Mit "alaska" richtig in Fahrt

Chemnitzer Forscher jagen durch Bobbahnen und den Mikrokosmos

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Sachsens Wirtschaftsminister Dr. Kajo Schommer läßt sich von Dr. Claus-Dieter Wolf vom Chemitzer An-Institut für Mechatronik die Simulationsmöglichkeiten von "alaska" erklären

(MSt) Chemnitzer Forscher am Institut für Mechatronik entwickelten einen Bob-Fahrsimulator im Auftrag des Bundesinstitutes für Sport in Köln. Mit diesem Simulator kann bahngetreu zu jeder Jahreszeit in Echtzeit vor dem Computerbildschirm die jeweilige Bahn "hinuntergefahren" werden - egal ob Winterberg, Altenberg oder sonstwo. Der Bobpilot sitzt in einem Trackinggerät vor dem Bildschirm und lenkt seinen Bob wie in Wirklichkeit. Er kann somit das ganze Jahr hindurch trainieren, ist bei Saisonstart topfit und rückt damit wertvollen Medaillen ein Stück näher. Möglich macht das Ganze ein Computerprogramm mit dem Namen "alaska", das die Chemnitzer auf der Hannover Messe vorführten. Dieses Akronym steht für "advanced lagrangian solver in kinetic analysis", das heißt etwa" fortgeschrittener Lagrange-Löser für bewegte Systeme" (Lagrange war ein französischer Mathematiker). Entwickelt hat das Hochleistungsprogramm eine Arbeitsgruppe unter Prof. Dr. Peter Maißer. Gemeinsam mit der TU Ilmenau haben die Chemnitzer Forscher aber auch einen neuen Mehrkoordinatenantrieb entwickelt, der für die Fertigung und Montage von Mikrosystemen, in der Biotechnologie und der Mikrochirurgie zum Einsatz kommen soll. Dieser neue Antrieb ermöglicht eine Positioniergenauigkeit von 0.000000001 Metern - eine unvorstellbare Dimension im Mikrokosmos. Der Einsatz der überaus anpassungsfähigen Software beschränkt sich allerdings nicht auf die genannten Beispiele. So simulieren die Forscher das Fahrverhalten von Pkw, klären Ursachen eines Fahrradunfalls auf und ermitteln Belastungen bei Achterbahnen, wo enorme Beschleunigungen auf Mensch und Kabine wirken. Auch die Berechnung von Kräften im Halswirbelbereich bei Pkw-Heckkollisionen hilft Unfallgutachtern bei der Schadensregulierung. Auslegung von Trainingsgeräten, Bewegungsanalyse im Sport, z.B. Hürdenübersprung eines Leistungssportlers, sowie optimale Prothesenanpassung im Reha-Bereich sind weitere Anwendungsfelder von "alaska". Hinzu kommen Fahrsimulationen des Magnetzuges Transrapid, Schwingungsuntersuchungen von Weltraumplattformen von zwölf Kilometern Durchmesser und Designstudien von Rüttelplatten für die Bauindustrie.


Daumengroßes Labor hilft Chemikern beim Zaubern

Chemnitzer Forscher entwickeln Mikro-Reaktor aus Alufolien-Stapel

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...so klein wie ein Pfennig ist dieser von Prof. Dr. Dieter Hönicke und von Dr. Georg Wießmeier entwickelte Mikro-Reaktor

