Archiv der Kategorie: Technik u. Energie

Super-Dämmung entwickelt: Drastisch reduzierte Heizkosten

Wärmedämmende Materialien zu entwickeln, mit denen sich die Energieeffizienz von Gebäuden erheblich steigern lässt, ist eine zunehmend dringliche Herausforderung. Schon seit geraumer Zeit werden beim Hausbau Kunststoff-Schäume verwendet, um Dach und Außenwände besser zu isolieren. Einem Forschungsteam um Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt an der Universität Bayreuth ist es jetzt gelungen, diese Isolationswirkung erheblich zu steigern. Auf der Basis von Polystyrol-Schäumen haben die Bayreuther Wissenschaftler neuartige Dämmmaterialien entwickelt, die zu einer drastischen Senkung von Heizkosten beitragen können.

Der Grund dafür liegt in äußerst wirkungsvollen Zutaten, welche die Bayreuther Wissenschaftler dem Polystyrol beigemischt haben. Es handelt sich dabei um extrem dünne Kohlenstoffplättchen, sogenannte Graphene. Diese Plättchen sind flächige Netzwerke von Kohlenstoffatomen, die in sechseckigen Waben angeordnet sind.

Graphene im Kunststoff-Schaum verkleinern die Hohlräume und senken die Durchlässigkeit für infrarote Strahlung

Polystyrol-Schäume bestehen aus vielen kleinen hohlen Zellen, die durch Kunststoffwände voneinander getrennt sind. Normalerweise haben diese Zellen einen Durchmesser von rund 100 Mikrometern. Sobald aber dem Kunststoff die Kohlenstoffplättchen beigemischt werden, verringert sich die Zellgröße auf 25 Mikrometer. Die Folgen für die Isolationswirkung sind enorm. Denn aufgrund der verkleinerten Zellen wird die Gaswärmeleitung deutlich vermindert; das heißt, es fließt eine wesentlich geringere Wärmemenge durch die im Kunststoff-Schaum enthaltene Luft. Zudem wird aufgrund der Graphen-Plättchen die infrarote Strahlung abgesenkt. Denn infrarote Strahlung, die einen hohen Anteil an der aus Wohnräumen entweichenden Wärme hat, kann den Kunststoff-Schaum kaum noch durchdringen. Sie wird größtenteils reflektiert oder vom Kunststoff absorbiert.

Folglich eignen sich die mit Graphenen versetzten Schäume vorzüglich als Dämmmaterialien, die dafür sorgen, dass die Wärme in den Wohnräumen bleibt. “Die neuen Polystyrol-Schäume lassen sich ohne hohen technischen Aufwand industriell herstellen, so dass künftig im Baubereich erhebliche Einsparungen möglich werden”, erklärt Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe innehat.

Das Verfahren, die Graphene  in Kunststoffe einzubringen, eröffnet jetzt neue Perspektiven für Materialien, die das Prinzip der Nachhaltigkeit in Industrie und Wirtschaft erheblich stärken. Dipl.-Ing. Thomas Köppl, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bayreuth, meint: „Die von uns entwickelten Dämmmaterialien sind nur ein Beispiel für das hohe Innovationspotenzial, das in diesem Gemeinschaftsprojekt steckt und noch längst nicht ausgeschöpft ist.

Weitere Informationen zum Forschungsverbund “FUNgraphen”:  https://idw-online.de/de/news517085 (Quelle: idw)

Kontrollierte Kernfusion: Neuer Ansatz zur Energieerzeugung?

