Kategorie: Forschung

Metamaterialien: Zeitkristall bringt Licht in Schwung

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Forschende des KIT entwickeln erstmals zweidimensionalen photonischen Zeitkristall – Anwendung verspricht Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation und bei Lasern

Photonische Zeitkristalle, deren Eigenschaften sich periodisch ändern, versprechen wesentliche Fortschritte in Mikrowellentechnik, Optik und Photonik. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun zusammen mit Partnern an der Aalto University und der Stanford University erstmals einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall hergestellt und wichtige Anwendungen demonstriert. Ihr Ansatz vereinfacht die Herstellung photonischer Zeitkristalle und kann die Effizienz künftiger Kommunikationssysteme verbessern.

Ein photonischer Zeitkristall in 2D kann Freiraum- und Oberflächenwellen verstärken. (Grafik: Dr. Xuchen Wang, KIT)

Ein photonischer Zeitkristall in 2D kann Freiraum- und Oberflächenwellen verstärken. (Grafik: Dr. Xuchen Wang, KIT)

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Wie Mikroplastik in der Umwelt entsteht

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Abbildung 1 – Darstellung dominierender Umwelteinflüsse auf Polymere in natürlichen Habitaten. [2]

Abbildung 1 – Darstellung dominierender Umwelteinflüsse auf Polymere in natürlichen Habitaten. [2]

Ein zunehmendes gesellschaftliches Bewusstsein für Nachhaltigkeit und Umweltschutz schürt seit Jahren die Debatte rund um die Verwendung von Kunststoffen. Während ihr Einsatz in vielen Anwendungen in der Lebensmittel- und Medizintechnik oder für den Leichtbau schier unverzichtbar ist, spielen Kunststoffe auch bei der Energiewende hin zur nachhaltigen Stromproduktion mittels Windkraft eine unersetzliche Rolle.

Abseits von anspruchsvollen Anwendungen finden Polymere nur noch wenig Akzeptanz. Große Debatten werden über die Sinnhaftigkeit von kurzlebigen Produkten wie Plastikflaschen, Einwegtüten und Verpackungsmaterial geführt. Produkte, die sich in Form von unsachgemäß entsorgtem Müll vor allem in der Umwelt wiederfinden. Neben den unästhetischen Aspekten sorgt die Persistenz von Kunststoffen für weitaus langfristigere Probleme: die unkontrollierte Bildung und Freisetzung von Mikroplastik in die Umwelt. Und der Höhepunkt ist noch längst nicht erreicht. Eine Studie aus dem Jahr 2017 bestimmte eine Menge an 4,9 Billionen Tonnen Plastikmüll, der zwischen 1950 und 2015 in der Umwelt landete. [1] Und der zerfällt eben nur sehr langsam in immer kleinere Partikel. Weiterlesen

Mit Biomasse Seltene Erden recyceln

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Prof. Thomas Brück bei der Probenentnahme am Photobiorektor am Werner Siemens Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie. Diese Bioreaktoren nutzten die Forschenden, um Biomasse der untersuchten Cyanobakterien-Stämme zu produzieren.

Prof. Thomas Brück bei der Probenentnahme am Photobiorektor am Werner Siemens Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie. Diese Bioreaktoren nutzten die Forschenden, um Biomasse der untersuchten Cyanobakterien-Stämme zu produzieren. (Bildquelle: Andreas Heddergott / TUM)

Seltene Erden sind essenziell für zahllose Hightech-Anwendungen. Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es jetzt gelungen, diese Metalle mithilfe von bisher nicht untersuchten Bakterienstämmen aus wässriger Lösung zu recyceln.

