UV-Nano-Imprint – Nanoelektronik für den Mittelstand
Von Mathias Schulenburg
Wenn Computerchips, wie gewünscht, immer komplexer werden, müssen sich ihre Strukturen ständig weiter verkleinern. Die Strukturen werden üblicherweise mit Licht auf das Chipmaterial gezeichnet, da aber setzt die Wellenlänge des Lichtes eine prinzipielle Grenze. Für die nanoelektronischen Chips von morgen werden deshalb Belichtungsmaschinen entworfen, die mit EUV, extremem Ultra-Violett, also sehr kurzwelligem Licht arbeiten. Solche Maschinen werden sehr teuer, also nur für die Großen der Branche erschwinglich sein; jetzt aber kommt eine Entwicklung in Gang, die auch dem Mittelstand einen Weg in die Nanoelektronik ebnen soll, Einzelheiten hat Mathias Schulenburg in Aachen erfahren.
Der mittelständische Weg zur Nanoelektronik mutet auf den ersten Blick archaisch an: Die Nanostrukturen werden mechanisch, mit einem Stempel, in Lack eingepresst, der das eigentliche elektronische Material, etwa Silizium oder einen Verbindungshalbleiter abdeckt. Der erhärtete Lack wird teilweise abgetragen; dort, wo er am dünnsten ist, liegt der Halbleiter schließlich frei und kann geätzt oder sonst wie strukturiert werden. Das Prinzip ist dem CD- oder DVD-Herstellungsprozess entlehnt, bei dem ein Plastikmaterial geprägt und anschließend thermisch gehärtet wird. Das neue Nano-Imprint-Verfahren, sagt Professor Heinrich Kurz, Leiter des Instituts für Halbleitertechnik der RWTH Aachen, unterscheidet sich davon in wesentlichen Details:
Das ist ein kombiniertes Verfahren, Sie haben einen Lack, der relativ flüssig ist, hochviskos, der braucht hundertfach weniger Druck um einzudrücken, und Sie härten ihn nicht über Temperatur aus sondern über UV. Das ist ein Photoplast, sozusagen, kein Thermoplast sondern ein Photoplast. Der Vorteil ist, Sie haben ungefähr zwei Größenordnungen weniger Druck notwendig, Sie haben keinen Temperaturzyklus zu fahren, Sie haben für dieses Druckaufbringen ganz neue maschinelle Möglichkeiten, und dadurch erreichen Sie auch relativ rasch hohe Durchlaufzeiten und hohe Präzision.
Der Stempel wird aus Quarzglas gefertigt, das mit einem Photolack, einem "Resist", beschichtet wurde, den ein Elektronenstrahl mit den Nanostrukturen beschreibt. Nach dem Entwickeln und teilweisen Abtragen des Lacks lässt sich das Nano-Prägerelief ins Quarzglas ätzen. Wenn der für UV-Licht durchlässige Stempel dann den leicht verformbaren Lack auf einem Halbleiter-Wafer geprägt hat – wie ein normaler Gummistempel Knete prägen würde, das Ganze nur in Nanoklein - zündet ein UV-Blitz und härtet den Lack aus. Das Verfahren, sagt Heinrich Kurz, verspricht erstaunlich genau zu werden:
Wir können in speziellen Fällen jetzt sogar runtergehen auf 10 Nanometer, das bedeutet aber eine hohe Anforderung an den Elektronenstrahllithographen und den haben wir hier zur Verfügung, Gottseidank, auch an den Resist, aber im Prinzip, im sogenannten Demostratorbereich für Forschung und Entwicklung, sind 10 Nanometer bewiesen.
Damit kann sich die Imprint-Technik mit der Lithografie der übernächsten Generation messen. Deren Anlagen zur Massenproduktion von Computerchips werden "Extremes Ultraviolett", EUV, für die Belichtung der Wafer verwenden müssen, nur mit diesem Licht lassen sich die angestrebten Strukturen mit Minimalbreiten unter hundert Nanometern projizieren. Das erfordert unter anderem ganz neue Spiegeloptiken, weil Extremes Ultraviolett von Linsen absorbiert würde. Das macht die Sache ausgesprochen teuer, die Fachleute rechnen für eine Anlage mit Kosten von 60 Millionen Euro. Die Nano-Imprint-Technik soll in der gleichen Größenordnung fein strukturieren können, allerdings ist sie langsamer. Während bei der EUV-Belichtung mit einem Schuss Hunderte von Chips belichtet werden, muss sich bei der Imprint-Technik der Stempel für jeden Chip einzeln senken. Dafür ist das Nano-Imprint-Verfahren, wie es an der RWTH Aachen entwickelt wird, wesentlich preiswerter:
Hier ist es so, dass die Anlagen für ein bis zwei Millionen geplant sind, und das kann auch ein Mittelständler sich noch leisten um Nanotechnologie für seine Zwecke einzusetzen. Der Preisvorteil; der andere Vorteil ist, dass die Maßhaltigkeit durch das Eindrücken zwischen Maske und Ziel definitiv hervorragend ist, also es gibt eine Verwerfungen wie in der Optik, bei EUV müssen Sie hochpräzise die Lichtstrahlen führen, und der dritte Vorteil ist, dass das Verfahren relativ flexibel ist was die Auswahl der Substrate, die geprägt werden, betrifft, das hängt letztlich hur davon ab ob Sie Silizium nehmen, Halbleiter oder Metalle oder Plastikmaterialien, d.h., es ist so flexibel, dass wir auch daran denken, es für Biosensoren einzusetzen oder für nicht-elektronische Anwendungen.
Für solche Anwendungen, ergänzt Jochen Dreßen, beim Technologiezentrum des VDI in Düsseldorf für Nanoelektronik zuständig, existiert noch eine Reihe von Alternativen:
Es gibt noch einen Heißprägeprozess, also ohne UV-aushärtende Lacke, der zielt dann etwas mehr auf nicht-elektronische Anwendungen, es gibt noch maskenlose Lithographie, aber diese letztgenannten Verfahren sind alle noch in der Entwicklung und in der Erforschung.
