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Die Schweizer Hochgeschwindigkeits-Transistoren sorgen für grüne Zukunft

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Forschern an der ETH Zürich ist es in Zusammenarbeit mit französischen Kollegen von der EPF Lausanne gelungen, Galliumnitrid-Transistoren (HEMTs) herzustellen, die auf einem speziellen Silizium-Wafer gewachsen sind. Dieser erlaubt es die Technologie mit herkömmlichen Elektronikbausteinen zu kombinieren. „In den Chips der Zukunft können herkömmliche Transistoren als Gehirn fungieren, während unsere Technologie die Rolle der Muskeln übernimmt“, sagt Colombo Bolognesi von der ETH Zürich über welchen wir bereits im Land der Erfinder berichtet haben, gegenüber pressetext.

HEMTs
Bisher konnten Transistoren aus Galliumnitrid nur auf Silizium-Wafern produziert werden, die nicht mit den bei herkömmlichen Silizium-Schaltkreisen verwendeten Exemplaren kompatibel waren. Mit dem jetzigen Durchbruch steht der Kombination beider Technologien auf einem Chip nichts mehr im Weg. „Mit Galliumnitrid kann zwar keine so hohe Transistorendichte – und damit Rechenleistung – wie mit Silizium-Schaltkreisen erreicht werden, dafür halten unsere Transistoren aber höhere Frequenzen und wesentlich stärkere Ströme aus. Auch die Effizienz ist höher“, erklärt Bolognesi die Vorteile von Galliumnitrid.

CMOS-Chips werden nur auf Silizium mit der so genannten (100)- oder (110)-Ausrichtung seiner Kristalle fabriziert. GaN dagegen konnte bis anhin nur auf (111)-Silizium verwendet werden. Damit wird der Bau von Elektronikkomponenten möglich, welche die Rechenleistung des CMOS-Chips und das Energiemanagement von GaN vereinen. Dies ermöglicht eine weitere Miniaturisierung in der Leistungselektronik.

Die Einsatzmöglichkeiten für die neuen Transistoren liegen vor allem in der Transformations-Elektronik, bei Hochspannungsschaltungen und bei der Verstärkung von Radiofrequenz-Signalen. Dadurch, dass Galliumnitrid Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius aushält, könnte es auch in Sensoren für Automotoren zum Zug kommen. Die Technologie für diese Anwendungen steht schon bereit. Jetzt sind nur noch Partner aus der Industrie nötig, die die Technologie implementieren. „Das Potenzial ist groß, aber für die Firmen ist es eben auch eine Kostenfrage. Warum sollen die Leute Geräte austauschen, die nicht kaputt sind?“, so Bolognesi .

Durch die speziellen Eigenschaften von Galliumnitrid könnte weltweit eine enorme Menge an elektrischer Energie gespart werden. Durch die hohe Effizienz erzeugt eine Fünf-Watt-LED auf Galliumnitrid-Basis dieselbe Helligkeit wie eine herkömmliche 60-Watt-Glühbirne. Noch größer ist das Potential bei der Umwandlung von Energie. „In einem Laptop-Trafo zum Beispiel geht bei der Umwandlung sehr viel Energie in Form von Wärme verloren. Mit unserer Technologie ließen sich diese Verluste minimieren“, sagt Professor für Millimeterwellen Elektronik an der ETH Zürich Bologesi .

Bei konsequenter Verwendung in der Transformationstechnik könnte der weltweite Energieverbrauch um ein Viertel gesenkt werden, so der Experte. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, müsste die Politik aber ein Anreizsystem für Industrie und Verbraucher schaffen mit Hilfe eines griffigen CO2-Gesetzes beispielsweise, welches die Firmen zwingt, ihre Energiekosten zu senken.

Neuer innovativer Leichtbau Prüfstand an der Empa eröffnet

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Seit kurzem verfügt die Empa über eine neue Forschungs- und Entwicklungsplattform, um die Schalldämmung von Gebäuden in Leichtbauweise zu verbessern. Am 30. Juni 2011 wurde der Leichtbauprüfstand, den die Empa mit der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau in Biel betreibt, eingeweiht. Damit lassen sich etwa mehrgeschossige Holzbauten lärmschutzoptimieren.