Seit Jahren entwickeln Physiker Hochenergie-Laser, um in winzigen Kügelchen durch Implosion Energie aus Kernfusion zu gewinnen. Das Vorhaben ist bei Fachleuten als “Trägheitsfusion” bekannt. Sie ist eine Spielart der so genannten kontrollierten Kernfusion, in der millimeter-große Brennstoffkügelchen von Lasern mehr als tausendfach komprimiert werden. Dadurch beginnen ab einem bestimmten Punkt Atomkerne miteinander zu verschmelzen – sie fusionieren. Der Prozess ähnelt den Vorgängen im Innern der Sonne und setzt wie dort Energie frei. Falls diese die eingesetzte Laserenergie übersteigt, lässt sich das System als Grundlage für einen Fusionsreaktor nutzen. Kontrollierte Kernfusion: Neuer Ansatz zur Energieerzeugung? weiterlesen

WM-Sieg des deutschen Robo-Fußballteams

Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Foto: Uni Bonn

Beim RoboCup 2011, der am Sonntag in Istanbul zu Ende ging, konnten die Fußballroboter vom Team NimbRo der Universität Bonn ihren Weltmeistertitel in der TeenSize-Klasse der Humanoid-Liga verteidigen. Auch die Serviceroboter gewannen in der @Home-Liga mit klarem Vorsprung.

Nachdem die deutschen Fußballfrauen bei der FIFA-WM gegen Japan ausgeschieden sind, war es nun an humanoiden Fußballrobotern, ihren Weltmeistertitel zu verteidigen. Die Roboter Dynaped und Bodo des Bonner Teams NimbRo trafen am Sonntag im Finale des RoboCup 2011 in Istanbul auf das Team KMUTT aus Thailand. Die Bonner Roboter waren dem Gegner klar überlegen. Obwohl der thailändische Torwart viele Schüsse halten konnte, erzielte der Bonner Feldspieler Dynaped Tor um Tor. Nach einem Halbzeitstand von 6 : 0 endete das Finale vorzeitig beim Stand von 10 : 0 für NimbRo.

Auch die Bonner Haushaltsroboter konnten sich in der @Home-Liga gegen eine starke Konkurrenz durchsetzen. Die Roboter Dynamaid und Cosero gingen schon beim ersten Test in Führung. NimbRo punktete in fast allen Tests der Vor- und Zwischenrunde und ging so mit einem komfortablen Vorsprung ins Finale. Dort stellte Cosero unter Beweis, dass er sogar einen Tisch mit einem Menschen tragen kann. Der Benutzer gab dabei die Richtung vor und führte den Roboter intiutiv durch Drücken und Ziehen am anderen Ende des Tisches. Dass er ein prima Helfer im Haushalt sein kann zeigte Cosero, indem er ein Omelett in einer Pfanne zubereitete. Dynamaid holte ein Getränk aus dem Kühlschrank. Dies überzeugte die internationale Experten-Jury. NimbRo gewann mit Abstand vor dem chinesischen Team WrightEagle.

Cosero making OmletIn der @Home-Liga mussten die Roboter zeigen, dass sie im Haushalt wichtige Aufgaben erfüllen können, etwa Personen und Objekte zu erkennen sowie Gesten richtig zu interpretieren. 19 Teams aus 14 Ländern traten in Istanbul in dieser Disziplin an. Bei den Fußballwettbewerben in der Humanoid-Liga des RoboCup geht es dagegen darum, mit Hilfe von Kameras die Spielsituation zu erfassen und im Team darauf zu reagieren. Herausforderung sind etwa auch die zügige Fortbewegung auf zwei Beinen und die Balance beim Schuss.

„Besonders freut mich der erstmalige Gewinn der @Home-Liga“, sagt Professor Dr. Sven Behnke, dessen Arbeitsgruppe Autonome Intelligente Systeme am Institut für Informatik VI die menschenähnlichen Fußballroboter und Serviceroboter entwickelt. In dieser Liga werden Technologien ersonnen, die in Zukunft dazu beitragen können, dass ältere oder hilfsbedürftige Menschen länger selbstbestimmt in der eigenen Wohnung leben können.

