Antriebstechnik

Nano – große Wirkung kleinster Abmessungen

Neben Mikrosystemtechnik und Photonik gilt die Nanotechnologie als eine der Schlüsseldisziplinen des 21. Jahrhunderts. Mit ihrer Vielseitigkeit bildet sie die Grundlage für Innovationen verschiedenster Art, für die Entwicklung ganzer Branchen. „Nano“ nutzt unter dem Motto „immer kleiner, immer schneller, immer effizienter“ neuartige Effekte von Strukturen mit der Ausdehnung weniger Nanometer. Und das ist weit mehr, als nur Funktionalitäten auf winzigem Raum zu konzentrieren. Zum immensen Einsatzspielraum tragen neben den Nano-Materialien selbst ihre Analyse, Bearbeitung und der sichere Umgang mit den Neuen bei.

Zum Begriff

Organische Plastic-Solarzellen. (Quelle: www.lti.uni-karlsruhe.de)

Unter diese Kategorie (Nanos griechisch Zwerg) fällt das Denken und Entwerfen in Strukturen, die Analyse und Bearbeitung von Materialien, deren aus Nano-Partikeln bestehende Elemente (keine Moleküle) sich zwei- (Nano-Plates) und/ oder dreidimensional (Nano-Fibres) im Bereich zwischen 1 und 100 nm (= 10−9 m) ausdehnen. In diesem Grenzgebiet überwiegen die Oberflächen- gegenüber den Volumeneigenschaften, zunehmend finden quantenphysikalische Effekte Berücksichtigung. Bei den Nano-Partikeln (Pulver, Feststoffe) handelt es sich chemisch um Elemente, organische oder anorganische Verbindungen sowie um Komposite. Ihre mechanischen, optischen, magnetischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften hängen nicht nur von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials ab, sondern in erster Linie von seiner Größe und Gestalt. Nano-Materialien¹) gleicher Zusammensetzung, aber unterschiedlicher Morphologie können sich somit völlig verschieden verhalten.

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Nanoenergetische Lösungen

Auf Metallfilme treffendes Licht erzeugt Schwingungen, Oberflächenplasmone entstehen. Solche in kommerzielle Solarzellen implantierte Strukturen setzen Energie frei. Die extrem dünne, fotoaktive Schicht organischer, neuerdings sich sogar selbstheilender Nano-Solarzellen auf einer Kunststofffolie wandelt elektrisches Licht mit Hilfe von Farbstoff in Strom um. Kontinuierliche Druckverfahren gestatten ihre kostengünstige Produktion. Mit derartigen Methoden kündigt die Nano-Technik weitere Kostensenkung in der Fotovoltaik und neue Anwendungsgebiete an. Vielversprechend ist gleichfalls der Einfluss auf die Dünnschicht-Solartechnik. Hervorsticht dabei die EnSol-Technologie. Bei ihr lassen sich die Nano-Partikel auf Glasscheiben (fotovoltaische Fenster), Dachflächen, Schallschutzmauern, Parkscheinautomaten, Gebäudefronten bei gleichzeitig hoher Ausbeute (Effizienz ≥20 Prozent) auftragen.

Auch in der Brennstoffzelle finden sich den Vormarsch der regenerativen Energien stützende Einsatzpotenziale. Komponenten wie Elektroden, Membranen und Katalysatoren lassen sich verbessern. Für Minibrennstoffzellen mobiler Geräte (Funktelefone, Laptops u. a.) speichert ein dreidimensionales, metallorganisches Gerüst im Nano-Format den Wasserstoff.

Genetisch veränderte Viren können selbsttätig aus Nano-Strukturen bestehende Elektroden für im gleichen Maßstab verkabelte Lithium-Ionen-Akkumulatoren aufbauen. Das entsprechende biologisch-technische Verfahren verspricht eine preiswerte und umweltfreundliche Verwirklichung. Mithin entstehen gute Aussichten für wirtschaftliche Akkus in Elektrofahrzeugen.

Ebenso werden nanotechnische Hochleistungsspeicher für die Energieversorgung möglich. In Miniaturgestalt finden Komposite fast unsichtbar etwa in Flachbildschirmen, Funktelefonen, Notebooks oder Hörgeräten Platz. Extrem dauerhaft lagerfähige Batterien auf Basis von Nano-Strukturen funktionieren bereits im Labor. Bei diesen besonders für Notfälle prädestinierten Primärzellen sind Elektrolyt und Elektrode mechanisch getrennt. Nanostrukturiertes Material für thermoelektrische Generatoren eröffnet der Umwandlung von Ab-/Wärme in elektrischen Strom (Seebeck-Effekt) wirtschaftliche Aussichten.

Elektronische Anwendungen

Organische, druckbare Elektronik mit nanoskalierten Strukturen beeinflusst die Produktion von Chips und Festplatten für neue Miniatur-Speicher und -Prozessoren höherer Leistung positiv. Zum Verbinden ihrer Transistoren dienen Si-Drähte, deren Durchmesser lediglich den 25.000. Teil des menschlichen Haares erreicht. Gleichfalls bilden Verfahren wie das E-Paper zum Verdrängen der bedruckten Konkurrenz einen Schwerpunkt. Selbst die Stromversorgung von Kleinstverbrauchern vermag die neue Technologie über die Nutzung des piezoelektrischen Effekts vereinfachen.

Nichtelektrotechnische Applikationen

Eindrücke der zu erwartenden Vielfalt vermitteln beispielhaft:

– Oberflächenschutz/Reinigung (Fahrzeugpflege, Fenster, Sanitärbereich)

– Umwelttechnik (Materialkreisläufe und Entsorgung, hochwirksame Filter zur Abwasseraufbereitung)

– Gesundheitsbereich (organische Nano-Oberflächen sorgen für verträglichere Gelenke, Wirkstofftransport in Nano-Partikeln)

– Werkstoffe (etwa ultraleichte Motoren und Karosserieteile für die Automobilindustrie) u. a.

In immer mehr Branchen ist der Nutzungsanstieg entsprechender Lösungen zu beobachten. Anwendungspotenziale für produktionstaugliche Verfahren und Ausrüstungen werden auch in Deutschland erschlossen, um verbesserte Produkte prozesssicherer und wirtschaftlicher herstellen zu können. Beschleunigend wirkt zweifellos das Material „Graphen“ der Physik-Nobelpreisträger 2010 Andre Geim und Konstantin Novoselov.

Sicherheit

Vergleichbar dem CE-Zeichen bestehen ebenfalls beim Anwenden von Nano-Materialien grundlegende Sicherheitsanforderungen. Entscheidend werden Referenzstoffe und Standards für Messvorgänge sowie sichere Arbeitsmethoden sein. Vorwiegend engagieren sich ISO (TC 24), IEC sowie amerikanische Institutionen bei ihrer Ausarbeitung. Seriöse und plausible Informationen zu solch neuen Ressourcen und allen Aspekten dieser Technologie bietet die interdisziplinäre Wissensplattform http://www.nanopartikel.info. Joachim Krause ¹) Die Wirkung der „Winzlinge“ im menschlichen Körper ist umstritten.

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