Deutsch-Niederländisches Kooperationsprojekt

Auf den Spuren des DruIDen

22.03.2016

Sie stecken schon in vielen Kleidungsstücken, Eintrittskarten, Wegfahrsperren oder auch Bibliotheksmedien: Funketiketten (auch als RFIDs bekannt, Radio Frequency Identification). Mit ihnen lässt sich rasch und berührungslos feststellen, ob sich das jeweilige Trägermedium zum Beispiel am richtigen Platz befindet oder möglicherweise entwendet werden soll. In einem länderübergreifenden Forschungs- und Anwendungsverbund arbeiten u.a. Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) daran, diese Technologie entscheidend weiter zu entwickeln und dann zur Marktreife zu bringen. Das Projekt DruIDe hat ein Gesamtvolumen von knapp fünf Millionen Euro und wird aus dem Programm INTERREG V A Deutschland-Nederland unterstützt.

Konventionelle Funketiketten sind gegenwärtig meist mit kleinen Siliziumchips ausgerüstet, die ganze Funktionsschaltungen enthalten. Das ist aber nicht zwingend erforderlich, wenn man den späteren Anwendungsbereich im Auge hat. Passgenaue Mini-Etiketten, die genau mit dem ausgestattet sind und zudem günstig in der Herstellung sind, ist das Ziel von DruIDe. Mithilfe der Nanotechnologie sollen einfach zu druckende, chiplose Funketiketten entstehen, die sämtliche Informationen enthalten, problemlos auszulesen und zudem nicht störanfällig sind.

Projektleiter Dr. Niels Benson: „Wenn unser Plan gelingt, könnten die neuen RFIDs tatsächlich den weit verbreiteten Bar-Code ablösen, den jeder von der Supermarktkasse kennt. Wir wollen dafür sorgen, dass die neuen Schaltungen mit herkömmlicher Drucktechnik im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert werden können.“ An der UDE soll dazu ein bestimmter technischer Prozess entwickelt werden, so dass es möglich wird, hochwertige Siliziumdioden mit Arbeitsfrequenzen von bis zu 10 Gigahertz zu drucken. Das hätte den Vorteil, dass mit einer erheblichen Leistungssteigerung druckbarer Dioden zu rechnen ist und perfekte Kanaltrennung mit gedruckten chiplosen Funketiketten möglich wird.

Im deutsch-niederländischen Schulterschluss soll diese neue Funketikettentechnologie für den Massenmarkt tauglich gemacht werden. Die Universitäten Duisburg-Essen und Twente bringen die notwendige Expertise in der Grundlagenforschung ein. Wie sich deren Erkenntnisse am besten in Produktionsprozesse übersetzen lässt, klärt ein hochkarätiges Firmenkonsortium. Ein weiterer markterfahrener Akteur („Tagfactory“) kümmert sich um mögliche Absatzszenarien und -märkte.

Beteiligte UDE-Wissenschaftler:
Projektleitung: Dr. Niels Benson, Fachgebiet Nanostrukturtechnik, Tel. 0203/379-1058; niels.benson@uni-due.de
Prof. Dr. Roland Schmechel, Fachgebiet Nanostrukturtechnik
Prof. Dr. Thomas Kaiser, Fachgebiet Digitale Signalverarbeitung
Prof. Dr. Daniel Erni, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik


Erfolgreiche Herbstschule zur Thermoelektrik

Strom aus heißer Luft

14.10.2015

Von warm zu kalt und zurück: Bei Temperaturdifferenzen erzeugen bestimmte Materialien elektrische Energie. Dieser thermoelektrische Effekt könnte künftig im großen Stil eingesetzt werden: Neue Materialien und Thermogeneratoren ermöglichen es, die Abwärme von Verbrennungsprozessen direkt in Strom umzuwandeln – eine nachhaltige Methode, die vor allem für Stahlwerke oder die Autoindustrie interessant ist. Mit finanzieller Unterstützung durch die Volkswagenstiftung fand daher vom 5. bis 8. Oktober die interdisziplinäre Herbstschule zur Thermoelektrik an der Duisburger Sportschule Wedau statt. Organisiert wurde sie von den CENIDE-Mitgliedern Prof. Dr. Roland Schmechel, Dr. Gabi Schierning und Prof. Dr. Dietrich Wolf.