Windkraftanlagen, Katalysatoren, Glasfaserkabel und Plasma-Bildschirme: Sie alle enthalten Seltene Erden. Da die 17 Metalle, die unter diesem Begriff zusammengefasst werden, für die modernen Technologien unentbehrlich sind, steigen die Nachfrage und die Kosten stetig. Das Vorkommen ergiebiger Abbaustätten ist begrenzt und die Produktion oft aufwändig und umweltschädlich. Die Vorteile, diese Ressourcen so effizient wie möglich zu recyceln, etwa aus Industrieabwässern in den Bereichen Bergbau, Elektronik oder chemische Katalysatoren, liegen also auf der Hand. Weiterlesen

KI beschleunigt Qualitätskontrolle für MEMS-Sensoren

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MEMS-Beschleunigungs-Sensor-Kern mit Milbe zum Größenvergleich. Detektionsstrukturen mit Genauigkeitsanforderungen im sub-µm-Bereich. Die gesamte Funktional-Struktur hat Dimensionen von etwa 1mm. Quelle: Bosch

MEMS-Beschleunigungs-Sensor-Kern mit Milbe zum Größenvergleich. Detektionsstrukturen mit Genauigkeitsanforderungen im sub-µm-Bereich. Die gesamte Funktional-Struktur hat Dimensionen von etwa 1mm. Quelle: Bosch

„Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme“ (MEMS) begegnen uns in Form von Sensoren überall: Im Auto aktivieren sie den Airbag, im Smartphone erkennen sie Bildschirm-Drehungen. Die Qualitätsprüfung der Sensoren ist allerdings zeitaufwändig. Forschende des KI-Produktionsnetzwerks am Lehrstuhl für Mechatronik arbeiten gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH daran, diesen Produktionsschritt mit Hilfe von künstlicher Intelligenz (KI) zu beschleunigen.

Die Herausforderung

Ein Sensor ist nur wenige Millimeter groß, nahezu atomar feine Strukturunterschiede bestimmen seine Genauigkeit. Äußere Faktoren wie zum Beispiel Temperatur wirken sich ebenfalls auf die Sensoren aus. „Der beste Weg, die Messgenauigkeit zu festzustellen, liegt in der Überprüfung der Konstruktionsgrößen aller im Sensor verbauten Komponenten. Wir sprechen von Strukturgrößen von Milliardstel Metern und Massen von Millionstel Gramm“, verdeutlicht Prof. Dr. Lars Mikelsons, Inhaber des Lehrstuhls für Mechatronik, die Herausforderung. Bisher werden diese Größen mit sehr genauen, aber zeitaufwändigen mathematischen Verfahren überprüft. Bei Stückzahlen im Millionenbereich stoßen diese allerdings an ihre Grenzen, künstliche Intelligenz eröffnet hier neue Möglichkeiten. Weiterlesen

Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 2

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Das Polymer Laser Sintern wird zu den additiven Fertigungsverfahren gezählt und erfreut sich aufgrund kurzer Produktzyklen und hoher Freiheitsgrade in der Fertigung immer größerer Beliebtheit. Die breitere Anwendung des Verfahrens wird unter anderem noch durch eine begrenzte Materialauswahl behindert, welche auf hohe Anforderungen und das Fehlen passender Herstellungsprozesse zurückzuführen ist. Im zweiten Teil dieses Artikels werden zwei experimentelle Herstellungsverfahren aus der aktuellen Forschung an der Universität Paderborn vorgestellt, welche das Potenzial bieten, die bisherigen Restriktionen zu beseitigen.

Im ersten Teil des Artikels wurde die kryogene Vermahlung als ein bereits etabliertes Verfahren zur Herstellung von SLS-Materialien vorgestellt, obwohl lediglich scharfkantige Partikeln und somit Pulver mit i.d.R. schlechten Fließeigenschaften erzeugt werden können. Um die Fließeigenschaften in einem nachgelagerten Schritt zu verbessern, werden an der Universität Paderborn die thermische Verrundung und die mechanische Verrundung tiefergehend untersucht. Bei der thermischen Verrundung in der Gasphase werden die Partikeln in einem vertikal beheizten Reaktor teilweise aufgeschmolzen und erhöhen aufgrund der geringeren Oberflächenspannung ihre Sphärizität, welche sie in der Erstarrungsphase beibehalten. Aktuelle Anlagen zur thermischen Verrundung liefern allerdings nicht nur eine geringe Ausbeute, sondern sind auch mit hohem Energieverbrauch verbunden, weshalb intensiver Forschungsbedarf besteht, um das Verfahren für die Massenproduktion weiterzuentwickeln. Weiterlesen

