Kategorie: Werkstofftrends

Spannende Beiträge, informative Fachartikel und die neusten Entwicklungen aus dem Themengebiet Werkstofftrends

Integrierte Solarbatterien

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Überschüssige, aus Solaranlagen gewonnene Energie wird idealerweise möglichst unmittelbar und mit wenigen Verlusten in Batterie-Systemen gespeichert. Eine kontinuierliche Bereitstellung von Strom auch in Dunkelperioden ist dadurch möglich. Typischerweise handelt es sich dabei um getrennte Systeme aus Photovoltaikmodulen und Batteriespeichern, die über eine externe Verkabelung miteinander gekoppelt sind und in ihrer Gesamtheit bisweilen auch als modulare Solar- oder Photobatterien bezeichnet werden. Solche Systeme und ihre Einzelkomponenten sind heute bereits in der Breite verfügbar und leicht hochzuskalieren. Aufgrund ihres Aufbaus weisen sie jedoch vergleichsweise große Umwandlungs- und Leitungsverluste auf, daher wird mittlerweile an integrierten Solarbatterien geforscht. Sie wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, die dann direkt im gleichen System gespeichert werden kann. Solche Systeme sind beispielsweise für kleinere Geräte interessant, die von einer netzunabhängigen Elektrifizierung profitieren oder eine solche benötigen, wie Geräte im Kontext von Smart Citys und Smart Home, Anwendungen in den Bereichen Internet der Dinge (IoT) und Sensornetzwerken sowie für tragbare Elektronikgeräte. Außerdem könnten sie potenziell auch für eine kurzfristige Notstromversorgung sinnvoll sein. Weiterlesen

Holzwerkstoffe – Von vorgestern bis übermorgen

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Der Baustoff Holz begleitet die Menschheit seit jeher und ebenso entwickelt ihn der Mensch kontinuierlich weiter. Insbesondere seit Anfang des 20. Jh.s sind zahlreiche interessante Holzmaterialien entstanden, viele spannende Entwicklungen werden uns auch zukünftig überraschen und Holz zu einem intelligenten Werkstoff machen. Weiterlesen

Pilzbasierte Werkstoffe

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Dr. Margret Weißbach, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Aufgrund ihres Potenzials, traditionelle Kunststoffe aus fossilen Rohstoffquellen zu ersetzen und somit eine umweltfreundlichere Alternative zu bieten, steigt die Nachfrage an biobasierten Werkstoffen enorm. Neben Werkstoffen pflanzlichen, tierischen oder mikrobiellen Ursprungs hat sich in den vergangenen Jahren eine weitere Rohstoffquelle etabliert: Pilze und deren Bestandteile. Sie werden zu pilzbasierten Werkstoffen verarbeitet, beispielsweise zu Pilzleder als Ersatz für tierisches und synthetisches Leder in der Textil- und Automobilindustrie. Neben einer nachhaltigeren Produktion überzeugen pilzbasierte Werkstoffe vor allem durch ihre vielseitigen und konkurrenzfähigen Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv machen. In den vergangenen Jahren haben verschiedenste Varianten pilzbasierter Werkstoffe zahlreiche Branchen erobert und deuten auf eine vielversprechende Perspektive als Zukunftsmaterial hin. Weiterlesen

Passive Strahlungskühlung

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In einer immer wärmeren Welt steigt auch die Notwendigkeit der Kühlung von Gebäuden, Objekten oder Personen immer weiter. Gleichzeitig verbrauchen derzeitige Kühlsysteme sehr viel Energie, wodurch sie wiederum den Verbrauch fossiler Energieträger befeuern. Schätzungen zufolge verbrauchen Kühlsysteme bereits 15% des weltweit produzierten Stroms und sind für 10% der emittierten Treibhausgase verantwortlich. Daher wird dringend nach Lösungen gesucht, den Energieverbrauch von Kühlsystemen zu senken. Einen Beitrag könnte hier die passive Strahlungskühlung leisten, mit der Objekte bzw. Oberflächen ohne zusätzliche Energiezufuhr auf Temperaturen deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt werden können. Weiterlesen

Living Materials

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Dr. Britta Pinzger, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

An der Schnittstelle der klassischen Materialwissenschaften und der synthetischen Biologie ist in den letzten Jahren das Forschungsfeld der Living Materials (oder Engineered Living Materials = ELM) neu entstanden und in dieser Zeit bereits enorm gewachsen. Ziel ist es dabei, lebende Zellen als aktive Komponenten zu verwenden, um nicht lebender Materie lebensähnliche Fähigkeiten zu verleihen, z. B. sich zu vermehren, sich selbst zu heilen, sich an Umweltreize anzupassen oder komplexe Moleküle zu synthetisieren. Als lebende Komponente werden Bakterien, Hefen, Algen oder Säugetierzellen eingesetzt, die oftmals zuvor gentechnisch verändert wurden, während als nicht lebende Materialkomponente organische oder anorganische Polymere sowie Mineralien oder Metalle verwendet werden. Weiterlesen

