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Gewählte Kategorie Elektrotechnik
Großforschung für Batterien der Zukunft
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Am KIT arbeiten 200 Wissenschaftler an Hochleistungs-Akkumulatoren
Am Karlsruher Institut für Technologie arbeitet ein Kompetenzteam mit über 200 Experten an Entwicklungen rund um die Elektromobiltät. Es geht um die Analyse der gesamten Produktionskette: von der Chemie bis hin zum fertigen Batteriesystem. Das Ziel: die drastische Senkung der Herstellungskosten leistungsstarker Lithium-Ionen-Batterien auf 250 € pro Kilowattstunde.
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- Informationen zu Competence E des KIT – Link
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Am KIT sind die Arbeiten von Wissenschaftlern unterschiedlicher Forschungsinstitute in das Kompetenzzentrum integriert. An einer Ultra-Hoch-Vakuumanlage analysieren Wissenschaftler verschiedenste Materialien, um die optimale Zusammensetzung für die Elektrodenbeschichtung und die Separatoren zu finden. Am Institut für Thinfilm-Technologie gehen sie der Frage nach, wie sich das Beschichten – also das Aufbringen der Paste auf Folie – im Produktionsprozess beschleunigen lässt. Andere Arbeiten befassen sich mit Fragen, wie Roboterarme die dünnen Folien in der Massenproduktion zerstörungsfrei greifen können, um sie an die nächste Bearbeitungsstation im Herstellungsprozess weiterzugeben.
Bei den Batteriezellen gibt es enormes Einsparungspotenzial: die Zellenfertigung macht fast 50 Prozent der gesamten Batteriekosten aus. Entsprechend groß sind die Möglichkeiten, durch verbesserte Produktionstechnologien Kostensenkungen zu erreichen. Deshalb geht es bei diesen Forschungen nicht nur um Lösungen mit dem Ziel, die Elektronik für das Batteriemanagement zu optimieren, sondern auch um das sogenannte Formieren, das erste Aufladen der Batterie. Ebenso bietet die sogenannte Leckstromprüfung Optimierungspotenzial; sie prüft, ob die Batterie unerwünscht Strom verliert.
© VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau 2011
OLEDs – mühsamer Weg zur Massenfertigung
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Trotz zahlreicher Vorteile im Labor ist die Massenproduktion noch nicht machbar
Rund 16 Prozent der elektrischen Energie wird heute für Beleuchtung eingesetzt – Bedarf steigend. Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, gelten als wichtige Innovation; sie bieten erhöhte Effizienz der Lichterzeugung bei geringem Ressourcenaufwand. Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme gelang es vor kurzem erstmals, eine 15 Meter lange OLED-Folie prozesstechnisch herzustellen.
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Mehr zum Leistungsspektrum des IPMS – Link
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Organische Leuchtdioden sind heute im Labor bereits sehr effizient. Die Licht emittierenden Schichten sind nur ein Tausendstel so dünn wie der Durchmesser eines Haares. Eine Spannung von nur wenigen Volt bringt den organischen Farbstoff zum Leuchten. Die OLED-Technologie erlaubt es zudem, Licht unterschiedlicher Farbe zu erzeugen. Der Einsatz der Technologie reicht daher weit über die reine Beleuchtung hinaus, auch Displays könnten künftig damit zum Leuchten gebracht werden. Sie reagieren zudem auf Berührung, Touch-OLEDs konnten im Labor bereits entwickelt werden.
Die OLEDs sind allerdings wasser- und sauerstoffempfindlich; ihre Produktion muss daher im Hochvakuum erfolgen. Noch fehlt es an geeigneter Massenfertigung. Ein entscheidender Schritt hin zur Massenproduktion wurde im Herbst 2011 am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme erzielt: dem Forschungsteam gelang es, auf einer 15 Meter langen Folie im Rolle-zu-Rolle-Prozess OLEDs herzustellen.
© Fraunhofer-Gesellschaft 2011
Charles Townes, Vordenker der Lasertechnik
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Funktionsweise einer seit fünfzig Jahren erfolgreichen Technologie
Der Laser ist bereits fünfzig Jahre alt. Pionier dieser Entwicklung ist der Physiker und Nobelpreisträger Charles Townes, der noch heute an der University of Berkeley als Emeritus tätig ist. Er hat die Grundlage dieser Technologie geschaffen, deren Einsatz heute von der Medizintechnik bis zur Unterhaltungselektronik reicht.
Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:
- Interview mit Charles Townes zum Laser-Jubiläum – Link
- Feier zu fünfzig Jahren Laser-Technologie im Karlsruher Institut für Technologie – Link
- 125 Jahre Entdeckung der elektromagnetischen Wellen – Link
Vor 125 Jahren, am 11. November 1886, gelang es Heinrich Hertz erstmals, den experimentellen Nachweis der elektromagnetischen Ausbreitung von Wellen zu erbringen. Mit seinen Messungen konnte er an Hand von Radiowellen erstmals bestätigen, dass sich elektromagnetische Wellen tatsächlich – wie theoroetisch schon postuliert – mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dies schuf die Grundlage für zahlreiche praktische Anwendungen wie Rundfunk und Handytechnologie. Auch andere Frequenzbereiche wie Infrarot oder das optische Licht folgen dem Prinzip elektromagnetischer Wellenausbreitung. In der Maser- und Lasertechnologie werden diese Wellen auch noch stark gebündelt und damit zu hoher Energiedichte konzentriert. Die theoretische Grundlage dieser Technologie schuf der Physiker Charles Townes 1952.
Zwei Jahre später entwickelte er an der Columbia University ein Funktionsmodell zur Verstärkung und Erzeugung elektromagnetischer Wellen durch stimulierte Emission – der Begriff Maser entstand als Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Schon 1958 konnte er gemeinsam mit seinem Schwager Arthur L. Schawlow nachweisen, dass das Prinzip des MASERS auch auf optische und infrarote Wellenlängen anwendbar ist, und formulierte dafür die grundlegende Gleichung. Nur wenige Jahre später gelang der Bau des ersten Lasergerätes.
Der Bericht des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zeigt am Beispiel des Rubinlasers, wie fokussiertes Licht im Laser entsteht, und lässt den Laser-Vordenker Townes über die Geschichte und die Zukunft der Lasertechnologie zu Wort kommen. Der Forscher wurde 2011 bereits 96 Jahre alt und ist immer noch an der kalifornischen Universität Berkeley in Forschung und Lehre aktiv.
Die Lasertechnologie ist heute sowohl im Alltag als auch im Forschungsbetrieb in unterschiedlichen technischen Variationen im Einsatz. Inzwischen gibt es unzählige Arten von Lasern für die verschiedensten Anwendungen, deren Spektrum von der Materialbearbeitung über die Medizintechnik bis zur Unterhaltungselektronik reicht.
© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2011
Lithium-Ionen-Batterien der zweiten Generation
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Weltweite Forschungen für neue Kathodenmaterialien
Forschungen an Batterien und Akkus haben in den letzten zehn Jahren erheblich an Dynamik gewonnen. Die weltweite Suche nach neuen chemischen Materialien für die Lithium-Ionen-Technologie der nächsten Generation ist angelaufen. Getrieben sind diese Aktivitäten auch durch die rasant wachsende Elektromobilität, die einen Milliardenmarkt im Automobilsektor verspricht. Es geht um leistungsstarke, kompakte Batterien mit wesentlich höherer Lebensdauer als heute. Auch Deutschland will sich in diesem Feld positionieren.
Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:
- Bundesforschungsministerium zur Strategie Elektromobilität – Link
- Batterie-Forschungen am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie – Link
- Entwicklungen innovativer Kathodenmaterialien in der BASF – Link
- Innovationsallianz “Lithium Ionen Technologie LIB2015″ – Link
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Lithium-Ionen-Batterien werden bereits milliardenfach produziert. Für Laptops sind sie weltweit standardisiert und kosten heute nur noch 150 bis 200 US-Dollar pro Kilowattstunde. Der Markt ist mit neunzig Prozent Anteil derzeit fest in asiatischen Händen. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bedarf es aber wesentlich leistungsfähigerer Typen. Ein weltweites Rennen um die Marktführerschaft dieser nächsten Batterie-Generation ist angelaufen. Das erklärte Ziel: In den kommenden sieben Jahren sollen die Batteriekosten pro Kilowattstunde von heute 600 bis 1000 € auf 250 € gesenkt werden.
Die große Unbekannte bei den Lithium-Ionen-Batterien ist derzeit ihre Haltbarkeit. Ihr Einsatz im Fahrzeug erfordert einen längeren Lebenszyklus als bisher. Sie müssen kalte Winternächte wie heiße Sommertage verkraften und selbst bei flotter Vollgasfahrweise einwandfrei funktionieren. Offen auch, wie sich häufiges Tiefentladen nicht leer gefahrener Batterien vor jedem Stromtanken im Dauereinsatz auswirkt. Die Forschungen konzentrieren sich heute vor allem auf die Kathode, weil hier der größte Handlungsbedarf besteht. Rohstoffe machen heute rund 70 Prozent der gesamten Kosten einer Zelle aus. Ein Drittel davon entfällt allein auf die Kathode. Einsparung bei den Materialkosten, das ist die eine Seite der Forschungsanstrengungen. Aber auch Reduzierung des Materialgewichts ist angesagt. Für eine Kilowattstunde an Leistung braucht man heute rund zwei Kilogramm des Kathodenmaterials. Da lässt sich noch so manches Gramm wegrationalisieren.