Leichtbau ist gefragt, je länger, je mehr. Denn er schont Ressourcen – und Kosten, auch und vor allem in der Bauwirtschaft. Vor allem Holz als nachwachsender und damit nachhaltiger Rohstoff dürfte künftig als Baumaterial immer wichtiger werden. Doch die Leichtbauweise hat einen gravierenden Nachteil: Je weniger Material in einem Bauelement steckt, desto schlechter schützt es gegen Lärm, vor allem bei tiefen Frequenzen, also im als besonders störend empfundenen Boom-Boom des Bassbereichs.

empa 2

Technisch lassen sich zwar auch Leichtbauten gegen Lärm isolieren, dies wird allerdings schnell einmal kompliziert und kostspielig. So müsste ein Leichtbau beispielsweise deutlich höhere Geschosse aufweisen, um dank dickerer Deckenaufbauten den gleichen Lärmschutz wie ein Haus in Massivbauweise zu bieten. Bei einer vorgegebenen maximalen Bauhöhe lassen sich also im Leichtbauhaus weniger Stockwerke verwirklichen – was wiederum den Ertrag beziehungsweise die Einnahmen senkt. Ausserdem sind die derzeit für die Planung verwendeten Berechnungsverfahren im Fall von Leichtbauten sehr unsicher; oft ist erst nach Fertigstellung klar, ob der gewünschte Lärmschutz mit den verwendeten Elementen und Materialien auch tatsächlich erreicht wurde.

Um diese zu verbessern und dadurch neue Konstruktionen entwickeln zu können, die leicht und gleichzeitig leise sind, hat die Empa gemeinsam mit der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau in Biel (BFH-AHB) eine neue Forschungsinfrastruktur in Betrieb genommen – den Leichtbauprüfstand, eine 400 Quadratmeter grosse und rund zwölf Meter hohe Halle, in der je zwei über- beziehungsweise nebeneinander liegende Räume aus Leichtbauelementen aufgebaut und akustisch untersucht werden können. Damit lassen sich sowohl die vertikale als auch die horizontale sowie die diagonale Schallausbreitung von einem Raum auf die anderen bestimmen. Das Besondere an den Räumen: Sie ruhen auf separaten Bodenplatten aus Beton, die elastisch gelagert und damit vom übrigen Gebäude und voneinander schwingungsentkoppelt sind. Dies verhindert, dass sich Schallwellen über den Boden von einem Raum auf den benachbarten ausbreiten.

Denn genau in der Schallausbreitung – genauer gesagt: im Weg, den der Schall «einschlägt», um sich auszubreiten – liegt die Schwierigkeit im Leichtbau. Während es für Massivbauten genügt, die akustischen Dämmwerte einzelner Elemente wie Wände, Decken, Türen und Fenstern zu messen, um daraus die Lärmschutzeigenschaften des fertiggestellten Gebäudes vorherzusagen, funktioniert dies beim Leichtbau nicht. Die leichten Bauelemente lassen sich einfacher zum Schwingen anregen und übertragen den Schall dadurch in Längsrichtung besser auf die angrenzenden Bauteile.

Bei Leichtbauten müssen also sämtliche möglichen Wege berücksichtigt werden, über die sich der Schall ausbreiten kann, nicht nur der direkte, etwa durch die Wand in den nächsten Raum. Insgesamt gibt es bei Leichtbaukonstruktionen mindestens sechs zusätzliche Übertragungswege für den Lärm, verglichen mit dem Massivbau. Und all diese können im Leichtbauprüfstand separat akustisch vermessen werden.

Dabei lassen sich alle möglichen Leichtbaumaterialien experimentell untersuchen. Messungen an Systemen aus Gipsleichtbauwänden fanden bereits statt – und haben für den Industriepartner auch schon nützliche Hinweise für die Weiterentwicklung des Produkts ergeben. Demnächst beginnen die ersten Messungen für ein grosses von der Lignum – die Dachorganisation der Schweizer Wald- und Holzwirtschaft – und dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) finanziertes Kooperationsprojekt, bei dem es unter anderem darum geht, das Schalldämmvermögen von Holzkonstruktionen genau zu bestimmen und schall- sowie holzbautechnisch optimierte Bauteile und Gebäude zu entwickeln.

Das Band ist durchtrennt, die Einweihung vollzogen. Gian-Luca Bona, Direktor der Empa (links), und Heinz Müller, Direktor der BFH-AHB, haben den Leichtbauprüfstand der Forschung übergeben.

Das Band ist durchtrennt, die Einweihung vollzogen. Gian-Luca Bona, Direktor der Empa (links), und Heinz Müller, Direktor der BFH-AHB, haben den Leichtbauprüfstand der Forschung übergeben.

Bei der Einweihung Ende Juni haben die Direktoren der Empa und der BFH den Leichtbauprüfstand der Forschung übergeben. «Besonders freut mich, mit dieser Forschungsinfrastruktur auch die Zusammenarbeit mit den Fachhochschulen intensivieren zu können», so Gian-Luca Bona, Direktor der Empa.