Die internationalen Wettbewerbe, die jährlich von der RoboCup-Federation veranstaltet werden, bringen tausende Forscher aus den Gebieten Künstliche Intelligenz und Robotik zusammen. Insgesamt nahmen in Istanbul über 400 Teams mit mehr als 2 800 Personen aus aller Welt in unterschiedlichen Ligen teil. Der Wettbewerb erlaubt den Wissenschaftlern den direkten Vergleich unterschiedlicher Ansätze in der Roboterkonstruktion, in der Umgebungswahrnehumg und der Verhaltenskontrolle. Im Anschluss findet ein wissenschaftliches Symposium statt, das den Austausch der besten Ideen fördert. (Quelle: idw, Foto oben: Im Finale spielt das Bonner Team NimbRo gegen KMUTT aus Thailand. (c) Uni Bonn ; Foto mitte: Service-Roboter Cosero von der Universität Bonn backt in einer Pfanne ein Omelett. (c) Uni Bonn)

Buchtipp:
Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

VW Passat fährt ohne Fahrer im Stadtverkehr von Braunschweig

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Stadtpilot“ hat die Technische Universität Braunschweig in ihrem Kompetenzzentrum, dem Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik, ein Forschungsfahrzeug entwickelt, dass automatisch eine vorgegebene Strecke im regulären Verkehr fährt. Bei Geschwindigkeiten bis 60 km/h kann das Forschungsfahrzeug „Leonie“ auf der zweispurigen Fahrbahn des Braunschweiger Stadtrings die Spur halten, Kreuzungen berücksichtigen, Hindernisse beachten sowie Abstände und Geschwindigkeiten dem fließenden Verkehr anpassen.

Die Fahrstrecke führt über einen Teil des Braunschweiger Stadtrings von der Hans-Sommer-Straße bis zur Kreuzung Mühlenpfordtstraße und zurück. Ein Sicherheitsfahrer, der notfalls eingreifen kann, ist dabei vorgeschrieben.

Forschungsprojekt „Stadtpilot“

Das Forschungsprojekt „Stadtpilot“ ist weltweit bisher das einzige Forschungsprojekt, das automatisches Fahren im realen Stadtverkehr umsetzt. Bereits 2007 hatte die TU Braunschweig mit dem VW Passat Variant „Caroline“ erfolgreich an der DARPA Urban Challenge, dem weltweit führenden Wettbewerb autonomer Fahrzeuge, teilgenommen und war einer der elf Finalisten von ursprünglich 89 Bewerbern. Aufbauend auf diesen Erfahrungen entwickelt ein interdisziplinäres Team aus drei verschiedenen Fakultäten nun den Nachfolger „Leonie“.

„Der Sprung von unserem ersten Fahrzeug ‚Caroline‘ zu ‚Leonie‘ ist groß“, erläutert Professor Markus Maurer. „Während ‚Caroline‘ beim Wettbewerb in einem kontrollierten Szenario gefahren ist, gilt es hier, das reale Verkehrsaufkommen zu bewältigen. ‚Leonie‘ hat es mit vielfältigen Verkehrsteilnehmern zu tun, die unterschiedlich und manchmal sogar regelwidrig fahren. Sie muss ihre Geschwindigkeit dem fließenden Verkehr anpassen. Und schließlich ist natürlich ein umfangreiches Sicherheitskonzept notwendig.“

„‚Leonie‘ muss nicht nur die Verkehrsregeln beherrschen, sondern auch all das, was auch ein Mensch zum Autofahren braucht. Sie muss ihre Umwelt ‚sehen‘, sie muss Entscheidungen treffen und alleine Gaspedal, Bremse und Lenkrad bedienen. Die ersten autonomen Fahrten auf dem Braunschweiger Stadtring sind allein schon auf Grund der realen städtischen Umgebung ein Meilenstein und Grundlage für viele weitere Forschungsjahre“, sagt Projektleiter Jörn Marten Wille.

Ziel des Projekts „Stadtpilot“ in den nächsten Jahren ist es, den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom umfahren zu können. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen in der besonders komplexen Umgebung: der dichte Verkehr auf der teilweise baulich getrennten zweispurigen Straße stellt erhöhte Anforderungen an die Umfeldwahrnehmung, die engen Straßen erfordern eine präzise Spurplanung und die dichte, urbane Bebauung erschwert die exakte Positionsbestimmung.

