Ausgabe - 06 - 2012 - Produktion

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12 · F&E · Produktion · 9. Februar 2012 · Nr. 6 Stromversorgung Erste Erfahrungen mit Supraleitern Produktion Nr. 6, 2012 Wind und Sonne als Stromquellen gefährden die Stabilität der Netze. Das Karlsruher Institut für Technologie installierte im Kraftwerk Boxberg erstmals einen Strombegrenzer aus supraleitenden Materialien, um die Zuverlässigkeit von Stromnetzen zu stärken. Karlsruhe (sp). Erstmals wurde ein supraleitender Strombegrenzer auf Basis von YBCO-Bandleitern in einem Kraftwerk installiert. Im Vattenfall-Kraftwerk Boxberg schützt er das Eigenbedarfs- Stromnetz, welches für 12 000 Volt und 800 Ampere ausgelegt ist, vor Schäden in Folge von Kurzschlüssen und Spannungsspitzen. Die am Karlsruher Institut für Technologie mitentwickelte und von Nexans SuperConductors gefertigte neue Technik steigert die Eigensicherheit des Netzes und kann helfen, Investitionskosten in Anlagen zu sparen. „Hochtemperatur-Supraleiter galten lange Zeit als schwer handhabbar, zu spröde und insbesondere zu teuer für allgemeine industrielle Anwendungen“, erklärt Projektleiter Wilfried Goldacker vom Karlsruher Institut für Technologie. „Mit der zweiten Generation von Hochtemperatur-Supraleiter-Drähten auf Basis der Keramik YBCO hat man ein wesentlich robusteres Material mit verbesserten Eigenschaften zur Verfügung.“ Supraleitende Strombegrenzer sind reversibel funktionierende Bauteile. Bei Stromspitzen etwa nach Kurzschlüssen im Netz werden keine Bauteile zerstört, sondern der Begrenzer kehrt schon nach wenigen Sekunden selbsttätig in den normalen Betriebszustand zurück. Der Netzausfall ist somit wesentlich kürzer als bei konventionellen Strombegrenzern, bei denen, wie bei einer Schmelzsicherung im Produktion Nr. 6, 2012 Die Düsseldorfer Materialforscher Jörg Neugebauer und Dierk Raabe erhalten für ihr Projekt SMARTMET (übersetzt: intelligente Metalle) rund 3 Mio Euro aus den Töpfen des Europäischen Forschungsrates ERC (European Research Council). Düsseldorf (ba). Bei der Förderung durch das ‚ERC Advanced Grant‘ handelt es sich um einen äußerst prestigeträchtigen Preis, der nur an exzellente Wissenschaftler mit innovativen Projektideen verliehen wird. Innerhalb dieser ERC-Förderung streben die Wissenschaftler des Max-Planck- Instituts für Eisenforschung (MPIE) eine systematische Entwicklung neuer intelligenter Metalllegierungen an, deren Eigenschaften auf winzigsten kristallinen Veränderungen beruhen. Bisherige Verfahrensweisen gehen dabei rein empirisch und ex- Haushalt, konstruktionsbedingt Bauteile zerstört werden, die jeweils zeit- und kostenintensiv ausgetauscht werden müssen. „Für die Stabilität von Mittel- und Hochspannungsnetzen bieten supraleitende Strombegrenzer eine Reihe von Vorteilen“, erklärt Mathias Noe, Leiter des Institutes für Technische Physik am Karlsruher Institut für Technologie. Verlässliche, kompakte Strombegrenzer erlauben, es Stromnetze stabiler zu betreiben und deren Struktur zu vereinfachen. Dank ihrem Schutz vor Stromspitzen lassen sich dezentrale Energieerzeuger wie Wind- und Solaranlagen einfacher in Netze integrieren. Teure Komponenten im bestehenden Stromnetz werden effektiv geschützt, Bauteile in zukünftigen Netzen können für geringere Spitzenströme ausgelegt werden und Transformatoren Transformatoren werden überflüssig werden vielerorts überflüssig. Insgesamt können Investitionskosten bei Kraftwerken und Netzen eingespart werden. Zudem lässt sich das Prinzip des supraleitenden Strombegrenzers auf YBCO- Basis zukünftig auch auf Hochspannungsnetze über 100 Kilovolt ausdehnen und diese so besser vor Stromausfällen schützen. YBCO steht für die Bestandteile des Supraleiters: Yttrium-Barium- Kupfer-Sauerstoff. Es wird als rund Prof. Dierk Raabe wird die neuen Legierungen experimentell herstellen und auf ihre atomare Struktur hin untersuchen. perimentell vor und sind daher zeit- und kostenintensiv. SMART- MET will die Entwicklung intelligenter Materialien für Herausforderungen in Energie, Umwelt und Mobilität in einem kombinierten experimentell-theoretischen An- Im Rahmen eines Forschungsprojektes installierten