(HJG) Einige Millionen Transistoren auf einem einzigen Chip von Daumennagelgröße - längst sind sie Alltag und jedem Computerbesitzer vertraut. Und auch die Mikromechanik hat in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht. Zahnräder, Pumpen, Ventile, ja ganze Motoren und Turbinen, messen nur noch Bruchteile eines Millimeters. Jetzt hat die Miniaturisierungswelle auch die Chemie erreicht: Prof. Dr. Dieter Hönicke und Dr. Georg Wießmeier von der Professur für Technische Chemie haben den weltweit ersten Mikrostruktur-Reaktor für heterogen katalysierte chemische Reaktionen entwickelt. Der nur pfenniggroße Reaktor wurde vor kurzem auf der Ersten Internationalen Konferenz für Mikroreaktionstechnik in Frankfurt dem Fachpublikum vorgestellt - und beeindruckte die dort versammelten Industrie- und Uni-Forscher aus 13 Ländern, darunter auch den USA. Auf der ACHEMA in Frankfurt haben die Chemnitzer Forscher ihren Reaktor nun erstmals einer breiten Öffentlichkeit gezeigt. Was ein Katalysator ist, weiß mittlerweile dank des Auto-Kat fast jeder: ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt. Die Chemnitzer Uni-Entwicklung kann aber noch mehr: Mit ihr ist es möglich, bestimmte Stoffe selbst in winzigsten Mengen herzustellen. Sie eignet sich besonders für die heterogene Katalyse, bei der ein flüssiger oder gasförmiger Stoff an der Grenzfläche zu einem festen Katalysator umgesetzt wird. Der Reaktor besteht aus einer Vielzahl von Aluminiumfolien, in die mit Diamantwerkzeugen Riefen von etwa einem zehntel bis einem hundertstel Millimeter Tiefe eingeritzt sind. Diese Folien sind ursprünglich von Dr. Klaus Schubert am Forschungszentrum Karlsruhe als Mikrowärmeaustauscher entwickelt worden. Stapelt man eine Anzahl dieser Folien kreuzweise übereinander, bilden sie zwei getrennte Kanalsysteme. Durch das eine strömen die Stoffe, die miteinander reagieren sollen, durch das zweite eine Wärmeleitflüssigkeit, die zur Kühlung oder Heizung dient. Die Chemnitzer Idee bestand nun darin, die Vertiefungen im Alu mit Hilfe von elektrischem Strom zu "oxidieren", also quasi künstlich rosten zu lassen. Hierdurch vergrößert sich die ohnehin schon große Oberfläche noch einmal um das Tausend- bis Zehntausendfache, wobei tausende winziger Poren entstehen. Als Faustregel dabei gilt: Je größer die Oberfläche, desto größer die Stoffmenge, die sich chemisch umsetzen läßt. In diese regelmäßig geformten Poren wird nun als Katalysator das Metall Palladium in feinverteilter Form gegeben. Möglich sind natürlich auch andere Katalysatoren. Die Vorteile der Neuentwicklung: Durch die vielen Mikrokanäle können die miteinander reagierenden Stoffe den Katalysator sehr leicht erreichen. Entsprechend gering ist der Anteil von unerwünschten Nebenprodukten, hoch dagegen die Ausbeute des gewünschten Produkts. Auch die Wärmeübertragung geht leichter vonstatten. Weil die Reaktoren so klein und kompakt sind, halten sie hohe Drücke aus, was für viele Synthesen ebenfalls wichtig ist. Und nicht zuletzt: gefährliche oder giftige Stoffe können am Ort ihrer Weiterverarbeitung hergestellt werden, Transport und Lagerung entfallen. Dennoch kann die Menge der synthetisierten Stoffe leicht erhöht werden, indem einfach mehrere Reaktoren eingesetzt werden. Faszinierend auch die Möglichkeit, eine chemische Reaktion lediglich soweit ablaufen zu lassen, daß nur ein ganz bestimmtes Zwischenprodukt gebildet wird. Aber auch die Nachteile sollen nicht verschwiegen werden. Da sind einmal die noch sehr hohen Kosten der Mikro-Reaktoren. Zudem darf die Reaktionstemperatur wegen des Schmelzpunktes von Aluminium nicht höher als 550 Grad Celsius liegen. Und die miteinander reagierenden Stoffe dürfen keine festen Teilchen enthalten, die die feinen Kanäle verstopfen könnten. "Aber das alles wird durch die Vorteile mehr als aufgewogen", ist Prof. Dr. Hönicke überzeugt. Zudem arbeitet der Chemiker bereits an der nächsten Generation seiner Reaktoren: Die sollen dann aus dem sehr hoch schmelzenden Silizium bestehen. Natürlich haben die Chemnitzer Uni-Forscher ihren Reaktor auch schon praktisch ausprobiert. Dazu suchten sie sich die Anlagerung von Wasserstoff an ganz bestimmte Stellen einer Verbindung mit Namen Cyclododecatrien aus, die dadurch in Cyclododecen umgewandelt wird, einen Ausgangsstoff für sogenannte polymere Verbindungen, wie etwa Nylon. Diese Anlagerung gilt gemeinhin als schwierig, doch mit dem Chemnitzer Verfahren klappte sie sofort und mit hoher Ausbeute.