Forschungsfahrzeug „Leonie“

„Leonie“ ist ein VW Passat Variant, 2.0 TDI. Via Satellitenortung kann der Wagen seine Position im Straßenverkehr berechnen. Verschiedene Laserscanner und Radarsensoren sorgen dafür, dass „Leonie“ ihr Umfeld in jedem Moment wahrnehmen und dann im Rechner weiterverarbeiten kann.
Das Land Niedersachsen hat die Ausnahmegenehmigung für die Fahrten im realen Stadtverkehr (auf dem Braunschweiger Stadtring) erteilt. Sie basiert auf einem Gutachten des TÜV Nord Mobilität. Ein Sicherheitsfahrer ist dabei vorgeschrieben. Ein weiterer Fahrer gibt derzeit noch die Ampelphase ein, die noch nicht von „Leonie“ erkannt werden. (Quelle: idw; Foto: TU Braunschweig, Forschungsfahrzeug „Leonie“ vor dem Altgebäude der TU Braunschweig.)

Kontakt:
Prof. Markus Maurer
Dipl.-Ing. Jörn Marten Wille
TU Braunschweig
Institut für Regelungstechnik
Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme
Hans-Sommer-Str. 66
D-38106 Braunschweig
Tel.: +49-531/391-63060
E-Mail: maurer@ifr.ing.tu-bs.de
wille@ifr.ing.tu-bs.de

Werden Roboter den Wissenschaftler aus Fleisch und Blut ersetzen?

Jem Rowland, Aberystwyth University Ist es möglich, einen Roboterwissenschaftler zu bauen, der neue Erkenntnisse gewinnt? Ein solcher lernfähiger, mit Künstlicher Intelligenz gefütterter Automat muss den gesamten Forschungsprozess beherrschen: Er bildet Hypothesen, testet sie durch eigenständig entworfene und durchgeführte Experimente, interpretiert die Resultate und wiederholt diesen Zyklus, bis er auf neues Wissen stößt. In der Märzausgabe von Spektrum der Wissenschaft präsentiert der Informatiker Ross D. King von der Aberystwyth University in Wales einen Apparat, der all das kann.

Der Roboter heißt Adam, sieht aber einem Menschen gar nicht ähnlich: Adam ist ein automatisches Labor von der Größe eines kleinen Bürozimmers. Die Ausrüstung umfasst unter anderem einen Kühlschrank, Vorrichtungen zum Manipulieren von Flüssigkeiten, Roboterarme, Inkubatoren und eine Zentrifuge – alles automatisiert. Natürlich besitzt Adam auch ein leistungsstarkes Computergehirn, das Schlüsse zieht und die Einzelrechner für die Hardwaresteuerung kontrolliert.

Der Forschungsroboter untersucht, wie einzellige Kleinstlebewesen wachsen, indem er bestimmte Mikrobenstämme und Nährstoffe auswählt und dann mehrere Tage lang beobachtet, wie die Kulturen gedeihen. Der Roboter kann pro Tag rund tausend solche Versuche in Gang setzen. Auf diese Weise erforscht Adam ein wichtiges und gut automatisierbares Gebiet der Biologie, die funktionelle Genomik. Sie untersucht den Zusammenhang zwischen Genen und ihrer Funktion.

Tatsächlich fand Adam einen zuvor unbekannten Zusammenhang zwischen drei Genen der Backhefe und einem bestimmten Enzym. Doch darf man Adam deshalb gleich als Wissenschaftler bezeichnen? Die Maschine ist ein Prototyp, und immer wieder muss ein Techniker eingreifen, um Fehler in der Hardware und Software zu beheben. Auch arbeiten die Softwaremodule ohne menschliche Hilfestellung noch nicht problemlos zusammen. Trotzdem: Adams Vorgehensweise, Hypothesen zu bilden und neues Wissen experimentell zu bestätigen, benötigt keine intellektuelle oder körperliche Anstrengung seitens des Menschen. In diesem Sinne arbeitet er autonom.

