Neues aus Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie

Auf der Hannover Messe 2004 zeigt das Forschungszentrum Karlsruhe Neues aus Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie, aber auch Innovationen aus Wasserstoffsicherheits- und Materialforschung

Auf der diesjährigen Hannover Messe, die vom 19. bis 26. April stattfindet, ist das Forschungszentrum Karlsruhe gleich viermal vertreten. Auf seinem zentralen Stand in Halle 14 präsentiert das Forschungszentrum gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft Innovationen aus Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie. Hier wird auch ein Ansprechpartner für Personalfragen zu finden sein. Unter dem Dach von „Hydrogen and Fuel Cells“ (Halle 13) werden Analysemethoden und Experimentiereinrichtungen zur Erforschung des sicheren Umgangs mit Wasserstoff vorgestellt. Weitere Themen sind die Erzeugung von Verbundwerkstoffen durch Mikrowellen sowie die Optimierung von Bauteilen mit dem Taschenrechner nach den Prinzipien der Natur (Halle 18).

* Den Brand riechen, bevor das Feuer entsteht. Mit SAGAS (Surface Acoustic Wave Aroma and Gas Analyse System), einer „elektronischen Nase“, ist dies möglich. SAGAS erkennt Kabelbrände genauso zuverlässig wie Ausgasungen von überhitzten Leiterplatten. Mit SAGAS können gasförmige organische Emissionen, Düfte, Aromen und andere Gasgemische in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten zuverlässig bestimmt werden. SAGAS bietet dabei ein Optimum an Beprobungssicherheit, Signalstabilität, Verlässlichkeit und Praxistauglichkeit.

* Kleine Mikrostrukturapparate – große Wirkung! Für industrielle Anwendungen wurden im Forschungszentrum Karlsruhe neuartige mikrostrukturierte Wärmeübertrager, Mikrovermischer für Gase und Flüssigkeiten sowie verschiedene Mikroreaktoren entwickelt. Mit ihrem standardisierten Design und einer Vielzahl möglicher Fertigungsmaterialien können die Mikroapparate problemlos an prozess-spezifische Bedürfnisse angepasst werden. So hat ein Stapel aus 5 Mikrowärmeübertragern mit jeweils 27 Kubikzentimetern eine Übertragungsleistung von einem Megawatt. Sein jährliches Durchsatzvermögen liegt bei 300000 Tonnen und ist damit für den großtechnischen Einsatz geeignet. Anwendungsgebiete sind chemische Synthesen und Produktion, Lebensmitteltechnologie, Automobilbereich und Umweltverfahrenstechnik.

* Während die optische Datenübertragung bereits massiv Einzug in die Datennetze findet, läuft die Forschung auf dem Weg zum optischen Computer auf Hochtouren. Zentraler Baustein der optischen Schaltelemente sind photonische Kristalle. Für den Einsatz von Kunststoff-Mikrokomponenten in der Optik setzen sich die Partner und Mitarbeiter des POLYMICRO Competence Centre im Forschungszentrum Karlsruhe ein. Insbesondere werden klein- und mittelständische Unternehmen prozessbegleitend bei der Einführung und Herstellung von Mikrokomponenten unterstützt.

* Mit mehreren Angeboten ist das Thema Mikrofertigung vertreten: Das Industrieforum Mikrofertigungstechnik FIF bietet seinen Mitgliedern ein umfassendes Angebot aus Information, Beratung und Service. Einige der Partnerfirmen – ETA SA Manufacture Horlogère Suisse, Greiner Bio-One GmbH, IEF Werner GmbH und Rolla Micro-Synthetics AG – stellen gemeinsame Projekte vor. Ein weiteres Netzwerk der Mikrosystemtechnik, das Zentrum für Werkstoffe der Mikrotechnik (ZWM), bietet neben dem Design neuer Materialien auch die Zusammenarbeit bei Materialproblemen in der Mikrofertigungstechnik an. Die MicroCeram GmbH zeigt die Vorteile mikrostrukturierter Bauteile aus Keramik. Für die lithographische Mikrostrukturierung – aber auch für anspruchsvolle Analytikaufgaben – liefert die Anka GmbH die notwendige Synchrotronstrahlung.

* Im Licht einer UV-Lampe leuchten sie grün, violett oder blau: fluoreszierende Nanopartikel mit einer Schicht aus organischen Farbstoffen. Hergestellt wurden die mehrschichtigen Nanopartikel mit Hilfe eines am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten Mikrowellen-Plasmaverfahrens. Die empfindlichen Farbstoff-Oberflächen werden dabei zusätzlich mit einem Polymer beschichtet, das chemische Reaktionen verhindert und die Partikeleigenschaften stabilisiert. Die Fluoreszenz bleibt dadurch lange erhalten. Dies eröffnet den Nanopartikeln vielfältige Anwendungen in Sicherheitstechnologie und Medizintechnik.