Wissenschaftler experimentieren bereits mit Materialien für die weitere Zukunft, wobei Nanotechnologie eine große Rolle spielt. Perspektiven für die Entwicklung von Batterien der übernächsten Generation zeichnen sich bereits ab – sowohl hinsichtlich der Leistung pro Gewicht als auch hinsichtlich der Leistung pro Volumen. Lithium-Schwefel und Lithium-Luft gelten dabei als große Zukunftsvision.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Wärmedämmung für den „smart forvision”
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Infomercial der BASF SE
Daimler und BASF haben auf der Internationalen Automobilausstellung 2011 ein Konzeptfahrzeug mit einer ganzheitlichen Perspektive für Elektromobilität vorgestellt. Ergebnis der technologisch-innovativen Zusammenarbeit ist der „smart forvision“, bei dem besonderes Augenmerk auf die Themen Energieeffizienz, Temperaturmanagement und Leichtbau gelegt wurde. Er zeigt etliche bisher im Autobau nicht eingesetzte Komponenten, die vor allem der Erhöhung der Reichweite des E-Autos dienen.
In diesem kreativ gestalteten Video stellt BASF einen extrem leichten Hochleistungsdämmstoff vor, der hilft, das Gewicht der Fahrzeuge deutlich zu senken und gleichzeitig einen Beitrag zum ganzheitlichen Temperaturmanagement zu leisten. Die von BASF neu entwickelten dünnen Dämmplatten bestehen aus mikroskopisch kleinen dicht gepackten Kugeln, sie leisten dabei ebensoviel wie um ein Mehrfaches dickere herkömmliche Schaumstoffplatten und verringern auf diese Weise das Fahrzeuggewicht. Die Gewichtsreduzierung gilt als wesentliche Stellgröße, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Im „smart forvision“ sind darüber hinaus noch weitere ideenreiche Effizienz-Konzepte vorgestellt worden, etwa Solarzellen und energiesparende OLEDs im Dach des visionären Smart. Weiter ersetzen Verbundmaterialien für den sogenannten multifunktionalen Leichtbau die bisher verwendeten schweren Metallbauteile für das Chassis.
Automobilhersteller Daimler und Zulieferer BASF wollen mit der Zusammenlegung ihrer Aktivitäten im Bereich Elektromobilität mit Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten dazu beitragen, Elektroautos schneller in den Alltag zu bringen.
© BASF SE 2011
Deutschland macht e-mobil
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IAA 2011 als Urknall des deutschen Elektroautos 2.0
Deutsche Automobil-Hersteller sind, dank gewaltiger öffentlicher Fördermittel, auf den Geschmack der Elektromobilität gekommen. Auf der diesjährigen Internationalen Automobil-Ausstellung in Frankfurt konnte man bei den großen deutschen Marken von Audi über BMW bis Daimler auf Entdeckungstour gehen.
“Urban Concept” und “Smart forvision” – zwei Beispiele groß angelegter deutscher Konzeptautos von Audi und Daimler – wurden auf der Internationalen Automobilausstellung 2011 erstmals präsentiert. Schon heute sind amerikanische und asiatische Hersteller mit Elektroautos auf dem Markt, die deutsche Autoindustrie ist also spät dran, will aber jetzt verlorenes Terrain wieder wettmachen. Und das, obwohl das Elektroauto einst eine ureigene deutsche Domäne war, fuhren doch schon Anfang des 20. Jahrhunderts Elektromobile aus deutscher Produktion auf den Straßen, darunter aus der Entwicklungsabteilung des großen Pioniers der Elektrotechnik, Werner von Siemens. Auch dieser Konzern entsinnt sich seiner Historie und will wie RWE in dieses zukunftsträchtige Autosegment einsteigen.
Unterstützt wird die deutsche Industrie dabei von der Bundesregierung, die mit vier Milliarden Euro die Elektromobilität zum Leitmarkt entwickeln will. Auch in den Ländern steht das Elektroauto 2.0 hoch im Kurs – allen voran Nordrhein-Westfalen. Im Masterplan NRW mit Kompetenzzentren in Aachen (Fahrzeugtechnik und Produktion), Dortmund (Netze und Infrastruktur) sowie Münster (Batterietechnik) liegt eine dreistellige Millionensumme für Förderung von Forschung und Entwicklung bereit. Mit ihr soll auch der einschlägige universitäre Nachwuchs herangezogen werden.
