BKU Teil 5 MEM-spezifische Anwendungen ... - Swiss Nano Cube

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen
MEM-spezifische Anwendungen
Begleitinformation
Datum: Januar 2012
Autor:
Andreas Beck

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MEM-spezifische Anwendungen
Folie 1
Gas- und Dampfturbinen
Im Bereich der Energieumwandlung bieten sich Innovationspotenziale in erster Linie
durch Verbesserung der Umwandlungseffizienz beispielsweise bei der Erzeugung
von Strom durch Turbinen.
Optimierungspotenziale gibt es insbesondere bei kohlebefeuerten Kraftwerken, die
weltweit einen hohen Anteil an der Stromerzeugung haben. Weltweit haben die in
Betrieb befindlichen Steinkohlekraftwerke nur einen Wirkungsgrad von im Mittel ca.
30 Prozent, während neue Anlagen Wirkungsgrade von mehr als 45 Prozent aufweisen.
Gasturbinen-Kraftwerke erreichen schon heute Wirkungsgrade von annähernd
60 Prozent.
Optimierungen durch eine weitere Anhebung des Kraftwerkswirkungsgrades erfordern
bei grundsätzlicher Beibehaltung des Kraftwerksprozesses höhere Arbeitstemperaturen.
Hierfür müssen neue Werkstoffe mit extremer Hitzebeständigkeit beispielsweise
auf Basis von Nanomaterialien entwickelt werden, Verbesserungen lassen
sich u.a. durch optimierte thermische Barriere-Schichten für Turbinenwerkstoffe
erzielen. Ein Entwicklungsziel für die nächsten 10 Jahre liegt darin, die zulässigen
Heissgastemperaturen in Gasturbinen auf über 1600 °C anzuheben und damit den
Wirkungsgrad des Kraftwerkes auf deutlich über 60 Prozent zu steigern.
Folie 2
Elektrische Energiespeicher
Das wichtigste Anwendungsfeld elektrischer Energiespeicher ist die Versorgung
mobiler Elektronikgeräte und zukünftig auch immer häufiger von Hybrid- und Elekrofahrzeugen.
Hier sind elektrochemische Speicher (Batterien, Akkus, Superkondensatoren) vorteilhaft,
die im Vergleich zu anderen Stromspeichern höhere Wirkungsgrade, Energie-
und Leistungsdichten besitzen. Bezüglich der Anforderungen an elektrische
Energiespeicher in den verschiedenen Anwendungen gilt es eine Vielzahl von Kriterien
zu optimieren, wie u.a. Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Ansprechzeit,
Betriebstemperaturbereich, Sicherheit und Wirkungsgrad.
Viele dieser Leistungsmerkmale lassen sich durch den Einsatz von Nanotechnologien
optimieren. Ein Beispiel sind Lithium-Ionen-Batterien, die aufgrund einer herausragenden
Energie- und Leistungsdichte als eine der zukunftsträchtigsten Varianten
der Stromspeicherung gelten.
Einsatzpotenziale bieten sich für Elektrofahrzeuge aber auch als Stromspeicher in
Windfarmen, um für einen Ausgleich zwischen der schwankenden Stromerzeugung
und der Stromnachfrage zu sorgen.
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Folie 3
Solarzellen
Der Einsatz der Nanotechnologien gilt als ein Schlüsselfaktor, um der Photovoltaik
durch erhebliche Kosteneinsparungen und Effizienzgewinne auf Basis neuer Materialien
und Solarzellentypen sowie einfacherer Produktionsprozesse zum breiten
wirtschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Durch Nanostrukturen lassen sich die
Bandlücken der Halbleiter optimal auf das eintreffende Strahlenspektrum anpassen
oder auch mehrere Ladungsträger pro Photon freisetzen, um so die Umwandlungseffizienzen
zu verbessern.
Dies betrifft auch eine verbesserte Lichteinkopplung, z.B. durch Vermeidung von
Reflexionsverlusten an der Frontabdeckung durch nanostrukturierte Antireflex-
Schichten oder auch durch Hoch- oder Herunter-Konvertierung von Lichtwellenlängen
durch spezielle Nanostrukturen, die eine bessere Ausnutzung des eingestrahlten
Lichtspektrums ermöglichen könnten.
Weiterhin werden neue Materialkombinationen wie polymere Halbleiter nutzbar gemacht,
die zwar eine geringe Umwandlungseffizienz aufweisen, dafür aber durch
kostengünstige Massenherstellungsverfahren in Zukunft wesentlich wirtschaftlicher
hergestellt werden könnten. Durch den Einsatz von nanotechnologischer Prozesstechnik,
wie beispielsweise plasmagestützte Verfahren und das Design von Oberflächen
und Schichtstrukturen auf der Nanoebene, lassen sich Zellaufbau und Wirkungsgrade
bei allen Solarzelltypen optimieren.