Die Nano-Drucker entwickeln jetzt Techniken, wie sie auch mit ihren Verfahren Chips mit mehreren Verdrahtungsebenen herstellen können, was für die Verbindung der einzelnen Chipelemente zwingend notwendig ist.
Strömungsgenerator
Von Thomas Migge
Italien ist dasjenige Land der EU, in dem alternativen Energie am wenigsten genutzt werden. Gleichzeitig ist es ein Land, in dem ein chronischer Energiemangel herrscht, denn Atomstrom steht nach einer Volksbefragung vor einigen Jahren nicht mehr zur Verf?gung. das r?mische Energieministrium will jetzt mit dem Projekt Kobold herausfinden, ob sich die Meereströmung für die Energiegewinnung nutzen lässt, mit Turbinen auf dem Meer, die komplette Ortschaften mit elektrischem Strom versorgen sollen.
Von weiten sieht es aus wie eine etwas zu groß geratene Boje. Oder wie ein in seiner Form ungewöhnliches Boot: viel zu schmal und zu hoch, um auf dem Wasser fahren zu können. Nähert man sich dem Ding, erinnert es an einem auf dem Wasser aufliegenden großen Hut. Ein Hut aus Eisen und Stahl und mit einer Antenne. Der Name des schwimmenden Gegenstandes ist 'Kobold'. Es handelt sich um den weltweit ersten auf dem Wasser befindlichen Generator zur Gewinnung von elektrischem Strom durch Meeresströmungen. 'Kobold' ist ein Prototyp. Er ist auf dem Meeresboden fest verankert. Und zwar in einer legendär stürmischen Gegend. Schon Odysseus und seine Kameraden sollen auf ihrem Segelschiff von den heftigen Winden in der Meeresenge zwischen Sizilien und Kalabrien heftig durchgeschüttelt worden sein. Der Legende nach blasen Skylla und Charibdis von den Küsten auf das Meer, Meeresungeheuer mit 12 Füßen und 6 Köpfen. Aber auch unterhalb der Wasseroberfläche geht es lebhaft zu. Die Meeresströmung ist dort besonders stark. Und genau das, erklärt Ingenieur Gaetano Gaudiosi, ist wichtig für 'Kobold':
Kobold ist ein Projekt, das vor einigen Jahren an der Universität Neapel entwickelt wurde und jetzt im Meer getestet wird. Kobold ist eine Turbine mit einem Durchmesser von 6 m und einer Öffnung von 5 m. Drei solcher Turbinen liegen unterhalb einer 10 m breiten Plattform, die 2,5 m hoch ist. Sie fangen die Kraft der Meeresströmungen ein.
Die Turbinen befinden sich in einer Tiefe von 20 bis 25 m. Ihre Aufgabe ist es, die Strömungsenergie des Wassers in Rotationsenergie umzusetzen. Wie bei einer an Land gelegenen Kraftmaschine bilden auch bei 'Kobold' mit gekrümmten Schaufeln versehene Laufräder den Hauptteil der Turbine. Anstatt mit Wind, Dampf oder Gas werden diese Laufräder mit Wasser angetrieben. Mit dem gerade in der Meeresenge zwischen Reggio Calabria und Messina besonders starken Unterwasserströmungen. 'Kobold' schwimmt auf dem Meeresspiegel nicht weit von der kleinen Ortschaft Ganzirri entfernt. Dort steht das Wasser niemals still. Die Mindestströmung beträgt zirka 2 m pro Sekunden, das sind vier Knoten. Als Problem bei der Entwicklung des Prototyps eines solchen Generators erwies sich für die Ingenieure wie Gaetano Gaudosio zunächst der Umstand, dass die Meeresströmung in der Meerenge zwischen Kalabrien und Sizilien alle sechs Stunden ihre Richtung ändert. 'Kobold' wurde deshalb so konstruiert, dass sich ein Teil der Turbinen beim Wechsel der Meeresströmungen computergesteuert in die entsprechend neue Position drehen:
Die Laufräder richten ihre Position nach der genauen Strömungsrichtung aus. Diese Feineinstellungen funktionieren vollautomatisch. Niemand muss auf Kobold oder am Festland präsent sein, um die Mechanik neu einzustellen. Alles verläuft ohne menschlichen Einfluss. 'Kobold' wurde zunächst als verkleinertes Modell im Windkanal des Flugtestzentrums von Capua bei Neapel ausprobiert. Anschließend erfolgte ein Versuch im Meerestestbecken der Universität Neapel. Die Turbineninsel ist ein Testgerät. Innerhalb eines Jahres wird sie rund 22.000 kw-Stunden elektrischen Strom erzeugen. Dieser Strom wird über eine Kabelverbindung mit dem Festland nach Ganzirri weitergeleitet. Langfristiges Ziel des Projekts ist es, die in der Nähe der italienischen Küsten häufig anzutreffenden intensiven Strömungskräfte unterhalb der Meeresoberfläche zur Energiegewinnung zu nutzen.
Die Wurzel allen Übels
Von Barbara Witthuhn
Ärgern Sie sich auch über den Lärm, wenn wieder mal ein Straße aufgerissen wird? Ganz zu schweigen von dem Verkehrschaos, das entsteht, wenn es eine viel befahrene ist. Gar nicht selten sind Bäume die Verursacher dieser Baustellen, meinen Tiefbauer. Oder unsachgemäß verlegte Rohre, sagen Biologen. In jedem Fall entstehen jährlich in Millionen-Höhe, wenn Abwasser-Rohre ersetzt werden müssen, die durch Wurzeln verstopft sind. Nun wollen Tiefbauer und Biologen erstmals gemeinsam ergründen, warum die Bäume in Rohre wurzeln.
Wenn so ein Baum in ein Rohr wurzelt und sich da drin weiter verzweigt, dann kann das im Endeffekt dazu führen, dass dieses Rohr vollständig verstopft wird.