Noch kann man deutsche E-Autos nicht kaufen, aber Daimler will schon 2012 mit dem Elektro-Smart das erste deutsche Serienauto mit Elektromotor auf den Markt bringen. Für 2013 ist dann mit mehreren Elektrofahrzeugen aus deutscher Produktion zu rechnen.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
Von der Dampflok zum Transrapid
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Eine kurze Zeit-Reise auf Schienen
Die Geschichte der Eisenbahn beginnt im nordenglischen Bergbaugebiet von Newcastle. Technologisch ging es dabei nicht nur um die Entwicklung der dampfbetriebenen, mehrere Tonnen schweren Zugmaschine, sondern auch um die Konstruktion ausreichend belastbarer Schienen. Die Technologie, die ursprünglich für den Transport der abgebauten Kohle aus den Stollen entwickelt worden war, setzte sich im 19. Jahrhundert auch für die Personenbeförderung durch.
Die erste öffentliche Eisenbahn für den Personenbetrieb fuhr 1825 zwischen Stockton und Darlington. In der Folge entwickelte sich ein mächtiges Bahnnetz auf allen Kontinenten. Der nächste große Entwicklungssprung des Schienenverkehrs wurde stark durch den Ersten Weltkrieg ausgelöst. Kohle als Rohstoff für Dampfmaschinen wurde knapp, so gewann die Elektrotechnik für den Betrieb von Lokomotiven an Bedeutung. Dabei ging es aber nicht nur um geeignete Motoren für die Loks, auch die Bahntrassen mussten aufwändig elektrifiziert werden. Seit den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts rückte die Geschwindigkeit in den Mittelpunkt des ingenieurtechnischen Interesses.
Machen Sie mit unserer Moderatorin Dr. Susanne Päch eine kurze Zeitreise durch die spannende Geschichte der Eisenbahn – von den ersten Anfängen bis ins ausgehende 20. Jahrhundert.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
König trifft Erfinder!
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Werner von Siemens illuminierte die königliche Venusgrotte
Märchenkönig Ludwig II. ist weithin als Bauherr gigantomanischer Schlösser bekannt, weniger in die Öffentlichkeit gedrungen ist seine Lebensleistung als Förderer innovativer Techniken. In der Venusgrotte von Schloss Linderhof begann 1878 das Zeitalter der Elektrifizierung mit dem Aufbau des weltweit ersten Elektrizitätswerks; kein Geringerer als Werner von Siemens lieferte die bis dato noch unbekannte Technologie.
Derzeit wird die tragische Lebensgeschichte des Märchenkönigs in einem großen Kinofilm an Originalschauplätzen seiner Schlösser in opulente Bilder gesetzt. Was dabei weniger im Blickpunkt steht, ist die Tatsache, dass der König von Bayern nicht nur ein großer Fan der Baukunst war, sondern gern auch den Einsatz innovativer Techniken förderte. So startete das Zeitalter der Elektrifizierung faktisch in einem königlichen Anwesen, in der Venusgrotte von Schloss Linderhof. Hier zog sich der König zurück, um in einer Traumwelt düsteren Gedanken nachzuhängen. Diese Tätigkeit sollte jedoch entsprechend illuminiert sein – und dafür war dem König modernste Technik gerade gut genug. In höchst königlichem Auftrag errichtete Sigmund Schuckert 1878 dafür das weltweit erste Elektrizitätswerk – auf Basis des Dynamos, den der bayerische Erfinder und Unternehmer Werner von Siemens erfunden hatte.
24 nach dem Siemens-Prinzip arbeitende Dynamomaschinen sowie Kohlebogenlampen von Siemens setzten damals die von Ludwig II. erträumte, märchenhaft strahlende Farbenpracht in der Venusgrotte in Szene. Man beachte: Diese elektrischen Anlagen in Linderhof wurden ein Jahr vor Thomas A. Edisons ersten Versuchen mit Glühlampen und vier Jahre vor der Errichtung der ersten öffentlichen Elektrizitätswerke fest installiert. Bei einem Festakt auf Schloss Linderhof im Mai 2011 würdigten Prinz Luitpold von Bayern, der bayerische Finanzminister Georg Fahrenschon und Siemens-Chef Peter Löscher deshalb gemeinsam die beiden kongenialen Pioniere des Stromzeitalters: König Ludwig II. und Werner von Siemens.
© mce mediacomeurope GmbH 2011