Keine Angst vor 5.000 Grad Celsius

Beschichtete Kohlenstoffasern in Wärmeschutzschilden von Flugzeugen und Raketen

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Blick bei zehntausendfacher Vergrößerung durch's Elektronenmikroskop: Nur 50 Millionstel Millimeter stark ist die Bornitrid-Schicht, die im Chemnitzer Uni-Labor auf Kohlenstoffasern aufgetragen wird. Das macht sie reißfest, hochtemperaturbeständig und nahezu unzerstörbar.

(HJG) Einem Forscherteam an der Chemnitzer Universität ist es als weltweit erster Arbeitsgruppe gelungen, brauchbare Bornitrid-Kohlenstofffasern herzustellen. Solche Fasern sind hochfest und gleichzeitig sehr leicht. Aus ihnen lassen sich neuartige Keramik- oder Metall-Faserverbundwerkstoffe herstellen, etwa für die Raumfahrt und den Turbinen- und Fahrzeugbau. Die Wissenschaftler stellten ihre Ergebnisse kürzlich auf der Chemiemesse ACHEMA in Frankfurt vor.

Schon die Natur macht es in Knochen, Bäumen und Grashalmen vor: In einen anderen Stoff eingelagerte Fasern erhöhen die Festigkeit. Auch die Babylonier und die Germanen mischten Stroh unter ihre Lehmziegel oder bauten ihre Wände aus zusammengewundenen Binsen und Zweigen, die sie mit Lehm bestrichen. Moderne Verbundwerkstoffe hingegen bestehen meist aus faserverstärktem Kunststoff und werden längst in Produkten wie Tennisschlägern oder dem Seitenleitwerk des Airbus eingesetzt. Nachteil: Der Kunststoff hält nur Temperaturen bis allenfalls 200 Grad Celsius aus. Schon vor längerer Zeit kam man daher auf die Idee, Kohlenstoffasern zu verwenden, die zusätzlich mit Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Bornitrid beschichtet und dann in Metalle oder Keramik eingebettet werden. Derartige Verbundwerkstoffe sind nicht nur extrem zugfest und temperaturbeständig, sondern auch sehr leicht und deshalb für völlig neue Anwendungen interessant. Es ist aber äußerst schwierig, sie in großen Mengen mit gleichbleibender Qualität herzustellen. Weltweit wetteiferten daher einige Dutzend Arbeitsgruppen darum, diese Schwierigkeiten zu umgehen. Dieses Rennen haben jetzt die Chemiker um Prof. Dr. Günter Marx von der Professur für Physikalische Chemie für sich entschieden. Es gelang den Forschern, lange Kohlenstoffaserbündel mit jeweils mehr als 6.000 Einzelfasern, sogenannte Rovings, kontinuierlich und gleichmäßig mit Bornitrid zu beschichten. Dabei kam es darauf an, daß die Einzelfasern - mit rund fünf bis sieben tausendstel Millimeter Durchmesser zehnmal dünner als ein menschliches Haar - nicht miteinander verklebten. Die Wissenschaftler benutzten für ihr Verfahren ein Gemisch aus Bortrichlorid, Ammoniak, Wasserstoff und Argon. Bei Temperaturen zwischen 800 und 1.000 Grad Celsius scheidet sich hieraus eine Bornitridschicht von nur 50 millionstel Millimeter Dicke auf der Kohlefaser ab. Damit ist es erstmals möglich, technisch bedeutsame Fasermengen - mehrere Dutzend Meter pro Stunde - zu produzieren, die die Chemnitzer an ihre Partner weitergeben. Und die sind die Creme der deutschen Industrie - Bayer gehört ebenso dazu wie die Daimler-Benz-Töchter Dornier und Motoren- und Turbinen-Union (MTU).