Die Folge: Abwasser oder Regenwasser kann nicht mehr abfließen. Professor Thomas Stützel von der Ruhr-Universität-Bochum möchte dieses Übel – im wahrsten Sinne des Wortes – bei der Wurzel packen: Zusammen mit dem Institut für unterirdische Infrastruktur in Gelsenkirchen geht er der Frage nach, was Bäume überhaupt dazu treibt, in Rohre zu wurzeln, wenn ihnen doch rund um die Rohre genügend Erdreich zur Verfügung steht.
Die Vorstellung, die man früher hatte war recht einfach: Wurzeln dienen der Wasseraufnahme, also hat man gedacht, dass irgendwelche, kleinen Undichtigkeiten dazu führen, dass Wasser aus diesen Rohren raussickert, die Wurzel kriegt das mit und dann wächst sie dahin, nimmt zuerst das Wasser, das raus kommt und wenn das weg ist, geht sie gleich zum Ziel.
Also in das Rohr hinein. Inzwischen weiß man aber, dass Bäume auch in Rohre wurzeln, die nachweislich nicht beschädigt waren. An den Verbindungsstellen zwischen zwei Rohrstücken – den Muffen – bohren sich die Wurzeln durch die Dichtung in das Rohr. Und dass es nicht das Wasser ist, das die Wurzeln lockt, zeigen bereits die ersten Beobachtungen.
Wenn man solche Einwurzelungsfälle ausgräbt – vor allem bei Schmutzwasserkanälen – kann man sehen, dass die Wurzel immer oberhalb des mittleren Wasserstandes des Rohres einwurzelt, also an Stellen an denen gar keine Flüssigkeit austreten kann, weil dort gar keine ist – normalerweise. Das zweite viel stärkere Argument ist, dass diese Soße, die da drin fließt alles andere als gerade besonders gesund ist.
Die Bochumer Forscher konnten in Experimenten zeigen, dass Abwasser die Wurzeln schädigt. Das geht soweit, dass Modellpflänzchen maximal einige Wochen überleben, wenn sie in dem verdreckten Wasser wachsen müssen. Was aber zieht dann die Wurzel zum Rohr? Möglicherweise sind es Hohlräume im Bereich der Muffen. Sie entstehen beim Einbau der Rohre, weil das Erdreich direkt an den Muffen nicht vollständig verdichtet werden kann. Und genau in diesen Bereich wächst die Wurzel auch zunächst – oft sogar über Jahre, bis sie alle Hohlräume ausfüllt. Da Wurzelspitzen weich und beweglich sind wie Gelee erscheint es auch logisch, dass sie lieber in Bereiche eindringen, die wenig Widerstand entgegen setzen.
Das erklärt aber noch nicht, warum dieser Hohlraum hinterher wieder verlassen wird und zwar in Richtung in das Rohr hinein. Da muss man nämlich durch diese Dichtung hindurch, die zunächst einmal eine relativ kompakte Angelegenheit ist und der Wurzel einigen Widerstand entgegen setzt.
Um diesen – scheinbaren – Widerspruch aufzuklären, untersuchen die Forscher nun, ob Wurzeln tatsächlich den Weg des geringsten Widerstands gehen. Dazu verdichten sie die Erde in Pflanzgefäßen unterschiedlich stark und beobachten, wie die Wurzeln von Modellpflänzchen an der Dichtegrenze wachsen. In anderen Experimenten wollen die Wissenschaftler die Kraft messen, die in der Wurzel steckt – und die womöglich größer ist, als theoretische Berechnungen vorhersagen. So hoffen die Forscher heraus zu finden, was die Wurzel ins Rohr drängt.
Wir müssen versuchen, zu verstehen was sie machen, warum sie es machen, damit wir dann an der Seite an der wir modifizieren können, nämlich an der Rohrverbindung so modifizieren, dass dieses Problem nicht mehr auftreten kann.
Einfach, robust, wartungsarm: Windkraft mit einem H-Rotor
Von Beate Hinkel
Dreiflüglige Windkraftanlagen zur Energiegewinnung sind inzwischen hinlänglich bekannt. Ein sogenannter H-Rotor hingegen nicht. Forscher der Hochschule Bremerhaven versuchen diesen seit einigen Jahren so zu optimieren, dass er in wenigen Monaten in kleiner, aber feiner Größe in die Produktion gehen kann. Im Vergleich zum 3-Flügler ist der H-Rotor einfach im Aufbau, wesentlich kostengünstiger, wartungsärmer, gut bei extremen Wetterlagen und in ganz unterschiedlichen Größen zu nutzen. Zum Beispiel von der Schifffahrt. Der nahe, nicht ganz unrealistische Traum ist die Verwendung im Offshore-Bereich.
Oben auf dem Dach der Hochschule in Bremerhaven sind ein paar Grad unter Null. Professor Friedrich Zastrow aus dem Fachbereich Verfahrens- und Energietechnik stört es aber nicht, er ist begeistert von seiner Entwicklung:
Da sehen Sie schon den H-Rotor. Wir haben ja heute ganz wenig Wind. Ich mach mal die mechanische Bremse los... Das ist jetzt die mechanische Bremse gelöst, und der H-Rotor dreht sich jetzt, wie Sie hören, hören Sie gar nichts und das ist gut so, wie es die Politiker heut zu Tage schon sagen, das soll auch so sein. Der H-Rotor ist ein ganz leiser Rotor. Sie hören praktisch keine Geräusche, das liegt an der speziellen Anordnung der Blätter, die ja praktisch senkrecht angeordnet sind. Und wenn Sie jetzt mal das Mikro in Richtung Rotor halten, der dreht sich jetzt, hören Sie irgend etwas? (Pause) Fast nichts. Ne, während bei anderen Rotoren, bei den konventionellen Anlagen, ... da kommen die Blätter vorbei mit einer hohen Endgeschwindigkeit der Flügelspitzen, und die machen dann immer so pchu pchu pchu,
Von oben sieht der H-Rotor aus wie ein Mercedes-Stern. In der Mitte die Achse, 3 Arme nach außen, an denen senkrecht jeweils ein Flügelblatt hängt. Doch weil die Flügel parallel zur Achse stehen, verschwindet immer einer von ihnen hinter der Achse, so dass die Konstruktion von der Seite aussieht wie der Buchstabe H. Orange Halbschalen zwischen den Armen dienen als Anlaufhilfe bei geringem Wind. Denn der H-Rotor braucht im Vergleich zu den 3-flügligen Windkraftanlagen eine etwas höhere Windgeschwindigkeit um in Schwung zu kommen. Dafür erreicht er schon bei geringer Drehzahl seine optimale Leistung. 2 Meter Blattlänge, 2 Meter Durchmesser für die gesamte Konstruktion: Das reicht bei Windstärke 6, für 1 Kilowatt und ist vergleichbar mit einer konventionellen Anlage. An Ideen für die Verwendung des H-Rotors fehlt es Friedrich Zastrow nicht:
... das ist ja gerade der Knüller: der einfache Aufbau, keine Sensoren. Und deshalb denken wir, dass die kleinen Anlagen für Segelboote, für Bojen, für Messsysteme angewendet ist.