Unterdessen hat Kings Team einen zweiten Roboter gebaut: Eva wendet dieselben automatisierten Forschungszyklen wie Adam an, aber diesmal auf das Entwickeln und Testen von Medikamenten. Evas Forschungen konzentrieren sich auf Tropenkrankheiten wie Malaria und Schlafkrankheit. Adams automatische Kollegin hat bereits einige interessante Verbindungen gefunden, die gegen Malaria zu wirken scheinen. King ist überzeugt, dass mit fortschreitender Computertechnik und Künstlicher Intelligenz immer gewieftere Roboterwissenschaftler entstehen werden.

Ob sie jemals zu umwälzenden Erkenntnissen oder immer nur zur Routineforschung fähig sein werden, ist eine Grundfrage über die Zukunft der Naturwissenschaft. Einige Forscher meinen, durch Automatisierung sei keine wissenschaftliche Revolution zu erreichen. Andere behaupten, in hundert Jahren würde der beste Physiker eine Maschine sein. Die Zukunft wird zeigen, wer Recht behält. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, März 2011, Foto: Jem Rowland, Aberystwyth University )

Roboterratten sollen Leben retten

Roboterratte (c) Weizmann Instiute of Science

Wissenschaftler aus Europa, Israel und den USA entwickeln Roboterratten, die bei Rettungsmissionen und Planetenforschung helfen können. Auf der Grundlage der Prinzipien des aktiven Abtastens, das im Tierreich weit verbreitet ist, hat das multinationale Team innovative Tasttechnologien entwickelt, einschließlich der ‘Schnurrhaare’ an Roboterratten.

Welches Geheimnis verbirgt sich hinter den Schnurrhaaren? Warum ist der Tastsinn der Schnurrhaare so viel effizienter als die Fingerspitzen einer durchschnittlichen Person? Nachttiere haben einen ausgeprägten Tastsinn, den sie weit mehr als ihr Sehvermögen einsetzen, um die physischen Informationen in ihrer Umgebung kennenzulernen und aufzunehmen. Zu diesen Tieren zählt beispielsweise die Ratte. Mehrere Gruppen des internationalen Forschungsteams testen die Art und Weise, in der Ratten ihre borstigen Schnurrhaare benutzen, um ihre Umgebung zu erkunden und wie das Gehirn die gesammelten Informationen verarbeitet.

Die Wahrnehmung beginnt in den Neuronen an der Basis der Schnurrhaare, die dann umgehend Signale an das Gehirn übermitteln. Darüber hinaus haben die Experimente gezeigt, dass die Art und Weise wie die Ratte ihre Schnurrhaare einsetzt, vom Kontext abhängig ist.

Der scheinbar einfache Akt des Abtastens eines dreidimensionalen Objekts benötigt drei verschiedene Arten von Codes, wobei jeder Code eine andere Information enthält – die Horizontale, die Vertikale und die Radiale (die Entfernung von der Basis der Schnurrhaare). Je näher sich ein Objekt an der Schnauze befindet, desto höher die Anzahl der Neuroübermittlungen.

Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es einerseits, ein besseres Verständnis des Gehirns zu erzielen, und andererseits die Technologie voranzubringen. Damit gemeint ist, dass Forscher Roboter als experimentelle Werkzeuge einsetzen, indem die Wissenschaftler Schritt für Schritt ein System aufbauen, das dem Gehirn ähnelt. Aus diesem Grund wird biologisches Wissen den Robotikwissenschaftlern ermöglichen effizientere Maschinen zu bauen, damit sie dann in Rettungs- und auch in Suchmissionen unter schlechten Sichtbedingungen eingesetzt werden können. So könnte die grundlegende Erforschung von Tieren zum Wohl des Menschen beitragen. (Quelle: idw, Abb. Roboterratte (c) Weizmann Institute of Science)

