wird als nachhaltiger Energieträger verwendet. © Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Das Metall könnte künftig Energie aus regenerativen Quellen speichern, etwa für den Transport

Energie aus Sonne oder Wind ist wetterabhängig und es gibt bislang keine effiziente Methode sie zu speichern oder zu transportieren. Forschende des Max-Planck-Institut für Eisenforschung und der TU Eindhoven untersuchen Eisen als möglichen Energieträger. Die Idee ist, Energie in Eisen zu speichern und durch Verbrennung zu Eisenoxid wieder freizusetzen. Das Team arbeitet daran, die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen und die Technik industriell einsetzbar zu machen. Weiterlesen

Herstellung nachhaltiger Recycling-Kunststoffe mithilfe von Mikroorganismen

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Fast 380 Millionen Tonnen Kunststoffe werden derzeit pro Jahr produziert – mit stark steigender Tendenz und den bekannten negativen Folgen für unseren Planeten. Das EU-Projekt „REPurpose“ will daher neue Wege für die effiziente Nutzung von Ressourcen bei der Kunststoff-Herstellung erforschen. Daran beteiligt ist auch das Institut für Systembiotechnologie (iSBio) unter der Leitung von Prof. Christoph Wittmann von der Universität des Saarlandes. Ziel der Saarbrücker Forscherinnen und Forscher ist es, mithilfe von Mikroorganismen Bausteine für nachhaltige Kunststoffe aus Abfällen herzustellen.   Weiterlesen

Selbstvalidierung von komplexen elektronischen Systemen durch Grey-Box-Modelle

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© Fraunhofer IZM Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.

© Fraunhofer IZM
Hybride Modelle kombinieren die Vorteile von physikalischen und datenbasierten Modellen.

Mischt man schwarz und weiß, entsteht grau – und damit eine neuartige Methode, die es ermöglichen soll, dass sich komplexe elektronische Systeme selbst überwachen. Mit sogenannten Grey-Box-Modellen, an denen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeiten, können in Zukunft etwaige Verschleißerscheinungen oder Manipulationen in elektronischen Systemen frühzeitig erkannt werden, bevor es zu einem Ausfall kommt. Erstmals ausgearbeitet und getestet wird das neue Verfahren derzeit am Beispiel von sicherheitskritischen Anwendungen im Automobil- und Bahnbereich. Das Grundprinzip lässt sich aber auch auf viele weitere Einsatzgebiete übertragen. Weiterlesen

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