Die Windkraftanlage auf einer Boje wäre natürlich kleiner als der Versuchsaufbau auf dem Dach der Hochschule. Der Vorteil gegenüber dem herrkömmlichen 3-Flügler:
So eine Boje können Sie sich ja vorstellen, die schaukelt ja hin und her, wie ein Segelboot auch, und eine normale Anlage, die würde sich dann immer im Halbkreis oder im Kreis drehen, das wäre gar nicht sinnvoll. Und hier ist es der Anlage völlig egal, woher der Wind kommt und wie die schaukelt, die würde immer Energie liefern.
Einfacher Aufbau, Robustheit, seltene Wartung, optimale Leistung bei geringer Drehzahl: Das sind die Trümpfe des H-Rotors. - Dass die Konstruktion nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch funktioniert, haben die Bremerhavener Forscher schon lange bewiesen. Vor rund 10 Jahren stellten sie gemeinsam mit dem Alfred Wegener Institut in der Antarktis eine wesentlich größere Anlage auf. Die liefert mit einem Durchmesser von 10 Metern 20 Kilowatt. Das sind knapp 10 Prozent des Energiebedarfs der Forschungsstation. Trotz der extremen Bedingungen am Südpol ist sie heute noch in Betrieb, und damit die einzige Anlage, betont Zastrow, die so einen langen Zeitraum überlebt hat. Derzeit wird in Bremerhaven nicht nur an der Optimierung von kleinen H-Rotoren gearbeitet. Auch unter Wasser soll die Technik zu nutzen sein:
Und der Knüller von dem H-Rotor, jetzt ist er ja in der Luft, wenn Sie sich den jetzt vorstellen, den tauchen wir jetzt ein, ins Wasser und das Wasser fließt ja, dann dreht der sich auch im Wasser ... Das ist eine ganz tolle Sache. Der H-Rotor dreht sich auch im Wasser und das strömende Wasser hat natürlich auch Energie, wie die strömende Luft und die Energiedichte von Wasser ist ja, die Dichte ist sehr viel höher, deshalb ist da viel mehr Energie drin, und da kann man den H-Rotor auch nehmen für ja Gezeitenkraftwerke, für kleine Minikraftwerke am Fluss ... da sind also sehr viele Möglichkeiten drin.
Die Flügel könnten aus Holz gebaut werden, den Generator müsste man dazu kaufen. Dennoch wären die Kosten gering, sagt Zastrow, und man hätte genug Energie, um eine Batterie zu laden, an der ein Kühlschrank, ein Fernseher oder Radiogerät hängt. So könnte der H-Rotor gerade für die Energiegewinnung in den Entwicklungsländern eine interessante Alternative sein.
Software sorgt für Anschluss
Cajo Kutzbach
Verpasste Anschlüsse - häufige Bahnbenutzer können ein Lied davon singen - sind ärgerlich und müssten nicht in jedem Fall sein. Das zeigt seit kurzem ein Verbundprojekt der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten und der Hohenzollerischen Landesbahn in Hechingen auf der Schwäbischen Alb. Dort erlaubt eine spezielle Software Verspätungen so abzufangen, so dass in vielen Fällen der Anschluss doch erreicht wird.
200 Kilometer eingleisige Strecken schlängeln sich durch die Täler der Schwäbischen Alb und entlang der Donau. Sie werden von der Hohenzollerischen Landesbahn in Hechingen betrieben. Wenn hier eine Verspätung auftritt, gefährdet das nicht nur den Anschluss, sondern wirkt sich wegen der wenigen Ausweichstellen schnell auf den gesamten Fahrplan aus. Prof. Wilfried Koch, der sich am Institut für angewandte Forschung der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten mit intelligenten Systemen befasst, hat deshalb ein Programm installiert, dass die Fahrdienstleiter berät, wie bei Verspätungen die Anschlüsse am Besten zu sichern sind.
Weiterhin besteht die Handlungsempfehlung - bei uns handelt es sich ja sehr häufig um eingleisige Strecken - darin, dass dem Fahrdienstleiter gesagt wird die Begegnung der Züge soll nicht an den ursprünglich vorgesehenen Bahnhöfen statt finden, sondern auf andere Bahnhöfe verlegt werden.
Was der Fahrdienstleiter da in Sekunden entscheiden soll ist eigentlich, ob statt des vorliegenden auch ein veränderter Fahrplan funktioniert und wie der aussehen müsste. Das kann er so schnell aber gar nicht ausrechnen. Das ist aber eine Aufgabe, die ein Rechner durchaus lösen kann.
Es ist einmal das Problem der Modellierung, d.h. das Netz und den Fahrplan in eine rechnertaugliche Form zu bringen. Und dann sicher das schwierigste Problem ist, das Optimierungskriterium fest zu legen d.h. den Auftrag an den Rechner in Zahlen zu fassen: Wie konstruiere ich aus einer gegebenen Störung, aus einem gegebenen Fahrplan einen korrigierten Fahrplan.