„In einer Zeit immer knapper werdender Ressourcen müssen wir lernen, effektiv und effizient mit ihnen umzugehen“, mahnt Prof. Dr. Schmechel, Experte für Nanostrukturtechnik an der UDE. Die Thermoelektrik helfe, Wärmeströme unkompliziert in elektrische Energie zu verwandeln. Ganz gleich, ob es dabei um das Aufladen eines Smartphones über Körperwärme oder die autarke Energieversorgung komplexer Regeleinrichtungen aus der Abwärme in Stahlwerken geht. Thermoelektrische Generatoren können aber nicht nur Elektrizität erzeugen. Der Effekt lässt sich auch umkehren, so dass sie als Wärmepumpe eingesetzt werden können, was ein sehr effektives thermisches Management ermöglicht. Hieraus ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten, vom „Energieernten“ für autarke Sensoren bis zur Kontrolle von Wärmeflüssen in modernen Mikroprozessoren.

Dabei wird deutlich: die Thermoelektrik ist keine Wissenschaft für sich. Sie ist derart interdisziplinär zwischen Physik, Elektrotechnik, Materialwissenschaft, Chemie und Maschinenbau angesiedelt, dass sie in keiner traditionellen Studienrichtung geschlossen gelehrt wird. „Vor allem Studierenden, Berufseinsteigern und Nachwuchswissenschaftlern fehlt es somit oft am nötigen Überblick“, meint Prof. Dr. Schmechel. An der UDE trafen sich daher rund 35 Teilnehmer/-innen aus sieben europäischen Nationen und 15 international renommierte Wissenschaftler/-innen, um sich auf den aktuellen Stand des Wissens zu bringen und individuelle Fragestellungen zu besprechen. Auf der Herbstschule ging es daher unter anderem um die Dynamik thermoelektrischer Energiewandlung, den Wärmetransport, neue Materialien und deren Verarbeitungsverfahren, die Herausforderungen bei der Messtechnik oder auch um Kosten-Nutzen-Analysen thermoelektrischer Einheiten. Abgerundet wurde das vielseitige Programm durch ein Seminar über ethische Aspekte im wissenschaftlichen Umfeld sowie einen unterhaltsamen Vortrag über Kuriositäten im wissenschaftlichen Publikationswesen.

Zwischendurch ging es natürlich auch raus aus dem Seminarraum und ab an die frische Ruhrgebietsluft: Zum Beispiel während des gemeinsamen Ausflugs zu den beeindruckenden Hochöfen im Duisburger Landschaftspark Nord. Ein für viele Teilnehmer/-innen einprägsames Erlebnis, das Gelegenheit bot, Diskussionen zu vertiefen. „Mit dem Programm haben wir sozusagen den Nerv getroffen. Die Gesamtresonanz war sehr positiv und es sind viele neue Kontakte entstanden“, freut sich Prof. Dr. Schmechel. Voraussichtlich im Januar 2016 soll es ein wissenschaftliches Brainstorming über koordinierte Forschungsprogramme in Deutschland zum Thema Thermoelektrik geben.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Roland Schmechel, Tel. 0203/ 379–3347, roland.schmechel@uni-due.de

 

Siemens Energy Thesis Awards 2015

Meilenstein bei thermoelektrischer Entwicklung ausgezeichnet

26.08.2015

Für seine Dissertation über "Hochtemperaturstabile thermoelektrische Generatoren auf Basis von nanokristallinem Silizium" ist Dr.-Ing. Viktor Kessler aus dem Fachbereich Nanostrukturtechnik an der Universität Duisburg-Essen (UDE) kürzlich mit dem Siemens Energy Thesis Award 2015 ausgezeichnet worden. Mit den von ihm entwickelten thermoelektrischen Generatoren konnte er eine bisher nicht erreichte Leistungsdichte realisieren. Der Preis in Höhe von 2.500 Euro wurde von der Siemens AG gestiftet.

Nicht weniger als ein entscheidender Schritt in der Entwicklungsgeschichte der Thermoelektrik sei Dr. Viktor Kesslers Forschungsleistung, so Prof. Roland Schmechel vom Fachbereich Nanostrukturtechnik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften. Vorangegangene wissenschaftliche Untersuchungen an der UDE konnten bereits die verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften nanokristalliner Siliziumfestkörper belegen. Viktor Kesslers Ziel hingegen war es nun, aus diesem Material einen thermoelektrischen Generator zu bauen. Die Herausforderung: Bei einer herkömmlichen thermoelektrischen Charakterisierung wird das Material nur in einer Art Kleinsignalbetrieb getestet. Das heißt, dass es zwar auf eine hohe Temperatur gebracht wird, aber nur ein geringer Temperaturunterschied von wenigen Kelvin besteht. In einem thermoelektrischen Generator hingegen herrscht Großsignalbetrieb, da Temperaturdifferenzen von mehreren Hundert Kelvin auf wenigen Millimetern abfallen. Das bedeutet enormen Stress für das Material. Über genau dieses Großsignalverhalten von nanokristallinem Silizium lieferte die Dissertation erste Erkenntnisse.