Stärkung der Schweizer Forschung im Energiebereich

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Interessierte Kreise können bis zum 21. September 2011 beim Staatssekretariat für Bildung und Forschung ihre Vorschläge für Nationale Forschungsprogramme im Themenbereich Energie deponieren. Im Frühling 2012 entscheidet der Bundesrat über die Lancierung einer neuen Programmserie.

schweizerische eidgenossenschaft

Im Rahmen der Entscheide zur zukünftigen Energiepolitik des Bundes hat der Bundesrat bezüglich Massnahmen im Forschungsbereich entschieden, die Prüfrunde 2011/2012 für neue Nationale Forschungsprogramme (NFP) thematisch fokussiert auf die Energieproblematik zu beziehen. Für den Perimeter der möglichen Themen ist der Bericht „Stand und Perspektiven Energieforschung“ der vom Staatssekretariat für Bildung und Forschung SBF geleiteten Interdepartementalen Arbeitsgruppe Energieforschung massgebliche Referenz. Der Vorsteher des EDI informierte nun den Bundesrat an seiner jüngsten Sitzung, dass der Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen für diese NFP-Serie «Energieforschung» diesen Freitag, 8. Juli 2011 durch das SBF erfolgt.

Der NFP-Themenwahlprozess zur Lancierung einer Programmserie „Energieforschung“ erfolgt im bottom-up Verfahren. Entsprechend können interessierte Kreise beim SBF bis zum 21. September 2011 Vorschläge für neue Forschungsprogramme einreichen. Die Prüfung, Selektion und Weiterbearbeitung aller fristgerecht eingereichten Vorschläge erfolgt im Eidgenössischen Departement des Innern EDI unter Beizug von Fachleuten. Der Bundesrat wird im Frühjahr 2012 über die Lancierung einer Programmserie „Energieforschung“ entscheiden.

Die Nationalen Forschungsprogramme sind ein Förderinstrument des Bundes. Der Bundesrat bestimmt periodisch auf Antrag des EDI die Themen sowie den Finanzrahmen neuer NFP und beauftragt den Schweizerischen Nationalfonds mit der Durchführung dieser Forschungsprogramme.

Hier geht es zu den “ Ausschreibungsunterlagen und Bericht „Stand und Perspektiven Energieforschung“ .

Die Erfindung: Neuartige Vorhänge, die Lärm schlucken

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Forschende der Empa haben zusammen mit der Textildesignerin Annette Douglas und der Seidenweberei Weisbrod Zürrer AG leichte, lichtdurchlässige Vorhangstoffe entwickelt, die Schall hervorragend absorbieren. Eine Kombination, die in der modernen Innenarchitektur bis anhin fehlte. Seit kurzem sind die neuen «Lärm schluckenden» Vorhänge nun auf dem Markt.

Annette Douglas
Lärm nervt. Er stört die Kommunikation, vermindert die Arbeitsleistung und macht müde – in Extremfällen gar krank. In Räumen, in denen Menschen arbeiten, miteinander reden oder sich erholen wollen, sind deshalb schallabsorbierende Flächen notwendig. Sie verkürzen den Nachhall und machen die Räume dadurch ruhiger. So genannte schallharte Materialien wie Glas und Beton, die häufig in der Innenarchitektur verwendet werden, absorbieren Schall allerdings kaum. Häufig als Schallabsorber eingesetzt werden schwere Vorhänge, etwa aus Samt. Leichte und transparente Vorhänge sind dagegen akustisch praktisch wirkungslos. Zumindest waren sie das bislang.

Gemeinsam mit dem Industriepartner Weisbrod-Zürrer AG, einer Seidenweberei, und der Textildesignerin Annette Douglas haben Empa-Forschende ein neues Gewebe für leichte und trotzdem schallabsorbierende Vorhänge entwickelt. «Akustiker staunen nicht schlecht, wenn sie die entsprechenden Kennwerte sehen, die wir mit den neuen Vorhängen bei Messungen im Hallraum erreicht haben. Der bewertete Schallabsorptionsgrad liegt zwischen 0.5 und 0.6», sagt Kurt Eggenschwiler, Leiter der Empa-Abteilung «Akustik/Lärmminderung». Sprich: Die neuen Textilien «schlucken» fünfmal mehr Schall als herkömmliche lichtdurchlässige Vorhänge. Eggenschwiler: «Der neue Vorhang ist ein echter Schallabsorber, der die Raumakustik merklich verbessert, – und erst noch von hoher gestalterischer Qualität.»