Von Mathias Schulenburg
Wenn Computerchips, wie gewünscht, immer komplexer werden, müssen sich ihre Strukturen ständig weiter verkleinern. Die Strukturen werden üblicherweise mit Licht auf das Chipmaterial gezeichnet, da aber setzt die Wellenlänge des Lichtes eine prinzipielle Grenze. Für die nanoelektronischen Chips von morgen werden deshalb Belichtungsmaschinen entworfen, die mit EUV, extremem Ultra-Violett, also sehr kurzwelligem Licht arbeiten. Solche Maschinen werden sehr teuer, also nur für die Großen der Branche erschwinglich sein; jetzt aber kommt eine Entwicklung in Gang, die auch dem Mittelstand einen Weg in die Nanoelektronik ebnen soll, Einzelheiten hat Mathias Schulenburg in Aachen erfahren.
Der mittelständische Weg zur Nanoelektronik mutet auf den ersten Blick archaisch an: Die Nanostrukturen werden mechanisch, mit einem Stempel, in Lack eingepresst, der das eigentliche elektronische Material, etwa Silizium oder einen Verbindungshalbleiter abdeckt. Der erhärtete Lack wird teilweise abgetragen; dort, wo er am dünnsten ist, liegt der Halbleiter schließlich frei und kann geätzt oder sonst wie strukturiert werden. Das Prinzip ist dem CD- oder DVD-Herstellungsprozess entlehnt, bei dem ein Plastikmaterial geprägt und anschließend thermisch gehärtet wird. Das neue Nano-Imprint-Verfahren, sagt Professor Heinrich Kurz, Leiter des Instituts für Halbleitertechnik der RWTH Aachen, unterscheidet sich davon in wesentlichen Details:
Das ist ein kombiniertes Verfahren, Sie haben einen Lack, der relativ flüssig ist, hochviskos, der braucht hundertfach weniger Druck um einzudrücken, und Sie härten ihn nicht über Temperatur aus sondern über UV. Das ist ein Photoplast, sozusagen, kein Thermoplast sondern ein Photoplast. Der Vorteil ist, Sie haben ungefähr zwei Größenordnungen weniger Druck notwendig, Sie haben keinen Temperaturzyklus zu fahren, Sie haben für dieses Druckaufbringen ganz neue maschinelle Möglichkeiten, und dadurch erreichen Sie auch relativ rasch hohe Durchlaufzeiten und hohe Präzision.
Der Stempel wird aus Quarzglas gefertigt, das mit einem Photolack, einem "Resist", beschichtet wurde, den ein Elektronenstrahl mit den Nanostrukturen beschreibt. Nach dem Entwickeln und teilweisen Abtragen des Lacks lässt sich das Nano-Prägerelief ins Quarzglas ätzen. Wenn der für UV-Licht durchlässige Stempel dann den leicht verformbaren Lack auf einem Halbleiter-Wafer geprägt hat – wie ein normaler Gummistempel Knete prägen würde, das Ganze nur in Nanoklein - zündet ein UV-Blitz und härtet den Lack aus. Das Verfahren, sagt Heinrich Kurz, verspricht erstaunlich genau zu werden:
Wir können in speziellen Fällen jetzt sogar runtergehen auf 10 Nanometer, das bedeutet aber eine hohe Anforderung an den Elektronenstrahllithographen und den haben wir hier zur Verfügung, Gottseidank, auch an den Resist, aber im Prinzip, im sogenannten Demostratorbereich für Forschung und Entwicklung, sind 10 Nanometer bewiesen.
Damit kann sich die Imprint-Technik mit der Lithografie der übernächsten Generation messen. Deren Anlagen zur Massenproduktion von Computerchips werden "Extremes Ultraviolett", EUV, für die Belichtung der Wafer verwenden müssen, nur mit diesem Licht lassen sich die angestrebten Strukturen mit Minimalbreiten unter hundert Nanometern projizieren. Das erfordert unter anderem ganz neue Spiegeloptiken, weil Extremes Ultraviolett von Linsen absorbiert würde. Das macht die Sache ausgesprochen teuer, die Fachleute rechnen für eine Anlage mit Kosten von 60 Millionen Euro. Die Nano-Imprint-Technik soll in der gleichen Größenordnung fein strukturieren können, allerdings ist sie langsamer. Während bei der EUV-Belichtung mit einem Schuss Hunderte von Chips belichtet werden, muss sich bei der Imprint-Technik der Stempel für jeden Chip einzeln senken. Dafür ist das Nano-Imprint-Verfahren, wie es an der RWTH Aachen entwickelt wird, wesentlich preiswerter:
Hier ist es so, dass die Anlagen für ein bis zwei Millionen geplant sind, und das kann auch ein Mittelständler sich noch leisten um Nanotechnologie für seine Zwecke einzusetzen. Der Preisvorteil; der andere Vorteil ist, dass die Maßhaltigkeit durch das Eindrücken zwischen Maske und Ziel definitiv hervorragend ist, also es gibt eine Verwerfungen wie in der Optik, bei EUV müssen Sie hochpräzise die Lichtstrahlen führen, und der dritte Vorteil ist, dass das Verfahren relativ flexibel ist was die Auswahl der Substrate, die geprägt werden, betrifft, das hängt letztlich hur davon ab ob Sie Silizium nehmen, Halbleiter oder Metalle oder Plastikmaterialien, d.h., es ist so flexibel, dass wir auch daran denken, es für Biosensoren einzusetzen oder für nicht-elektronische Anwendungen.
Für solche Anwendungen, ergänzt Jochen Dreßen, beim Technologiezentrum des VDI in Düsseldorf für Nanoelektronik zuständig, existiert noch eine Reihe von Alternativen:
Es gibt noch einen Heißprägeprozess, also ohne UV-aushärtende Lacke, der zielt dann etwas mehr auf nicht-elektronische Anwendungen, es gibt noch maskenlose Lithographie, aber diese letztgenannten Verfahren sind alle noch in der Entwicklung und in der Erforschung.