die Projektpartner supraleitende Spulen in einem Kraftwerk. Die Strombegrenzer werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und bieten Strom keinen Widerstand. Bild: Martin Lober, KIT ein Mikrometer dicke Kristallschicht direkt auf ein einige Millimeter breites Edelstahlband wachsen gelassen, welches der Keramik die notwendige Stabilität verleiht. Unterhalb einer Temperatur von 90 Grad Kelvin oder minus 183 Grad Celsius wird das Material supraleitend. Allerdings bricht der supraleitende Zustand schlagartig zusammen, wenn die Stromstärke im Leiter die Auslegungsgrenzen übersteigt. Auf diesem Effekt beruht der supraleitende Strombegrenzer. Bei Stromspitzen im Netz verliert der Supraleiter seine Leitfähigkeit innerhalb von Sekundenbruchteilen und der Strom kann nur noch über das Edelstahlband fließen, das einen deutlich höheren Widerstand auf- Prof. Jörg Neugebauer leitet die Abteilung computergestütztes Materialdesign. Bilder: Max-Planck-Institut für Eisenforschung weist und den Strom damit begrenzt. Die anfallende Wärme wird über das Kühlsystem des Supraleiters abgeführt. Einige Sekunden nach dem Kurzschluss ist der Normalbetrieb im supraleitenden Zustand wieder hergestellt. YBCO-Supraleiterschichten auf Edelstahlbändern sind stabiler und betriebsfreundlicher als die Supraleiter der ersten Generation aus BSCCO-Keramiken (Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid). Zudem benötigt ihre Herstellung keine Edelmetalle wie Silber und wird vorraussichtlich günstiger sein. Der supraleitende Strombegrenzer wurde innerhalb Eisenforschung Neue Legierungen intelligenter machen satz angehen. Die Abteilung computergestütztes Materialdesign von Jörg Neugebauer kann auf Basis der Quantenphysik die Eigenschaften von Metalllegierungen vorhersagen. Gesucht werden Zusammensetzungen, die gleichzei- Keine Edelmetalle für die Herstellung tig fest und formbar sind, da diese Eigenschaften unter anderem für den Automobil-Leichtbau, für Turbinen und für die Biomedizin interessant sind. Das soll durch eine gezielte Kombination stabiler und instabiler Phasen im Material erreicht werden, wobei sich die insta- Neuerung in der Materialwissenschaft bile Phase unter mechanischer Beanspruchung, wie beispielsweise jener bei einem Autounfall entstehenden, in eine stabile umwandelt. Die theoretisch gefundenen Materialkombinationen werden dann an die Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign von Dierk Raabe weitergegeben, der die Legierungen experimentell herstellt und bis auf ihre atomare Struktur hin untersucht. Die systematische Suche nach neuen Mechanismen, welche Legierungen intelligenter machen, stellt eine Neuerung in den Materialwissenschaften dar. des Projektes ENSYSTROB in den letzten zwei Jahren entwickelt. Die Projektpartner sind neben dem Karlsruher Institut für Technologie die Firma Nexans SuperConductors, die TU Dortmund und die BTU Cottbus. Der Anwender, bei dem auch der Feldtest durchgeführt wird, ist der Stromversorger Vattenfall. Das Bundesministerium für Wirtschaft förderte das Projekt mit rund 1,3 Million Euro. Die Ergebnisse des Projektes sind von weitreichender Bedeutung, da die Funktionalität der Strombegrenzung zukünftig auch in andere supraleitende Anwendungen wie Transformatoren und Energiekabel integriert werden kann. Mehr Infos unter: www.kit.edu Das Projekt ist zwar ambitioniert und risikobehaftet, doch die Voraussetzungen am MPIE sind laut Institutsangaben ideal, da hier eine sehr enge Verzahnung von Theorie und Experiment in der Legierungsentwicklung gegeben ist. Der Europäische Forschungsrat ist eine Institution zur Finanzierung von Grundlagenforschung. Das einzige Kriterium zur Vergabe von Fördermitteln ist die wissenschaftliche Exzellenz des angestrebten Projektes. Dabei gibt es zwei Förderschemata. Das erste richtet sich an junge Nachwuchswissenschaftler. Enge Verzahnung von Theorie und Experiment gegeben Das zweite, an welchem auch Neugebauer und Raabe teilnehmen, richtet sich an etablierte Spitzenforscher, die mit bis zu 3,5 Mio Euro auf fünf Jahre gefördert werden. 2011 wurden insgesamt 2 284 Förderanträge eingereicht, von denen knapp 300 bewilligt wurden.