Ein weiterer Vorteil: Da die neuen Vorhänge lichtdurchlässig sind, lassen sie sich vielseitig einsetzen, etwa in Büros, Sitzungszimmern, Restaurants, Hotellobbys, Seminarräumen bis hin zum Mehrzwecksaal. Oft leisten sie den entscheidenden Beitrag, um die für diese Räume geltenden akustischen Anforderungen und Richtlinien zu erfüllen. Dass die neuen Textilien eine Marktlücke schliessen, zeigt sich bereits kurz nach Markteinführung; das Interesse sei «enorm», so Eggenschwiler.

Die Idee eines Lärm schluckenden und gleichzeitig leichten, lichtdurchlässigen Vorhangs stammt von der Textildesignerin Annette Douglas, die sich schon seit längerem mit der Wechselwirkung zwischen Schall und Textilien beschäftigt und 2005 mit dem Swiss Textile Design Award für das Projekt «Akustikwände für Grossraumbüros» ausgezeichnet wurde. Zusammen mit Forschern der Empa-Abteilung «Akustik/Lärmminderung» sowie der Seidenweberei Weisbrod Zürrer AG reichte sie 2010 ein entsprechendes Projekt bei der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) ein, unterstützt von Forschern der Empa-Abteilung «Advanced Fibres». Keine leichte Aufgabe, denn dünne und damit lichtdurchlässige Gewebe sind normalerweise miserable Schallschlucker.

Das erste akustisch optimierte Leichttextil entstand – am Computer. Dank dessen Eigenschaften wollten die Empa-Akustiker den Textilfachleuten eine Art «Rezept» vorgeben, mit dem sich gezielt ein Schall schluckendes Gewebe herstellen lassen sollte. Dazu entwickelten sie zunächst ein Rechenmodell, das sowohl die mikroskopische Struktur der Gewebe als auch deren makroskopischen Aufbau abbildet. In Kombination mit unzähligen akustischen Messungen an verschiedenen, eigens von Weisbrod-Zürrer gewobenen Proben konnten sie das Gewebe Schritt für Schritt akustisch optimieren. Annette Douglas gelang es, die neuen Erkenntnisse webtechnisch zu übersetzen. Sie wählte die Garne aus, die den Stoffen die notwendigen Eigenschaften hinsichtlich Brennbarkeit und Lichtdurchlässigkeit verliehen, und bestimmte die Gewebekonstruktion, d.h. wie die Fäden ineinander verwoben werden sollten. Weisbrod-Zürrer konnte schliesslich die anspruchsvollen Herstellungsprozesse so anpassen, dass die industriell gefertigten Vorhänge tatsächlich die gewünschten akustischen Eigenschaften aufwiesen.

Die Erfindung von Benzin aus Wasser, CO2 und Sonnenlicht

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Ein Forschungsteam der ETH Zürich, des PSI und des Caltech hat soeben gezeigt, dass es möglich ist, aus Wasser und Kohlendioxid solare Treibstoffe zu erzeugen. Dazu haben die Forscher einen neuartigen Reaktor entwickelt, in dem konzentrierte Sonnenstrahlung ein stabiles und schnelles thermochemisches Verfahren antreibt, welches auf effiziente Weise solaren Treibstoff hervorbringt. Damit schliesst sich die Lücke eines technisch machbaren CO2-Kreislaufs.

Weltweit stellen sich Wissenschaftler die Frage: Wie kann man die saubere und unerschöpfliche, aber ungleichmässig verteilte Sonnenenergie speichern, um diese von den sonnigsten Flecken der Erde in die industrialisierten Zentren zu transportieren, wo die meiste Energie benötigt wird? Diese Frage motiviert Forscher nach Rezepten zu suchen, wie Sonnenlicht in chemische Energieträger umgewandelt werden kann, und zwar in Form von flüssigen Treibstoffen, die über lange Zeit gespeichert und über weite Distanzen transportiert werden können − Treibstoffe notabene, die nicht nur Autos, Schiffe und Flugzeuge antreiben, sondern die gesamte nach Öl lechzende Weltwirtschaft nachhaltig versorgen

Erfindung Benzin

Einem Forschungsteam um Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger an der ETH Zürich und Leiter des Labors für Solartechnik am Paul Scherrer Institut (PSI), ist es nun gelungen, ein solches Rezept inklusive «Kochtopf» − sprich Solar-Reaktor − zu entwickeln. Mit einem radikal neuen Prozess wird Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt in ein Gemisch von Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), das als «Syngas» bezeichnet wird und eine Vorstufe von Benzin, Kerosin und anderen flüssigen Treibstoffen darstellt. Zusammen mit Kollegen des California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, USA, haben die ETH- und PSI-Forscher den Solar-Reaktor entwickelt und die experimentellen Resultate in der aktuellen Ausgabe von «Science» veröffentlicht.