Die Nano-Drucker entwickeln jetzt Techniken, wie sie auch mit ihren Verfahren Chips mit mehreren Verdrahtungsebenen herstellen können, was für die Verbindung der einzelnen Chipelemente zwingend notwendig ist.
Strömungsgenerator
Von Thomas Migge
Italien ist dasjenige Land der EU, in dem alternativen Energie am wenigsten genutzt werden. Gleichzeitig ist es ein Land, in dem ein chronischer Energiemangel herrscht, denn Atomstrom steht nach einer Volksbefragung vor einigen Jahren nicht mehr zur Verf?gung. das r?mische Energieministrium will jetzt mit dem Projekt Kobold herausfinden, ob sich die Meereströmung für die Energiegewinnung nutzen lässt, mit Turbinen auf dem Meer, die komplette Ortschaften mit elektrischem Strom versorgen sollen.
Von weiten sieht es aus wie eine etwas zu groß geratene Boje. Oder wie ein in seiner Form ungewöhnliches Boot: viel zu schmal und zu hoch, um auf dem Wasser fahren zu können. Nähert man sich dem Ding, erinnert es an einem auf dem Wasser aufliegenden großen Hut. Ein Hut aus Eisen und Stahl und mit einer Antenne. Der Name des schwimmenden Gegenstandes ist 'Kobold'. Es handelt sich um den weltweit ersten auf dem Wasser befindlichen Generator zur Gewinnung von elektrischem Strom durch Meeresströmungen. 'Kobold' ist ein Prototyp. Er ist auf dem Meeresboden fest verankert. Und zwar in einer legendär stürmischen Gegend. Schon Odysseus und seine Kameraden sollen auf ihrem Segelschiff von den heftigen Winden in der Meeresenge zwischen Sizilien und Kalabrien heftig durchgeschüttelt worden sein. Der Legende nach blasen Skylla und Charibdis von den Küsten auf das Meer, Meeresungeheuer mit 12 Füßen und 6 Köpfen. Aber auch unterhalb der Wasseroberfläche geht es lebhaft zu. Die Meeresströmung ist dort besonders stark. Und genau das, erklärt Ingenieur Gaetano Gaudiosi, ist wichtig für 'Kobold':
Kobold ist ein Projekt, das vor einigen Jahren an der Universität Neapel entwickelt wurde und jetzt im Meer getestet wird. Kobold ist eine Turbine mit einem Durchmesser von 6 m und einer Öffnung von 5 m. Drei solcher Turbinen liegen unterhalb einer 10 m breiten Plattform, die 2,5 m hoch ist. Sie fangen die Kraft der Meeresströmungen ein.
Die Turbinen befinden sich in einer Tiefe von 20 bis 25 m. Ihre Aufgabe ist es, die Strömungsenergie des Wassers in Rotationsenergie umzusetzen. Wie bei einer an Land gelegenen Kraftmaschine bilden auch bei 'Kobold' mit gekrümmten Schaufeln versehene Laufräder den Hauptteil der Turbine. Anstatt mit Wind, Dampf oder Gas werden diese Laufräder mit Wasser angetrieben. Mit dem gerade in der Meeresenge zwischen Reggio Calabria und Messina besonders starken Unterwasserströmungen. 'Kobold' schwimmt auf dem Meeresspiegel nicht weit von der kleinen Ortschaft Ganzirri entfernt. Dort steht das Wasser niemals still. Die Mindestströmung beträgt zirka 2 m pro Sekunden, das sind vier Knoten. Als Problem bei der Entwicklung des Prototyps eines solchen Generators erwies sich für die Ingenieure wie Gaetano Gaudosio zunächst der Umstand, dass die Meeresströmung in der Meerenge zwischen Kalabrien und Sizilien alle sechs Stunden ihre Richtung ändert. 'Kobold' wurde deshalb so konstruiert, dass sich ein Teil der Turbinen beim Wechsel der Meeresströmungen computergesteuert in die entsprechend neue Position drehen:
Die Laufräder richten ihre Position nach der genauen Strömungsrichtung aus. Diese Feineinstellungen funktionieren vollautomatisch. Niemand muss auf Kobold oder am Festland präsent sein, um die Mechanik neu einzustellen. Alles verläuft ohne menschlichen Einfluss. 'Kobold' wurde zunächst als verkleinertes Modell im Windkanal des Flugtestzentrums von Capua bei Neapel ausprobiert. Anschließend erfolgte ein Versuch im Meerestestbecken der Universität Neapel. Die Turbineninsel ist ein Testgerät. Innerhalb eines Jahres wird sie rund 22.000 kw-Stunden elektrischen Strom erzeugen. Dieser Strom wird über eine Kabelverbindung mit dem Festland nach Ganzirri weitergeleitet. Langfristiges Ziel des Projekts ist es, die in der Nähe der italienischen Küsten häufig anzutreffenden intensiven Strömungskräfte unterhalb der Meeresoberfläche zur Energiegewinnung zu nutzen.
Die Wurzel allen Übels
Von Barbara Witthuhn
Ärgern Sie sich auch über den Lärm, wenn wieder mal ein Straße aufgerissen wird? Ganz zu schweigen von dem Verkehrschaos, das entsteht, wenn es eine viel befahrene ist. Gar nicht selten sind Bäume die Verursacher dieser Baustellen, meinen Tiefbauer. Oder unsachgemäß verlegte Rohre, sagen Biologen. In jedem Fall entstehen jährlich in Millionen-Höhe, wenn Abwasser-Rohre ersetzt werden müssen, die durch Wurzeln verstopft sind. Nun wollen Tiefbauer und Biologen erstmals gemeinsam ergründen, warum die Bäume in Rohre wurzeln.
Wenn so ein Baum in ein Rohr wurzelt und sich da drin weiter verzweigt, dann kann das im Endeffekt dazu führen, dass dieses Rohr vollständig verstopft wird.