Den Wächter im Gehirn entdeckt

Der Chefdirigent im Gehirn schläft nie

Das “Hintergrundrauschen” haben Forscher bisher nur nicht verstanden
“Im Kopf herrscht niemals Ruhe”. Unter diesem Titel berichtet die Juni-Ausgabe von „Spektrum der Wissenschaft“ von der Entdeckung eines Netzwerks im Gehirn, das gerade dann am intensivsten arbeitet, wenn wir dösend vor uns hin träumen, schlafen oder sogar, wenn wir unter Narkose sind. Schelmisch nennen Forscher diese Aktivität “dunkle Energie des Gehirns” – in Anlehnung an die bisher noch hypothetische Dunkle Energie im Universum.

Der Autor des Artikels, der amerikanische Hirnforscher Marcus E. Raichle von der Washington University in St. Louis (Missouri), gehört zu den Entdeckern eines zentralen Systems im Gehirn, das im Hintergrund arbeitet und darum früher übersehen wurde. Denn beispielsweise tauchen bei einem EEG (Elektroenzephalogramm), bei dem Hirnwellenmuster außen am Schädel erfasst werden, auch besonders langsame Wellen auf. Bislang haben die Experten sie vernachlässigt. Sie hielten das schlicht für ein diffuses, nichtssagendes Hintergrundrauschen.Doch mittlerweile konnten Hirnforscher belegen, dass augenblicklich scheinbar nicht aktive Hirngebiete sehr regelmäßige langsame Wellen produzieren. Diese sind sogar zwischen weit auseinander liegenden Gebieten, etwa zwischen den beiden Hirnhälften, aufeinander abgestimmt.

Am meisten aber verblüffte, dass ein großes Netzwerk über mehrere weit auseinander liegende Hirngebiete existiert, welches seine Aktivität herunter fährt, solange wir eine konkrete Tätigkeit ausführen, zum Beispiel lesen. Die Forscher nennen es „Ruhestandardnetz“ (oder englisch „Default Mode Network“, kurz DMN). Wenn wir dagegen “abschalten” und in den Tag träumen, steigert jenes Ruhenetzwerk seine Aktivität. Weil diese Zufallsentdeckung überhaupt nicht zu den herrschenden Vorstellungen passte, hatten Raichle und seine Mitstreiter zunächst große Schwierigkeiten, ihre Arbeit überhaupt zu veröffentlichen.

Heute steht aber fest: Das Gehirn besitzt einen Chefdirigenten. Der schläft nie, denn er muss dafür sorgen, dass wir jederzeit auf eine plötzliche Störung angemessen reagieren, dass also die passenden Hirnregionen schnell wieder aufwachen. Alle anderen Hirnsysteme stehen im Grunde ebenfalls immer in Bereitschaft. Auch das zeigen die langsamen Wellen. Ganz schnell können diese Hirngebiete dann jeweils auf Befehl des Ruhenetzes hochschalten.

Dieses übergreifende System scheint nach Raichle auch über manche Hirnerkrankungen und -störungen Aufschluss geben. Wie es aussieht, degenerieren bei der Alzheimerdemenz gerade Gebiete, die zu den Hauptzentren jenes zentralen Ruhenetzes gehören. Bei Depressionen bestehen zwischen diesen Zentren teils weniger Verbindungen. Bei Schizophrenie wiederum fällt auf, dass manche der Zentren auffallend viele Signale senden.