Auf dem Gebiet von Luft- und Raumfahrt und im Motorenbau sollen die neuen hochfesten Verbundstoffe denn auch vornehmlich angewandt werden. Ursprünglich sollten die Chemnitzer Forschungen dazu dienen, die Hitzeschutzkacheln für den europäischen Raumgleiter "Hermes" zu verbessern. Der würde sich nämlich beim Wiedereintritt in die Atmosphäre bis auf 5.000 Grad Celsius erhitzen, hatte man berechnet. Doch daraus wurde nichts, 1992 stoppte die Europäische Raumfahrtagentur ESA das Projekt - zu teuer. Heute ist man realistischer: Geplant ist der Einsatz des Werkstoffs in

Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken ebenso wie in Hochleistungsbremsbelägen, in leistungsfähigeren Motoren und als Wärme- isolation in chemischen Reaktoren.

Das macht ökologisch und ökonomisch Sinn. Beispiel Triebwerk: Es ist erheblich leichter als die heute eingesetzten und braucht schon deshalb weniger Treibstoff. Da es auch bei höheren Temperaturen betrieben werden kann, steigt der Wirkungsgrad, die Energie läßt sich besser ausnutzen. Derzeit sind etwa die Gase, die an der Brennkammer eines Triebwerks austreten, 1.100 Grad heiß. Mit neuen Bauteilen aus Verbundkeramik wären 100 Grad mehr möglich. Allein dadurch, so rechnen die MTU-Ingenieure vor, lassen sich zwei Prozent Flugsprit sparen. Die Turbinen müssen auch nicht mehr, wie bisher, gekühlt werden, was weitere ein bis drei Prozent Verbrauchseinsparung bringt. Durch die fehlende Kühlung sind sie auch einfacher aufgebaut - Montage- und Wartungskosten werden geringer. Und nicht zuletzt, auch die Lebensdauer ist höher, was ebenfalls Geld spart.

Die Wissenschaftler sind übrigens nicht nur bei der Bornitrid-Beschichtung Spitze. Auch bei der Beschichtung von Fasern mit Siliziumcarbid und Siliziumnitrid mischen sie ganz vorne mit. In der Mikroelektronik wendet man die Siliziumnitrid-Beschichtung schon seit langem an. Doch der Herstellungsprozeß ist nicht kontinuierlich und für die Faserbeschichtung überdies viel zu teuer. Außerdem wird dabei als Grundstoff die Silizium-Wasserstoff-Verbindung Silan benutzt - ein Teufelszeug. Denn Silan ist zwar preiswert, aber auch hochexplosiv; umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen wären nötig. Hier setzen die Chemnitzer Forscher andere Substanzen ein. Zudem sind sie dabei, neue, von der Firma Bayer entwickelte Fasern zu beschichten. Die bestehen nicht mehr nur aus Kohlenstoff, sondern basieren auf Silizium. Wie wichtig die Chemnitzer Forschungen in der Fachwelt eingeschätzt werden, kann man auch daran sehen, daß das Bundesforschungsministerium sie mit weit über einer Million Mark fördert.


Das Chamäleon im Reagenzglas

Neue Meßmethode zur schnellen Qualitätskontrolle von Pulvern und Fasern

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Hätten Sie gedacht, daß die violette Flüssigkeit im linken Glas (hier in der Abbildung dunkel) und die rote im rechten (hier hell) den gleichen Farbstoff enthalten? Solche "solvatochromen" Farbstoffe - sie können ihre Farbe ändern, je nachdem, an welchen Stoff sie sich binden - benutzen die Chemiker der Arbeitsgruppe von Prof. Spange, um die Aktivität von Katalysatoren zu bestimmen.