Innovative Werkstoffherstellung für das Polymer Laser Sintern – Teil 1

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Unter Berücksichtigung von Lieferkettenstörungen und immer kürzeren Produktzyklen sowie einem fortschreitenden Trend zur Individualisierung, gewinnt die Additive Fertigung immer mehr an Bedeutung. Der Polymer-3D-Druck mittels Pulverbettverfahren (SLS) hat sich dabei kontinuierlich vom Prototypenbau hin zu einer Standardfertigungsmethode für Kleinserien, Ersatzteile und Individualbauten in vielen Branchen entwickelt. In diesem zweiteiligen Artikel soll zunächst auf die Anforderungen an SLS-Materialien eingegangen und konventionelle Herstellungsverfahren beschrieben werden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den Chancen und Möglichkeiten experimenteller Herstellungsmethoden welche momentan an der Universität Paderborn erforscht werden.

Vorreiter in der Industrialisierung der Additiven Fertigung ist das Polymer Laser Sinter (LS) Verfahren, auch Selektives Laser Sintern (SLS) genannt, bei dem eine dünne, teilkristalline Polymerpulverschicht auf einer Bauplattform aufgetragen, anschließend bis kurz unter die Schmelztemperatur vorgeheizt und selektiv mit einem Laser entsprechend der Bauteilschichtinformation verschmolzen wird (Abbildung 1). Nach dem Absenken der Bauplattform um eine Schicht wiederholt sich der Vorgang so lange, bis der Baujob abgeschlossen ist und die fertigen Bauteile im sogenannten Pulverkuchen abkühlen können. Typischerweise folgen noch weitere Nachbearbeitungsschritte wie grob und fein Entpulvern, glätten oder färben.

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

Abbildung 1: Lasersinterprozess von der CAD Datei bis zum fertigen Bauteil im Pulverkuchen

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Fertigung von Hybridbauteilen aus Holzfurnieren und Kunststoffen mittels Spritzgießen

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Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Foto (IWF): Bewegliche Werkzeughälfte des Spritzgießwerkzeuges

Die Kombination von Kunststoffen mit artfremden Materialien erfolgt im Wesentlichen über das An-, Hinter- und Umspritzen von metallischen Komponenten, die meist als Einleger für Arretierungspunkte in eine übergeordnete Struktur dienen.

Erste Ansätze für die gemeinsame Verarbeitung von Metallen und Kunststoffen als lasttragende Strukturbauteile zielen auf die vorteilhafte Kombination beider Materialien unter Ausnutzung der spezifischen Eigenschaften ab. Die metallische Komponente im hybriden Verbund sorgt für eine ausreichende Festigkeit und die geometrisch flexibel realisierbare Kunststoffapplikation bringt z.B. in Form von Rippen die nötige Steifigkeit auf.

Flächige Hybridbauteile benötigen aber häufig eine Faserverstärkung in der Kunststoffkomponente, um die Verbundsteifigkeit zu erhöhen. Meist kommen dazu in Abhängigkeit der Bauteilanforderungen flächige, vorimprägnierte, textile Halbzeuge wie Organobleche und Tapegelege oder kurzfaserverstärkte Kunststoffgranulate zum Einsatz. Aufgrund der im Vergleich zu Metallen hohen gerichteten mechanischen Eigenschaften können diese bei geeigneter Auslegung eine Wandstärkenreduzierung der Metallkomponente herbeiführen, wodurch das Bauteilgewicht reduziert und der Integrationsgrad der abzubildenden Bauteilfunktionen erhöht werden kann. Weiterlesen

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