* Einzelne Atome verschieben oder mit einer Strichbreite von 0,000000005 Meter schreiben? Beides gelingt mit einem Rasterkraftmikroskop, einer Nanofräse in atomaren Dimensionen, die das Forschungszentrum Karlsruhe und das DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen CFN der Universität Karlsruhe gemeinsam ausstellen.

* Das Auto der Zukunft fährt mit Brennstoffzelle und tankt Wasserstoff. Als „Tank“ eignen sich Festkörper aus so genannten Metallhydriden: Diese Materialien nehmen den Wasserstoff auf, halten ihn innerhalb ihrer atomaren Struktur fest und geben ihn bei Temperaturerhöhung wieder ab. Mit maßgeschneiderten Nanopartikeln konnte das Forschungszentrum Karlsruhe die Tankzeiten von Stunden auf Minuten verringern.

* NANOMAT, das Netzwerk für Materialien der Nanotechnologie, erschließt deren Potenziale mit seinen Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Neueste Erkenntnisse aus der Wissenschaft sollen hier zum Markterfolg geführt werden.

Halle 13, Stand F 53/3: Unsicher mit Wasserstoff? Nicht mit uns!

* Man geht heute davon aus, dass der Einsatz von Wasserstoff die Energieversorgung der Zukunft radikal verändern wird. Dies reicht von neuen Technologien zur Energieerzeugung über neuartige Speichermedien für Wasserstoff bis zur Energienutzung in Brennstoffzellen. Die sichere Beherrschung dieser Technologien ist für ihre Akzeptanz und Durchsetzbarkeit von höchster Bedeutung. Um Risiken zu erkennen und zu beseitigen, ist die Entwicklung neuer Experimentiereinrichtungen und Analysemethoden notwendig. Das Forschungszentrum Karlsruhe verfügt mit seinem neuen Wasserstoff-Technikum und leistungsfähigen Computer-Simulationen über die Möglichkeit, Wasserstoffverteilungs- und Wasserstoffverbrennungsvorgänge bei unterschiedlichsten Randbedingungen detailliert zu untersuchen.

Halle 18, Stand H 07: Heureka! Fertigung von CFK-Verbundwerkstoffen mit Mikrowellen

* Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Leichtbaukompositstrukturen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen wurde im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt: das Mikrowellensystem „HEPHAISTOS“. Es weist exzellente homogene Feldeigenschaften auf. Damit können vollautomatisch komplexe Leichtbaustrukturen mit Injektions- oder auch mit Prepreg-Technik hergestellt werden. Durch die Erhöhung des Automatisierungsgrades und des Fertigungsdurchsatzes werden die Kosten für Strukturteile aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen deutlich sinken. Derzeit wird das industrielle System HEPHAISTOS-CA2 in enger Zusammenarbeit mit den Firmen EADS-Deutschland GmbH, Vötsch Industrietechnik GmbH und Muegge Electronic GmbH sowie dem Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart entwickelt und gebaut.

Halle 18, Stand L 15: Bauteiloptimierung mit dem Taschenrechner – Leichtbau und Dauerfestigkeit nach den Prinzipien der Natur

* Bauteile brechen häufig an Stellen, an denen Löcher oder Verengungen, also Kerben, konstruktionsbedingt vorgegeben sind. Dieses Bauteilversagen lässt sich umgehen, indem man lokal hohe Kerbspannungen vermeidet. Wie das geht, zeigt uns die Natur. In Millionen von Jahren hat sie ein Verfahren für das Wachstum von Bäumen und Knochen optimiert. Im Forschungszentrum Karlsruhe wurde es in den letzten 15 Jahren auf die Konstruktion von Bauteilen übertragen. Die notwendigen Berechnungen erforderten bisher sehr komplexe mathematische Werkzeuge, die so genannte Finite-Elemente-Methode, sowie leistungsfähige Computer. Ein neuartiger Ansatz macht beides überflüssig: Eine optimale Bauteilform kann nun mit einem einfachen Taschenrechner in wenigen Schritten ermittelt werden. Möglich wird dies durch ein neues Verständnis der Natur der Kerbspannungen, die als einfache Biegespannungen interpretiert werden. Die Neuinterpretation der Kerbspannung ist auch ein Thema des neuesten Wissenschafts-Cartoons „Warum alles kaputt geht – Form und Versagen in Natur und Technik“ vom Träger des Deutschen Umweltpreises 2003, Claus Mattheck.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.