(HJG) Chemiker der Chemnitzer Universität haben eine neue Methode gefunden, mit der sich die Oberflächeneigenschaften von Pulvern und Fasern messen lassen. Solche Materialien spielen als Katalysatoren, aber auch bei der Chromatographie, einem Verfahren für die Trennung von Stoffgemischen, eine wichtige Rolle. Mit der neuen Technik läßt sich die Qualität derartiger Materialien einfach und zuverlässig kontrollieren. Besonders faszinierend: Eine große Zahl verschiedener Substanzen läßt sich in kurzer Zeit durchtesten. Dadurch wird es möglich, die Eigenschaften bei der Herstellung dieser Materialien gerichtet zu beinflussen. Die Chemnitzer Forscher haben ihre Ergebnisse erstmals auf der Chemiemesse ACHEMA vom 9. bis 14. Juni 1997 in Frankfurt vorgestellt. Was ein Katalystor ist, weiß dank des Auto-Kat, mittlerweile auch der Laie: Ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt. Doch nicht nur zum Abbau von Abgasen zu ungefährlichen Stoffen sind Katalysatoren nötig, auch Benzin, Schwefelsäure und zahlreiche andere wichtige Verbindungen ließen sich ohne sie nicht herstellen. Je genauer die Oberflächeneigenschaften der Materialien bekannt sind, umso bessere Katalysatoren lassen sich herstellen. Auch die Chromatographie läßt sich aus der modernen Chemie nicht wegdenken, ermöglicht sie es doch, Stoffgemische zu trennen und noch winzigste Verunreinigungen darin zu ermitteln, wie etwa Pflanzenschutzmittelrückstände im Gemüse oder Hormone im Fleisch. Dabei macht man sich zunutze, daß verschiedene Stoffe sich unterschiedlich stark an eine Trägersubstanz anlagern, von der sie anschließend mit einer Flüssigkeit oder einem Gas abgespült werden. In beiden Fällen werden Trägersubstanzen benötigt, die eine große Oberfläche haben und chemisch "inert" sind, also nicht mit den Stoffen reagieren, die hergestellt oder untersucht werden sollen. Wie stark sich Stoffe anlagern, hängt von solchen Oberflächeneigenschaften wie der Polarität, der Azidität und der Donizität ab. Häufig verwendete Träger sind zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Abwandlungen und Mischungen davon. Bisher wurden die Eigenschaften der Träger empirisch, also durch Versuch und Irrtum, oder durch zeitaufwendige Analyseverfahren bestimmt. Jetzt haben Forscher einer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stefan Spange von der Professur für Polymerchemie der Chemnitzer Uni ein neues Verfahren entwickelt, das es erlaubt, solche Träger vorab auf ihre Eignung durchzutesten. Die neue Methode ist kostengünstig, schnell und einfach durchzuführen. Die Forscher benutzen dazu sogenannte solvatochrome Farbstoffe. Deren Farbe ändert sich, je nachdem, an welchen Stoff sie sich binden. Die Farbstoffe werden gemeinsam mit den Trägern und einem Lösungsmittel in ein Glasgefäß gegeben und gerührt. Die Farbänderung wird dann mit einem Meßkopf gemessen, der in die Flüssigkeit eintaucht und einen Lichtstrahl durch sie hindurchschickt. Dieser Meßkopf ist mit einem Spektrographen verbunden, einem Instrument, das geringste Farbverschiebungen (Wellenlängenänderungen) auswerten kann. Aus den gemessenen Daten lassen sich dann mit einem angeschlossenen Computer bestimmte Oberflächeneigenschaften der Trägersubstanzen berechnen. Außerdem wurde die katalytische Aktivität der untersuchten Materialien bestimmt. Die Chemnitzer Wissenschaftler fanden dabei heraus, daß aus den ermittelten Oberflächeneigenschaften auf die katalytische Aktivität der Trägermaterialien geschlossen werden kann. Die Methode läßt sich sowohl für durchscheinende und undurchsichtige Aufschwemmungen der Träger als auch für feste Stoffe verwenden. Auch Folien und Fasern lassen sich damit untersuchen. Das neue Verfahren hat sich in der Fachwelt bereits herumgesprochen: Hersteller von Trägermaterial wie etwa Merck oder die BASF schicken inzwischen ebenso Proben nach Chemnitz wie eine Chemiefirma aus Norwegen - schließlich läßt sich bei der Entwicklung neuer Träger viel Geld und vor allem Zeit sparen. Gefördert wurden die Untersuchungen übrigens anfänglich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, während die Partnerfirmen nun die weiteren Forschungsarbeiten finanzieren.


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HTML-Version von Ralph Meyer, 18. Juni 1997