Die bewusste Auseinandersetzung mit der Außenwelt macht nur einen kleinen Teil der Hirnaktivität aus. Das wissen Hirnforscher schon lange. Doch den Rahmen für das kleine Bewusstseinsfenster liefert, so Raichle, die bisher übersehene „dunkle Energie“ des Gehirns. Wenn Forscher das Ruhenetz von Versuchspersonen im Hirnscanner beobachten, erkennen sie bis zu eine halbe Minute im Voraus, ob der- oder diejenige gleich in einem Computertest einen Fehler machen wird – nämlich dann, wenn dieses früher übersehene System die Kontrolle übernimmt. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2010)

OLED: Die Revolution in Bildschirmtechnik und Beleuchtung

Video: OLED-Technologie

Leuchtende Tapeten, Computerdisplays, die man zusammenrollen kann oder schillernd leuchtende Kleidung: Zu den spannendsten Zukunftsvisionen im Bereich Licht gehören OLEDs – organische Leuchtdioden. Mit OLED-basierten Beleuchtungen ließen sich mehr Energiekosten sparen und umweltfreundlichere Materialien nutzen als bisher. OLEDs werden heutzutage bereits in kleinflächigen Displays in Mobiltelefonen oder MP3-Playern eingebaut.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung von OLEDs beachtliche Fortschritte erzielt, so dass die bislang limitierte Lebensdauer der Bauteile bereits für viele Anwendungen ausreicht. Der große Durchbruch lässt allerdings aus produktionstechnischen Gründen noch auf sich warten. Bisher kann man keine Anwendungen auf großen Flächen herstellen, die den Einsatz für die Beleuchtungsindustrie ermöglichen würden.

Die Glühbirne wird bereits von der LED abgelöst und die OLEDs stehen für Beleuchtungsapplikationen vor der Tür. Durch ihre Beschaffenheit lassen sich die OLEDs auf unterschiedliche Trägermaterialien aufdrucken und beflügeln dabei die Fantasie der Entwickler und Designer durch unterschiedlichste Einsatz- und Gestaltungsmöglichkeiten. Doch auch in der Displaytechnologie versucht die OLED Einzug zu halten. Durch ihre selbstleuchtende Eigenschaft können Bildschirme ein vielfach höheres Kontrastverhältnis als herkömmliche LCD- oder Plasma-Schirme erreichen.

OLEDs bestehen aus einer auf ein transparentes Material aufgebrachten, ebenfalls transparenten Elektrode und einer darüberliegenden Schicht aus organischen Materialien. Den Abschluss bildet eine zweite Elektrode. Legt man zwischen den beiden Elektroden eine Spannung an, so fließt Strom, und in der organischen Schicht wird Licht ausgestrahlt. Die Farbe des Lichtes ist durch die Auswahl der organischen Schichtmaterialien einstellbar. Höchste Präzision ist hier geboten. Wer Fertigungsanlagen für OLEDs plant, muss dies unbedingt berücksichtigen. Noch ist zu wenig bekannt, welche Werte für den Wassergehalt und damit für den Druck in den Anlagen eingehalten werden müssen.

Bei der Entwicklung der OLED-Technologie belegt Deutschland derzeit einen Spitzenplatz im internationalen Wettbewerb. Um diese Position zu sichern und auszubauen, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die “Leitinnovation Organische Leuchtdioden” im Rahmen mehrerer Programme. Ziel ist es, insbesondere großflächige OLED-Beleuchtungselemente in Zukunft wirtschaftlich herstellen zu können. (Quelle: idw)

Sonnenenergie tanken

Der Solarofen des PSI kann die Strahlung der Sonne bis zu 5000-fach konzentrieren. Damit können Hochtemperatur-Solarreaktoren getestet werden.

Konzentrierte Sonnenenergie kann technisch nicht nur zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden, man kann mit ihrer Hilfe auch Brennstoffe wie Wasserstoff oder indirekt sogar flüssige Treibstoffe produzieren. Nun wurde einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Aldo Steinfeld vom Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Zürich, mit dem Yellott Award, dem Preis des amerikanischen Ingenieursverband ASME für Arbeiten zu erneuerbaren Energien ausgezeichnet.

Sonnenenergie ist im Wesentlichen uneingeschränkt vorhanden und ihre Verwendung ökologisch sinnvoll. Allerdings ist die auf die Erde treffende Solarstrahlung stark verdünnt, nicht dauernd verfügbar sowie ungleichmässig über die Erdoberfläche verteilt. Diese Nachteile können überwunden werden, wenn die Sonnenenergie konzentriert und in chemische Energieträger umgewandelt wird, und zwar in Form von solaren Brenn- und Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können.