Die zugrundeliegende Idee besteht darin, Wasser und CO2 thermochemisch mit Hilfe eines zweistufigen Metalloxid-Redox-Kreisprozesses aufzuspalten. In einem ersten, energieintensiven Schritt wird Ceriumoxid mit Hilfe von konzentrierter Sonnenstrahlung bei einer Temperatur von 1500°C reduziert. Dabei gibt das Material Sauerstoffatome aus der Struktur ab. Im zweiten Schritt lässt man das reduzierte Ceriumoxid bei etwa 900°C mit Wasserdampf und CO2 reagieren; dabei werden die Wasser- und CO2-Moleküle aufgebrochen und die freiwerdenden Sauerstoffatome so in die Materialstruktur integriert, dass das Ceriumoxid wieder in der Ausgangsform ist und der Kreisprozess erneut gestartet werden kann. Übrig bleibt reines Syngas aus H2 und CO. «Es ist thermodynamisch gesehen attraktiv, den solarchemischen Prozess bei hohen Temperaturen zu betreiben und das gesamte Sonnenspektrum zu nutzen, um mit hohen Reaktionsgeschwindigkeiten und einem hohen Energieumwandlungswirkungsgrad solare Treibstoffe herzustellen», erklärt Steinfeld.
Effiziente Wärmeübertragung

Der neuartige Solar-Reaktor für diesen thermochemischen Kreisprozess ist in der oben stehenden Abbildung schematisch dargestellt. Die Reaktorkonfiguration besteht aus einem Hohlraum-Receiver, der einen porösen, monolithischen Ceriumoxid-Zylinder beinhaltet. Konzentrierte Sonnenstrahlung tritt durch eine mit einem durchsichtigen Quarzglas abgedichtete Blendenöffnung ein und wird vom Ceriumoxid innerhalb des Reaktors direkt und effizient absorbiert. Dieses Material wird unter Beigabe eines geeigneten Gases zyklisch erhitzt und gekühlt, was die Produktion des «Syngas‘» auslöst.

Die Forscher testeten am Hochfluss-Solarsimulator am PSI einen 2000-Watt-Reaktor-Prototyp. Dabei verwendeten sie eine Strahlungsintensität, die der Kraft von 1500 Sonnen entspricht. Der Umwandlungwirkungsgrad von Sonnenenergie in Treibstoff betrug dabei 0,8 Prozent. Dieser Wert ergibt sich aus dem Brennwert des produzierten Syngas, geteilt durch den Input an Strahlungsenergie.

Diese Wirkungsgrade sind um zwei Grössenordnungen höher als diejenigen, die man mit herkömmlichen photokatalytischen Methoden zur CO2-Spaltung erzielt hat, erklärt Steinfelds Doktorand Philipp Furler, der momentan an der Optimierung des Prozesses mit Hilfe numerischer Strömungsmechanik und Wärmeübertragungs-Simulationen arbeitet. Thermodynamische Analysen zeigen, dass Wirkungsgrade von bis zu 19 Prozent erreicht werden können.

Neben der Effizienz der Umwandlung ist auch die Stabilität des reaktiven Materials, also des Ceriumoxids, essenziell. Diesbezügliche Tests über 500 Zyklen der Wasserspaltung verliefen erfolgreich, so dass solarer Treibstoff ohne Unterbruch und mit konstanten Raten hergestellt werden konnte.

«Die Resultate, die wir in Science veröffentlichen konnten, zeigen die Machbarkeit von solarbetriebenen thermochemischen Verfahren zur Herstellung von Treibstoff aus Kohlendioxid und Wasser auf», betont Steinfeld. «Die Entwicklung eines einfachen und skalierbaren Solar-Reaktors sei hierfür unerlässlich».

Solar-Reaktor
Zurzeit sind Steinfeld und seine Gruppe daran, den Solar-Reaktor so zu optimieren, dass er auch in grossem Massstab − im Megawatt-Bereich − in Solarturm-Anlagen eingesetzt werden kann. Solche Anlagen sind bereits kommerziell zur Stromerzeugung im Einsatz. Steinfeld bleibt aber konservativ mit seiner Einschätzung, bis wann seine Solarreaktortechnologie in der Praxis in Betrieb genommen werden könnte: «Es sind noch grosse Anstrengungen nötig, doch 2020 sollten wir soweit sein, dass die erste industrielle Solartreibstoff-Anlage in Betrieb gehen und einen zentralen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung der Zukunft leisten kann».