Thüringer Forschungspreis Produktion Nr. 6, 2012 Zwei Materialwissenschaftler der Universität Jena erhalten den mit 50 000 Euro dotierten Thüringer Forschungspreis in der Kategorie „Angewandte Forschung“. Jena (ba). Ob auf einem Biosensor oder einem künstlichen Hüftgelenk – überall, wo Materialien mit biologischen Systemen in Kontakt kommen, spielen Eiweiße eine Schlüsselrolle. „Adsorbierte Eiweiße bestimmen beispielsweise an Implantat- Oberflächen ganz wesentlich die Reaktion des Körpers und damit den Erfolg des Implantats“, sagt Dr. Thomas Keller, Materialwissenschaftler von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Aber auch bei der Wasseraufbereitung, in der Lebensmittelindustrie oder für Biogasanlagen für die Erzeugung regenerativer Energien sind Eiweiße auf Materialoberflächen von großer Bedeutung. „Das Verständnis und die Steuerung von Adsorptionsprozessen an Materialoberflächen ist deshalb eine der zentralen Fragen der mo- dernen Materialwissenschaft und der Biophysik“, ist Prof. Dr. Klaus D. Jandt, Inhaber des Lehrstuhls für Materialwissenschaft, überzeugt. Trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet ist bisher jedoch noch weitgehend unbekannt, wie Struktur und Eigenschaften der Materialoberflächen die Eiweißadsorption steuern. Die Forscher von der Universität Jena um Prof. Jandt arbeiten bereits seit längerem an dieser Fragestellung. Für ihre weltweit anerkannten Arbeiten dazu werden Dr. Keller und Prof. Jandt jetzt mit dem Thü- 9. Februar 2012 · Nr. 6 · Produktion · F&E · 13 Materialwissenschaftler aus Jena an der Spitze Konfigurations-Tool Baukasten für Elektrofahrzeuge Claudia Garád Produktion Nr. 6, 2012 Das Fraunhofer IAO hat einen Konfigurator für Elektromobile aufgebaut, der es möglich macht, neue Fahrzeug- und Antriebskonzepte zu gestalten. Das Online- Portal informiert auch über Kosten und Umweltauswirkungen. Stuttgart (ba). Das Fraunhofer IAO hat den Electric Vehicle Configurator (EV-Configurator) als Forschungstool konzeptioniert. Er berücksichtigt unterschiedliche Ausprägungsformen für neue Fahrzeug- und Antriebskonzepte und Komponenten. Darüber hinaus analysiert er Umgebungsbedingungen und Incentives. Der Konfigurator bietet dem Nutzer die Möglichkeit, verschiedene Fahrzeug- und Antriebskonzepte zu konfigurieren und zu bewerten. Die je nach Konfiguration variierenden Anschaffungs- und Betriebskosten sowie das Emissionsverhalten des Fahrzeugs werden dem Nutzer direkt angezeigt. Die Kostenanalyse bezieht sich dabei auf den Zeitpunkt der Kon- Prof. Dr. Klaus D. Jandt (r.) und Dr. Thomas F. Keller von der Universität Jena werden mit dem Thüringer Forschungspreis 2011 ausgezeichnet. zeption des Konfigurators bei aktuell niedrigen Produktionsstückzahlen. Der Schwerpunkt des Konfigurators liegt auf dem individualen und gewerblichen fahrzeuggebundenen Verkehr. Anwender erhält die Daten und einen Projektbericht Dazu zählen neue Fahrzeugkonzepte für den urbanen Raum, vom wettergeschützten Roller über Van oder Sportwagen im Individualverkehr bis hin zum leichten Lieferverkehr. Im Zentrum stehen dabei insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge. Der Konfigurator ermöglicht