Folie 4
Windgeneratoren
Die in den letzten Jahren zu beobachtende Tendenz zu immer grösseren und leistungsfähigeren
Windgeneratoren führt zu wachsenden Herausforderungen hinsichtlich
der mechanischen Belastbarkeit von Materialien und Komponenten. Durch den
Einsatz von Nanotechnologien könnten hier wesentliche Lösungsbeiträge erzielt
werden, beispielsweise bei der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) basierten
Kompositmaterialien für leichte und hochfeste Rotorblätter. Durch Verfahren
der Nanostrukturierung könnten der Natur entlehnte biometrische Effekte genutzt
werden, die der Entstehung von Luftwirbeln bei Rotorblättern entgegenwirken und
dadurch den Geräuschpegel von Windrädern reduzieren und den Energieeintrag
optimieren.
Auch zum Schutz vor Schäden durch Blitzeinschlag, die für über 10 Prozent der
Betriebsausfälle von Windgeneratoren verantwortlich sind, könnten CNT-Komposite
beitragen. Diese besitzen nicht nur aussichtsreiche mechanische Eigenschaften,
sondern bieten auch eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Im Bereich polymerer
Komposite reicht bereits ein CNT-Gehalt von ca. 1 Prozent aus, um ein
durchgängiges Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren zu generieren, das eine hohe
elektrische Leitfähigkeit des Polymerkomposits gewährleistet.
Die Länge der Rotorblätter von Windkraftanlagen wird durch ihr Gewicht begrenzt.
Mit neuen Composite-Materialien, lassen sich neuerdings Rotorblätter herstellen,
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die um 10 bis 30 Prozent leichter und zugleich deutlich stabiler sind als reine Epoxid-Systeme.
Die stärkere Belastbarkeit zeigt sich beispielsweise in einer um 20 bis
30 Prozent höheren Schlagzähigkeit und in den Ermüdungseigenschaften, die um
50 bis 200 Prozent verbessert sind. Durch das exzellente mechanische Eigenschaftsprofil
und das geringere Gewicht der neuen Composite-Werkstoffe können
die Rotorblätter länger ausgelegt werden, was die Leistung der Windkraftanlagen
spürbar steigert.
Folie 5
Intelligente Stromnetze – Smart Grids
Die weltweit zunehmende Liberalisierung der Strommärkte wird die Anforderungen
an die Flexibilität der Stromnetze zukünftig spürbar erhöhen. Ein transeuropäischer
Stromhandel erfordert eine effiziente Energieverteilung auch über grosse Distanzen,
eine flexible Anpassung an temporär stark schwankende Bedarfe sowie eine schnelle
Regelbarkeit des Lastflusses, um das Ausmass von Netzstörungen und das Risiko
grossflächiger Blackouts einzuschränken.
Auch in Bezug auf die wachsende dezentrale Stromeinspeisung aus fluktuierenden
regenerativen Stromquellen stösst das bestehende Stromverteilernetz zunehmend
auf Grenzen. Für die zukünftige Stromverteilung sind Stromnetze erforderlich, die
ein dynamisches Last- und Fehlermanagement sowie eine bedarfsgesteuerte Energieversorgung
mit flexiblen Preismechanismen ermöglichen. Nanotechnologien
könnten wesentliche Beiträge zur Realisierung dieser Vision liefern, beispielsweise
durch nanosensorische und leistungselektronische Komponenten, die die äusserst
komplexe Steuerung und Überwachung derartiger Stromnetze bewältigen können.
Hier bieten miniaturisierte, magnetoresistive Sensoren auf Basis magnetischer Nanoschichten
Potenziale, um eine flächendeckende Online-Messung von Strom- und
Spannungskennwerten im Stromnetz zu ermöglichen.
Folie 6
Thermische Isolierung
Der Energiebedarf für Heiz- und Kühlzwecke in industriellen Bereichen wie bei privaten
Verbrauchern hat einen erheblichen Anteil am weltweiten Gesamtenergieverbrauch.
Grosse Einsparungspotenziale ergeben sich hier bei der energetischen
Sanierung von Altbauten. Aber auch die Isolation in technischen Prozessen, z.B.
beim Transport flüssiger Gase, ist von erheblicher Bedeutung.
Nanoporöse Materialien bieten aufgrund einer Porengrösse in der Grössenordnung
der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle Potenziale für hocheffiziente Dämmmaterialien.