Janus-Partikel

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Janus, der römische Gott des Anfangs und des Endes, und insbesondere seine Darstellung als vorwärts- und rückwärtsblickender Janus-Kopf gelten als Symbol der Zwiespältigkeit. Eben jener Name wurde daher vor etwas mehr als 30 Jahren für Partikel und Materialien gewählt, die in klar abgegrenzten Bereichen ihrer Oberfläche verschiedene und teils gegensätzliche physikalische oder chemische Eigenschaften aufweisen – in gewisser Weise also zwiespältig sind. So kann ein Janus-Partikel auf der einen Hälfte seiner Oberfläche wasserabweisend sein und auf der anderen wasserliebend. Alternativ wurden auch Janus-Partikel synthetisiert, die halbseitig z. B. unterschiedliche Farben, magnetische oder elektrische Eigenschaften oder andere Funktionalitäten aufweisen. Ihre Eigenschaften werden in jedem Fall durch ihre asymmetrische Struktur bestimmt. Die Form solcher Partikel reicht dabei von Kugeln und Hanteln bis hin zu Scheiben und Stäbchen. Im Fall von zweidimensionalem Schichtmaterial sowie Membranen kann sich die Janus-Struktur sowohl auf die Ober- und Unterseite als auch auf bestimmte Areale einer Seite des Materials beziehen. Die Partikel können sowohl aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken sowie als hybride Werkstoffstrukturen hergestellt werden. Weiterlesen

Therapeutische Nanomaterialien

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Dr. Vanessa Hollmann, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Der steigenden Anzahl an Infektionskrankheiten, sei es durch verstärkt auftretende, bereits bekannte Infektionskrankheiten, eine wachsende Zahl multiresistenter Keime oder neu auftretende Viren mit möglichem Pandemie-Potential, muss mit einer schnellen und flexiblen Arzneimittelentwicklung begegnet werden. Therapeutika auf Basis von maßgeschneiderten Nanomaterialien könnten in Zukunft neue Möglichkeiten in der Behandlung solcher, aber auch anderer Krankheiten darstellen. Nanomaterialien umfassen dabei verschiedenste Partikel mit einer definierten Größe von meist weniger als 100nm. Weiterlesen

Indoor Photovoltaik

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Klima und Energie sind aktuell zwei zen­trale Themen in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Dies spiegelt sich auch im Bereich der Forschung und Entwicklung damit verbundener Technologien wider. Als nachhaltige Systeme zur Stromerzeugung spielen hier auch die verschiedenen Formen der Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle. Bei dem speziellen Anwendungsbereich der Indoor Photovoltaik (IPV) werden Solarzellen in Innenräumen genutzt, in denen gedämpftes Tageslicht sowie Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lampen) vorherrschen. Neben einer deutlich geringeren Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ~100.000 Lux), handelt es sich auch um Licht mit spezifischen Wellenlängen, die ausschließlich im sichtbaren Bereich liegen und deren Absorption bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt ist. Die IPV hat die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich gezogen, weil sie eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. von kleinen und kleinsten Verbrauchern in Innenräumen darstellen kann. Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Weiterlesen

Additiv gefertigte Batterien

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Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Im Bereich der Energiespeicher ist seit geraumer Zeit eine enorme Dynamik bei der Entwicklung neuer Konzepte und Speichermaterialien zu beobachten, da sich der generelle Trend zur Miniaturisierung von drahtlosen Sensoren, Aktoren sowie zur Nutzung aktiver Transponder zur Radiofrequenz-Identifikation fortsetzt. Außerdem setzt sich langsam die Elektrifizierung unterschiedlichster, auch großer und schwerer Verkehrsmittel durch.

Der Aspekt der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bezeichnet, als mögliche Methode zur Produktion von Energiespeichern ist vergleichsweise neu. Der Schwerpunkt dieser Bemühungen liegt bei den sekundären Batteriesystemen, auch Akkumulatoren genannt, die wieder aufgeladen werden können, sowie primären Batteriesystemen, die nicht für eine Aufladung vorgesehen sind. Weiterlesen

Textiles Energy Harvesting

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Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Die Entwicklung intelligenter Textilien hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Dabei wurden Textilien mit immer mehr „smarten“ Funktionen ausgestattet, etwa der, die Vitalparameter ihres Trägers zu erfassen, Energie zu speichern und für verschiedene Geräte zur Verfügung zu stellen, ihre Farbe passend zur Stimmung ihres Trägers zu verändern oder für eine bessere Klimatisierung zu sorgen. Damit stehen sie für eine große Bandbreite an Anwendungen zur Verfügung: von der Gesundheitsvorsorge und Telemedizin über den Sport- und Freizeitbereich bis hin zum Rettungsdienst. Eine große Einschränkung stellt derzeit jedoch noch die zuverlässige Versorgung solcher intelligenten Textilien mit ausreichend Energie dar. Zwar befinden sich bereits textile Batterien und Superkondensatoren in der Entwicklung und intelligente Textilien lassen sich auch mit herkömmlichen Batterien kombinieren. Doch müssen beide Arten von Energiespeichern regelmäßig aufgeladen werden. Das erweist sich in der Regel als unpraktisch und herkömmliche Batterien sind im Vergleich zu einer textilen Energieversorgung schwer und klobig. Daher wird verstärkt daran geforscht, die Textilien selbst mit der Fähigkeit zur Energiegewinnung aus der Umgebung zu versehen. Weiterlesen