Abgesehen von der erforderlichen Optimierung des thermoelektrischen Materials war es auch nötig, eine entsprechende Fügetechnik für den Hochtemperaturbereich zu entwickeln und die entsprechenden Generatoren bei hohen Temperaturen zu charakterisieren. Die herausragende Dissertation entstand daher in Kooperation mit dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) und der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) in Duisburg. Im Ergebnis konnte Herr Kessler einen thermoelektrischen Generator als Demonstrator aufbauen, der eine Flächenleistungsdichte von 2820 W/m2 lieferte. Kesslers Forschungsergebnisse bildeten bereits die Grundlage für den NRW-Innovationspreis 2014 in der Kategorie Nachwuchs. „Es gibt auch Interesse von Seiten der Industrie, speziell im Umfeld der Stahlherstellung“, freut sich Prof. Schmechel, Vorstand beim Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE).

Siemens Energy, einer der vier Sektoren der Siemens AG, und der Förderverein Ingenieurwissenschaften an der UDE schreiben jährlich zwei Preise für hervorragende und anwendungsbezogene Dissertationen 
und Masterarbeiten auf dem Gebiet der Energietechnik aus. Die ausgezeichnete 
Dissertation wird mit 2.500 Euro, die ausgezeichnete Masterarbeit 
mit 1.500 Euro honoriert.

 

Innovationspreis NRW für Dr. Gabi Schierning

5.3.2014

Für die Entwicklung eines thermoelektrischen Generators aus umweltfreundlichem Material wird Dr. Gabi Schierning am 10. März mit dem Innovationspreis NRW 2014 in der Kategorie „Nachwuchs“ ausgezeichnet. Die 35-Jährige leitet am Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) eine Nachwuchsgruppe, die sich mit der Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom befasst.



„Vielleicht für Forschungsreisen oder neue Geräte – ich weiß es noch nicht“, antwortet die Werkstoffwissenschaftlerin auf die Frage, wofür sie das Preisgeld von 50.000 Euro verwendet. Geld zur freien Verfügung ist in der Wissenschaft sehr selten, meist ist es strikt zweckgebunden. Mehr noch als diese Summe freut sie das Renommee, das mit der Auszeichnung verbunden ist.

Zusammen mit anderen UDE-Wissenschaftlern entwickelte ihr Team einen thermoelektrischen Generator, der aus nanostrukturiertem Silizium besteht. Thermogeneratoren können Wärmeunterschiede direkt in nutzbare elektrische Energie umwandeln und so, vereinfacht gesagt, Strom aus Wärme erzeugen. Die Idee ist erst einmal nicht neu, aber bisher sind dafür Materialien im Einsatz, die entweder selten und damit teuer oder umweltschädlich sind, zum Beispiel Tellur oder Blei. Schierning hingegen verwendet Silizium; es ist das zweithäufigste Element der Erdkruste und gesundheitlich unbedenklich.

Damit es für die Thermoelektrik geeignet ist, muss das Silizium nanostrukturiert sein, das heißt: Unter einem Elektronenmikroskop ist zu erkennen, dass es aus vielen einzelnen Partikeln besteht, die an ihren Grenzen zusammenkleben. Nur in dieser Form besitzt das Silizium Eigenschaften, die für thermoelektrische Generatoren essenziell sind: Es leitet den elektrischen Strom extrem gut, Wärmestrom dagegen sehr schlecht. Letzteres ist wichtig, damit der ausschlaggebende Temperaturunterschied möglichst lange erhalten bleibt. Denn ohne Temperaturdifferenz kein Strom. „Die Kunst ist es, einen Hindernisparcours für den Wärmestrom zu bauen, aber gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit möglichst wenig zu beeinflussen“, erklärt Schierning.

Ihre Generatoren sind für hohe Temperaturen konzipiert, möglich wäre es also, sie an heißen Rohrleitungen der chemischen Industrie oder – ganz alltäglich – am Abgasstrang des Dieselmotors beim PKW anzubringen. Hier könnte der recycelte Strom direkt ins Bordnetz gespeist werden, um die immer aufwändigere Technik zu unterstützen.

Die Wissenschaftlerin hofft, dass ihre Technologie in rund zehn Jahren auf dem Markt angekommen ist. „Bis dahin arbeiten wir weiter daran, die Effizienz der Generatoren noch zu steigern.“ Und auch das nächste Ziel hat Schierning schon ins Auge gefasst: Thermoelektrische Generatoren, die keinen direkten Kontakt zum heißen Material brauchen, sondern mit Strahlungswärme funktionieren. Die heimische Stahlindustrie mit ihren 1000 Grad heißen Brammen könnte das interessieren.