Beispiele für derartige Materialien sind Aerogele, die zu 99 Prozent aus
Porenvolumen in einem Netzwerk von Nanopartikeln beispielsweise aus Siliziumdioxid
bestehen und daher extrem leicht sind.
Entwicklungspotenzial besitzen zudem nanoporöse Polymerschäume, deren Herstellung
derzeit noch nicht wirtschaftlich gelingt. Bei diesen nanozellulären Schaum-
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stoffen soll die Grösse der Zellen soweit verringert werden, dass sie der mittleren,
freien Weglänge eines Gasmoleküls entspricht. Dadurch käme ein Wärmeaustausch,
der eine Folge von Zusammenstössen von Gasmolekülen ist, fast vollkommen
zum Erliegen. Die resultierenden Schaumstoffe hätten Wärmedämmeigenschaften,
die denen von Vakuumplatten ähneln, ohne dass ein Vakuum anzulegen
ist. Auf diese Weise könnte die Dämmwirkung eines Schaumstoffs um mehr als 50
% verbessert oder die benötigte Materialdicke für eine gegebene Dämmleistung um
mehr als die Hälfte reduziert werden.
Folie 7
Kraftstoffeinsparung bei Verbrennungsmotoren
Der Kraftstoffverbrauch wird bei modernen Motoren zu etwa 10 bis 15 Prozent von
der Motorreibung bestimmt. Verantwortlich hierfür sind Reibungsverluste an den
bewegten mechanischen Bauteilen der Motoren. Dies sind neben der Kolbengruppe,
bestehend aus Zylinderwandung und Kolben, die Elemente des Kurbeltriebes
(Kurbelwelle, Pleuel und Lagerung) sowie die Ventiltriebsgruppe mit Nockenwelle
und Ventilen. Die Kolbengruppenreibung verursacht dabei den grössten Anteil der
mechanischen Reibungsverluste. Nanotechnologien können dabei helfen, durch
Verminderung der Reibung Kraftstoffeinsparpotenziale zu realisieren.
Nanokristalline Beschichtungswerkstoffe, aufgetragen auf die Zylinderwand, verringern
Reibung und Verschleiss und damit den Kraftstoffverbrauch. Die Zylinderlaufbahnen
des Aluminium-Kurbelgehäuses werden direkt mit Nanowerkstoffen beschichtet.
Dadurch konnten die bisher notwendigen Laufbuchsen eingespart werden.
Beschichtungswerkstoffe mit eingelagerten Nanokristallen in der Grösse von
60 bis 130 nm auf der Basis von Eisencarbid und Eisenborid führen zu extrem harten
und gleichzeitig reibungsarmen Oberflächen.
Folie 8
Hochfeste Stähle
Beispiele in den Bereichen Stahlkarosserien, dünne Dosenverpackungen und stabile
Brückenkonstruktionen zeigen, wie in der Stahlindustrie durch die Weiterentwicklung
von Legierungen relevante Materialeinsparungen möglich sind. Durch die gezielte
Einstellung des Gefüges kann Stahl in weiten Bereichen den jeweiligen Anforderungen
angepasst werden. So erlauben Stähle mit nanoskaligem Gefüge die Reduktion
der eingesetzten Materialmengen für die jeweils benötigten Zielfestigkeiten
einer Anwendung.
Nutzbare Nanostrukturen werden bei Stahlwerkstoffen meist nicht durch Zugabe
von Nanopartikeln, sondern durch spezielle Prozessführungen bei der Stahlverarbeitung
erzeugt.
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Folie 9
Stahlumformung
Durch nanoskalige semipermanente Schutzschichten können Umformprozesse bei
der Herstellung von Stahlteilen effektiver gestaltet werden.
In diesem Fall verhindert eine nanoskalige Schutzschicht die Ausbildung einer unerwünschten
Zunderschicht bei der Hochtemperaturbehandlung von Stahlblechen,
die für die Ausbildung des gewünschten Gefüges benötigt wird. Materialeffizienzpotenziale
ergeben sich mit der reduzierten Verschmutzung und dem geringeren Verschleiss
aufgrund geringer Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff und besserem
Korrosionsschutz.
Folie 10
Schneidenwerkstoffe
In den letzten Jahren ist besonders in der Automobil- und Luftfahrtindustrie der
Verbrauch von Aluminiumwerkstoffen stark angestiegen. Der Werkzeughersteller ist
an dieser Stelle gefordert, neue Lösungskonzepte für die Bearbeitung dieser Werkstoffe
anzubieten. Bei der Bearbeitung von Aluminiumwerkstoffen hat der Anwender
mit den unterschiedlichsten Herausforderungen zu kämpfen – je nachdem ob unteroder
übereutektische Legierungen zerspant werden, muss man entweder mit Aufbauschneidenbildung
oder mit extremem Verschleiss zurechtkommen.