Die Folge: Abwasser oder Regenwasser kann nicht mehr abfließen. Professor Thomas Stützel von der Ruhr-Universität-Bochum möchte dieses Übel – im wahrsten Sinne des Wortes – bei der Wurzel packen: Zusammen mit dem Institut für unterirdische Infrastruktur in Gelsenkirchen geht er der Frage nach, was Bäume überhaupt dazu treibt, in Rohre zu wurzeln, wenn ihnen doch rund um die Rohre genügend Erdreich zur Verfügung steht.
Die Vorstellung, die man früher hatte war recht einfach: Wurzeln dienen der Wasseraufnahme, also hat man gedacht, dass irgendwelche, kleinen Undichtigkeiten dazu führen, dass Wasser aus diesen Rohren raussickert, die Wurzel kriegt das mit und dann wächst sie dahin, nimmt zuerst das Wasser, das raus kommt und wenn das weg ist, geht sie gleich zum Ziel.
Also in das Rohr hinein. Inzwischen weiß man aber, dass Bäume auch in Rohre wurzeln, die nachweislich nicht beschädigt waren. An den Verbindungsstellen zwischen zwei Rohrstücken – den Muffen – bohren sich die Wurzeln durch die Dichtung in das Rohr. Und dass es nicht das Wasser ist, das die Wurzeln lockt, zeigen bereits die ersten Beobachtungen.
Wenn man solche Einwurzelungsfälle ausgräbt – vor allem bei Schmutzwasserkanälen – kann man sehen, dass die Wurzel immer oberhalb des mittleren Wasserstandes des Rohres einwurzelt, also an Stellen an denen gar keine Flüssigkeit austreten kann, weil dort gar keine ist – normalerweise. Das zweite viel stärkere Argument ist, dass diese Soße, die da drin fließt alles andere als gerade besonders gesund ist.
Die Bochumer Forscher konnten in Experimenten zeigen, dass Abwasser die Wurzeln schädigt. Das geht soweit, dass Modellpflänzchen maximal einige Wochen überleben, wenn sie in dem verdreckten Wasser wachsen müssen. Was aber zieht dann die Wurzel zum Rohr? Möglicherweise sind es Hohlräume im Bereich der Muffen. Sie entstehen beim Einbau der Rohre, weil das Erdreich direkt an den Muffen nicht vollständig verdichtet werden kann. Und genau in diesen Bereich wächst die Wurzel auch zunächst – oft sogar über Jahre, bis sie alle Hohlräume ausfüllt. Da Wurzelspitzen weich und beweglich sind wie Gelee erscheint es auch logisch, dass sie lieber in Bereiche eindringen, die wenig Widerstand entgegen setzen.
Das erklärt aber noch nicht, warum dieser Hohlraum hinterher wieder verlassen wird und zwar in Richtung in das Rohr hinein. Da muss man nämlich durch diese Dichtung hindurch, die zunächst einmal eine relativ kompakte Angelegenheit ist und der Wurzel einigen Widerstand entgegen setzt.
Um diesen – scheinbaren – Widerspruch aufzuklären, untersuchen die Forscher nun, ob Wurzeln tatsächlich den Weg des geringsten Widerstands gehen. Dazu verdichten sie die Erde in Pflanzgefäßen unterschiedlich stark und beobachten, wie die Wurzeln von Modellpflänzchen an der Dichtegrenze wachsen. In anderen Experimenten wollen die Wissenschaftler die Kraft messen, die in der Wurzel steckt – und die womöglich größer ist, als theoretische Berechnungen vorhersagen. So hoffen die Forscher heraus zu finden, was die Wurzel ins Rohr drängt.
Wir müssen versuchen, zu verstehen was sie machen, warum sie es machen, damit wir dann an der Seite an der wir modifizieren können, nämlich an der Rohrverbindung so modifizieren, dass dieses Problem nicht mehr auftreten kann.
Einfach, robust, wartungsarm: Windkraft mit einem H-Rotor
Von Beate Hinkel
Dreiflüglige Windkraftanlagen zur Energiegewinnung sind inzwischen hinlänglich bekannt. Ein sogenannter H-Rotor hingegen nicht. Forscher der Hochschule Bremerhaven versuchen diesen seit einigen Jahren so zu optimieren, dass er in wenigen Monaten in kleiner, aber feiner Größe in die Produktion gehen kann. Im Vergleich zum 3-Flügler ist der H-Rotor einfach im Aufbau, wesentlich kostengünstiger, wartungsärmer, gut bei extremen Wetterlagen und in ganz unterschiedlichen Größen zu nutzen. Zum Beispiel von der Schifffahrt. Der nahe, nicht ganz unrealistische Traum ist die Verwendung im Offshore-Bereich.
Oben auf dem Dach der Hochschule in Bremerhaven sind ein paar Grad unter Null. Professor Friedrich Zastrow aus dem Fachbereich Verfahrens- und Energietechnik stört es aber nicht, er ist begeistert von seiner Entwicklung:
Da sehen Sie schon den H-Rotor. Wir haben ja heute ganz wenig Wind. Ich mach mal die mechanische Bremse los... Das ist jetzt die mechanische Bremse gelöst, und der H-Rotor dreht sich jetzt, wie Sie hören, hören Sie gar nichts und das ist gut so, wie es die Politiker heut zu Tage schon sagen, das soll auch so sein. Der H-Rotor ist ein ganz leiser Rotor. Sie hören praktisch keine Geräusche, das liegt an der speziellen Anordnung der Blätter, die ja praktisch senkrecht angeordnet sind. Und wenn Sie jetzt mal das Mikro in Richtung Rotor halten, der dreht sich jetzt, hören Sie irgend etwas? (Pause) Fast nichts. Ne, während bei anderen Rotoren, bei den konventionellen Anlagen, ... da kommen die Blätter vorbei mit einer hohen Endgeschwindigkeit der Flügelspitzen, und die machen dann immer so pchu pchu pchu,
Von oben sieht der H-Rotor aus wie ein Mercedes-Stern. In der Mitte die Achse, 3 Arme nach außen, an denen senkrecht jeweils ein Flügelblatt hängt. Doch weil die Flügel parallel zur Achse stehen, verschwindet immer einer von ihnen hinter der Achse, so dass die Konstruktion von der Seite aussieht wie der Buchstabe H. Orange Halbschalen zwischen den Armen dienen als Anlaufhilfe bei geringem Wind. Denn der H-Rotor braucht im Vergleich zu den 3-flügligen Windkraftanlagen eine etwas höhere Windgeschwindigkeit um in Schwung zu kommen. Dafür erreicht er schon bei geringer Drehzahl seine optimale Leistung. 2 Meter Blattlänge, 2 Meter Durchmesser für die gesamte Konstruktion: Das reicht bei Windstärke 6, für 1 Kilowatt und ist vergleichbar mit einer konventionellen Anlage. An Ideen für die Verwendung des H-Rotors fehlt es Friedrich Zastrow nicht:
... das ist ja gerade der Knüller: der einfache Aufbau, keine Sensoren. Und deshalb denken wir, dass die kleinen Anlagen für Segelboote, für Bojen, für Messsysteme angewendet ist.