Sonnenlicht erfolgreich konzentrieren

Dazu werden durch hochkonzentriertes Sonnenlicht chemische Reaktionen angeregt, deren Produkte als Treibstoffe dienen können – im einfachsten Fall kann man etwa Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten und mit dem gewonnenen Wasserstoff in einer Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugen. Die Arbeit von Steinfeld und seinen Kollegen konzentriert sich darauf, thermochemische Hochtemperatur-Prozesse zu erforschen und besonders effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen die Vorgänge unter den extremen Bedingungen der hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung stattfinden können. “Die Technologien zum Konzentrieren der Sonnenenergie werden bereits erfolgreich im Megawatt-Massstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Dabei heizt konzentriertes Sonnenlicht eine Flüssigkeit auf, die wiederum Dampf erhitzt, womit eine Turbine angetrieben und über den angeschlossenen Generator elektrischer Strom erzeugt wird. Man müsste also nur einen entsprechenden chemischen Reaktor in den Brennpunkt eines Solarturm-Kraftwerks einbauen, um unser Verfahren zu nutzen” erklärt Steinfeld einen der praktischen Vorteile und das Potenzial seiner Technologie. Solarthermische Kraftwerke werden bereits in mehreren Ländern genutzt und sind in den letzten Wochen durch die Idee, in Afrika erzeugten Strom nach Europa zu transportieren, wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt.

Zink als Sonnenspeicher

Die Forschenden von Steinfelds Arbeitsgruppen am PSI und an der ETH arbeiten an verschiedenen chemischen Verfahren, um solare Treibstoffe herzustellen. Besonders attraktiv ist die am PSI entwickelte Methode, Zinkoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in metallisches Zink und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt man das Zink später mit Wasserdampf in Kontakt, entsteht dabei wieder Zinkoxid sowie Wasserstoff, der als Treibstoff genutzt werden kann. Der Vorteil dieses thermochemischen Kreisprozesses besteht darin, dass Sauerstoff und Wasserstoff in getrennten Reaktionen entstehen und man so nicht mit einem explosiven Gasgemisch hantieren muss. Ausserdem kann die zweite Reaktion erst an dem Ort stattfinden, an dem der Wasserstoff benötigt wird – man muss also kein Wasserstoffgas lagern oder transportieren.

Sonnenenergie tanken

Als weiteres Beispiel nennt Steinfeld die solare Produktion von Synthesegas – einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid – das mit bekannten chemischen Verfahren in flüssigen Treibstoff umgewandelt und somit an den vorhandenen Tankstellen wie gewöhnliches Benzin getankt werden kann. “Solare Brenn- und Treibstoffe machen es möglich, Kraftwerke, Fahrzeuge und Betriebe der chemischen Industrie mit umweltfreundlicher Energie zu versorgen und leisten damit einen Beitrag zur Lösung der Klimaproblematik.” betont Steinfeld.

Um die neu entwickelten Solarreaktoren testen zu können, betreibt das Labor für Solartechnik am PSI einen Solarofen, in dem die Sonnenenergie an einem Punkt bis zu 5000-fach konzentriert werden kann und in dem Temperaturen von über 2000°C erreicht werden können. Quelle: idw; Foto: Paul Scherrer Institut

Dunkle Energie: Welches Schicksal erwartet unser Universum?

Geheimnisse des Universums: Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Gibt es eine Alternative, die beschleunigte Expansion des Weltalls zu erklären?
Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein, Fachleute nennen sie die Dunkle Energie. Das Problem: Niemand weiß wirklich, was diese Dunkle Energie wirklich ist. Bisher suchen sie jedenfalls vergeblich nach Erklärungen für das rätselhafte Verhalten des Kosmos.

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009