aber auch die Auswahl anderer Antriebsformen wie Benzin, Diesel, Gas, Hybrid, Plug-in- Hybrid oder den Range-extended- Elektroantrieb. Im Mittelpunkt steht beim Gestalten aber auch der Spaßfaktor. Der Anwender erhält unter anderem eine Auswertung der gesammelten Daten und den Projektbericht. Darüber hinaus werden unter allen Teilnehmern Elektrofahrzeuge für ein „elektrisches“ Wochenende verlost. www.ev-configurator.de Das Fraunhofer IAO hat eine Konfigurationssoftwareentwickelt, die es ermöglicht, neue Elektroauto-Konzepte zu gestalten. Bild: Fraunhofer IAO Foto: Jan-Peter Kasper/FSU einfachleicht ringer Forschungspreis in der Kategorie „Angewandte Forschung“ ausgezeichnet. Mit diesem Preis werden jährlich herausragende Forschungs- und Transferleistungen in den Kategorien „Grundlagenforschung“ und „Angewandte Forschung“ sowie „Transfer“ gewürdigt, die an Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen des Freistaats entstanden sind. Er wird am 17. Februar im Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena verliehen. „Der Preis ist eine große Ehre für uns“, sagt Preisträger Jandt, der in der Ehrung einen Beleg dafür sieht, dass sich langfristige und nachhaltige Forschung lohnt. „Um Eiweiße auf Materialien kontrolliert anheften zu können, ist es vor allem wichtig zu wissen, wie deren Oberflächen beschaffen sein müssen“, sagt Dr. Keller. Die Jenaer Wissenschaftler haben zur Beantwortung dieser Frage jüngst in einer viel beachteten Studie einen entscheidenden Beitrag geleistet: Dr. Keller und Prof. Jandt haben an nanostrukturierten ultra-hochmolekularenPolyethylen-Oberflächen (UHMWPE) zeigen können, leichtgewicht Die neuen Leichtbau-Spannmittel von HAINBUCH Carbonfutter: Wenig Gewicht, viel zu bieten! Von wegen halbe Portion! Mit voller Power nehmen es die HAINBUCH Carbon-Spannmittel mit jeder Spannsituation auf. Was sie auszeichnet: wirtschaftlichere Produktion, reduzierte Energiekosten verbesserte Schwingungsdämpfung längere Lebensdauer der Maschinenkomponenten rüstfreundlich dass sich Eiweiße, die selber nur einige Nanometer groß sind, bevorzugt an den nanokristallinen Lamellen des Polymers anlagern. „Normalerweise bildet das untersuchte Eiweiß auf Oberflächen aus UHMWPE, das oft im Gelenkersatz verwendet wird, ungeordnete Netzwerke aus“, so Dr. Keller. Dichte Packung der Eiweiße schränkt Netzwerkbildung ein „Aufgrund der Nanostruktur gelang es uns nun aber, eine hochstrukturierte, dichte Packung der Eiweiße zu erreichen, welche die Netzwerkbildung einschränkt und so beispielsweise die Reibeigenschaften von Gelenkoberflächen verbessern kann.“ Das Feld potenzieller Anwendungsmöglichkeiten dieser Erkenntnisse ist groß. „Grundsätzlich sind die Ergebnisse für alle Grenzflächen zwischen Materialien und Lebewesen interessant“, sagt Prof. Jandt und nennt als Beispiele Oberflächen, auf denen Zellen gut anwachsen, sich jedoch keine Mikroorganismen ansiedeln. „Das würde zum Beispiel das Einwachsen von Implantaten deutlich verbessern können.“ AKTION Bis 30.04.12 alle Standard- Carbon-Spannmittel zum Preis der Stahl-Ausführung www.carbon.hainbuch.com Halle 14, Stand C03
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