Mit konventionellen Schichtwerkstoffen wie TiN oder TiCN ist es nicht möglich, der
Bildung eines Materialaufbaus im Schneidenbereich wirksam zu begegnen. Und
auch im Bereich der hoch Si-haltigen Al-Legierungen können diese Schichten keinen
ausreichenden Schutz vor Verschleiss bieten.
Als Lösung für die geschilderte Problematik kommen nur nanokristalline, glatte Diamantschichten
in Frage. Der Diamant weist von allen in der Natur vorkommenden
Werkstoffen die höchste Härte auf. Er ist chemisch inert und reagiert nicht mit dem
zu bearbeitenden Material Aluminium.
Es gibt nicht eine Diamantschicht für alle Anwendungen, sondern je nach Anforderung
wird die optimale Kombination aus Hartmetall, Präparation, Schichtmorphologie,
Schichtstruktur und Schichtdicke zusammengestellt.
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Folie 11
Nano-Elektronik
Die Herstellung und Nutzung üblicher Halbleiter aus Silizium-Atomen bereiten zunehmend
Probleme. Bei der Herstellung werden Halbleiterstrukturen mit Lithografie
auf die Wafer übertragen. Um kleinere Schaltkreise herzustellen wird mit immer kürzeren
und schwerer beherrschbaren Wellenlängen gearbeitet. Damit steigt mit jeder
neuen Halbleiter-Generation der Investitionsaufwand. Ausserdem stellt die Wärmeentwicklung
der immer dichter gepackten Schaltkreise ein weiteres zentrales Problem
dar.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen eignen sich, um Silizium in Halbleiterbauelementen zu
ersetzen. Das ist spätestens dann der Fall, wenn die Halbleiterstrukturen nicht weiter
verkleinert werden können.
Die Kohlenstoff-Nadeln sind ein Material mit vielseitigen Eigenschaften. Legt man
ein elektrisches Feld an zwei benachbarte Nanotubes, verbiegen sie sich und kleben
aneinander, bis ein Spannungsimpuls sie wieder trennt. Diese Eigenschaft entspricht
einem elektromagnetischen Schalter, der vielleicht als nichtflüchtige Speicherzelle
verwendbar ist. Nanotubes können p- und n-dotiert sein. Auf diese Weise
lassen sich pn-Übergänge herstellen.
In Zukunft werden Drähte und Röhren aus Nanostrukturen zur Stromleitung und zur
Datenspeicherung genutzt. Nanotubes ermöglichen eine um bis zu drei Grössenordnungen
grössere Stromdichte als vergleichbar kleinere Kupferdrähte.
Folie 12
Nanoroboter
Im Jahre 1959 hielt der amerikanische Physiker Richard Feynman seinen Vortrag
„There's plenty of room at the bottom“, der ihn bis heute berühmt machte. Ausgehend
vom damaligen Stand der Technik gab er einen Überblick über die durch physikalische
Gesetze vorgegebenen Grenzen aber auch Möglichkeiten der Miniaturisierung.
Was damals abwegig erschien ist heute ein anerkanntes Ziel geworden.
Eine vielversprechende Forschungsrichtung der Nanotechnologie ist der Bereich der
Nanoroboter. Winzige Maschinen die nützlich in allen erdenklichen Bereichen (vor
allem der Medizin) sein könnten, ist die Vision.
„Medizinische Nanoroboter könnten Viren und Krebszellen zerstören, beschädigte
Strukturen reparieren, angesammelte Abfälle aus dem Gehirn entfernen und dem
Körper wieder jugendliche Gesundheit bescheren.“ [Spektrum der Wissenschaft,
Spezial, 2/2001].
Der Nutzen in der Medizintechnik liegt auf der Hand. Teilchen und Maschinen im
Nanomassstab durch den menschlichen Körper an ein bestimmtes Ziel zu steuern,
um dort eine programmierte Aufgabe zu erfüllen oder einen bestimmten Stoff freizusetzen,
ist eine logische Konsequenz für die Anwendung von Nanorobotern.
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Quellen:
http://www.hessen-nanotech.de/mm/NanoEnergie_web.pdf
http://www.hessen-nanotech.de/mm/NanoAuto_final_Internet.pdf
http://www.hessen-nanotech.de/mm/Materialeffizienz_durch_Nanotechnologie_und_neue_Materialien.pdf
http://www.industrie.de/industrie/live/index2.php?menu=1&submenu=3&object_id=2301488
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0902071.htm
http://www.dusseiller.ch/mis_wiki/index.php?title=Nanoroboter,_Utopie_oder_Realit%C3%A4t
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