Die Windkraftanlage auf einer Boje wäre natürlich kleiner als der Versuchsaufbau auf dem Dach der Hochschule. Der Vorteil gegenüber dem herrkömmlichen 3-Flügler:
So eine Boje können Sie sich ja vorstellen, die schaukelt ja hin und her, wie ein Segelboot auch, und eine normale Anlage, die würde sich dann immer im Halbkreis oder im Kreis drehen, das wäre gar nicht sinnvoll. Und hier ist es der Anlage völlig egal, woher der Wind kommt und wie die schaukelt, die würde immer Energie liefern.
Einfacher Aufbau, Robustheit, seltene Wartung, optimale Leistung bei geringer Drehzahl: Das sind die Trümpfe des H-Rotors. - Dass die Konstruktion nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch funktioniert, haben die Bremerhavener Forscher schon lange bewiesen. Vor rund 10 Jahren stellten sie gemeinsam mit dem Alfred Wegener Institut in der Antarktis eine wesentlich größere Anlage auf. Die liefert mit einem Durchmesser von 10 Metern 20 Kilowatt. Das sind knapp 10 Prozent des Energiebedarfs der Forschungsstation. Trotz der extremen Bedingungen am Südpol ist sie heute noch in Betrieb, und damit die einzige Anlage, betont Zastrow, die so einen langen Zeitraum überlebt hat. Derzeit wird in Bremerhaven nicht nur an der Optimierung von kleinen H-Rotoren gearbeitet. Auch unter Wasser soll die Technik zu nutzen sein:
Und der Knüller von dem H-Rotor, jetzt ist er ja in der Luft, wenn Sie sich den jetzt vorstellen, den tauchen wir jetzt ein, ins Wasser und das Wasser fließt ja, dann dreht der sich auch im Wasser ... Das ist eine ganz tolle Sache. Der H-Rotor dreht sich auch im Wasser und das strömende Wasser hat natürlich auch Energie, wie die strömende Luft und die Energiedichte von Wasser ist ja, die Dichte ist sehr viel höher, deshalb ist da viel mehr Energie drin, und da kann man den H-Rotor auch nehmen für ja Gezeitenkraftwerke, für kleine Minikraftwerke am Fluss ... da sind also sehr viele Möglichkeiten drin.
Die Flügel könnten aus Holz gebaut werden, den Generator müsste man dazu kaufen. Dennoch wären die Kosten gering, sagt Zastrow, und man hätte genug Energie, um eine Batterie zu laden, an der ein Kühlschrank, ein Fernseher oder Radiogerät hängt. So könnte der H-Rotor gerade für die Energiegewinnung in den Entwicklungsländern eine interessante Alternative sein.
Software sorgt für Anschluss
Cajo Kutzbach
Verpasste Anschlüsse - häufige Bahnbenutzer können ein Lied davon singen - sind ärgerlich und müssten nicht in jedem Fall sein. Das zeigt seit kurzem ein Verbundprojekt der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten und der Hohenzollerischen Landesbahn in Hechingen auf der Schwäbischen Alb. Dort erlaubt eine spezielle Software Verspätungen so abzufangen, so dass in vielen Fällen der Anschluss doch erreicht wird.
200 Kilometer eingleisige Strecken schlängeln sich durch die Täler der Schwäbischen Alb und entlang der Donau. Sie werden von der Hohenzollerischen Landesbahn in Hechingen betrieben. Wenn hier eine Verspätung auftritt, gefährdet das nicht nur den Anschluss, sondern wirkt sich wegen der wenigen Ausweichstellen schnell auf den gesamten Fahrplan aus. Prof. Wilfried Koch, der sich am Institut für angewandte Forschung der Fachhochschule Ravensburg-Weingarten mit intelligenten Systemen befasst, hat deshalb ein Programm installiert, dass die Fahrdienstleiter berät, wie bei Verspätungen die Anschlüsse am Besten zu sichern sind.
Weiterhin besteht die Handlungsempfehlung - bei uns handelt es sich ja sehr häufig um eingleisige Strecken - darin, dass dem Fahrdienstleiter gesagt wird die Begegnung der Züge soll nicht an den ursprünglich vorgesehenen Bahnhöfen statt finden, sondern auf andere Bahnhöfe verlegt werden.
Was der Fahrdienstleiter da in Sekunden entscheiden soll ist eigentlich, ob statt des vorliegenden auch ein veränderter Fahrplan funktioniert und wie der aussehen müsste. Das kann er so schnell aber gar nicht ausrechnen. Das ist aber eine Aufgabe, die ein Rechner durchaus lösen kann.
Es ist einmal das Problem der Modellierung, d.h. das Netz und den Fahrplan in eine rechnertaugliche Form zu bringen. Und dann sicher das schwierigste Problem ist, das Optimierungskriterium fest zu legen d.h. den Auftrag an den Rechner in Zahlen zu fassen: Wie konstruiere ich aus einer gegebenen Störung, aus einem gegebenen Fahrplan einen korrigierten Fahrplan.