Akademie-Journal 1/2004 - Union der deutschen Akademien der ...

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Impressum Akademie-Journal 1/2004 Magazin der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e.V. Akademie der Wissenschaften zu Göttingen Bayerische Akademie der Wissenschaften, München Heidelberger Akademie der Wissenschaften Akademie der Wissenschaften und der Literatur, Mainz Nordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften, Düsseldorf Sächsische Akademie der Wissenschaften zu Leipzig Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften, Berlin Herausgeber: Der Präsident der Union der deutschen Akademien der Wissenschaften Geschwister-Scholl-Straße 2, D-55131 Mainz, FRG Telefon 0 61 31/21 85 28 14 · Telefax 0 61 31/21 85 28 11 e-mail: weisrock@mail.uni-mainz.de http://www.akademienunion.de Redaktion: Dr. Katharina Weisrock Wissenschaftlicher Beirat: Prof. Dr. W. Baumeister, München Prof. Dr. H. Duddeck, Berlin* Prof. Dr. J. Fried, Mainz Prof. Dr. H. Hennig, Leipzig Prof. Dr. J. Jacobs, Düsseldorf Prof. Dr. U. Mölk, Göttingen Prof. Dr. C.W. Müller, Leipzig Prof. Dr. W. Müller-Seidel, München Prof. Dr. H.W. Roesky, Göttingen Prof. Dr. M. Schaefer, Mainz Prof. Dr. E.A. Schmidt, Heidelberg Prof. Dr. K. Starke, Heidelberg Prof. Dr. W. Voßkamp, Berlin * verantwortlich für den Themenschwerpunkt Technik im 21. Jahrhundert Die in dieser Zeitschrift veröffentlichten Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, sind vorbehalten. Kein Teil dieser Zeitschrift (auch Abbildungen) darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlags in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsanlagen, verwendete Sprache übertragen werden. – Die Aufnahme der Zeitschrift in Lesezirkel ist nicht gestattet. – Die Nennung von Markenbezeichnungen in dieser Zeitschrift läßt keinerlei Rückschlüsse zu, ob es sich um geschützte oder nichtgeschützte Zeichen handelt. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funkund Fernsehsendung, im Magnettonverfahren oder auf ähnlichem Wege bleiben vorbehalten. Von einzelnen Beiträgen oder Teilen von ihnen dürfen nur einzelne Exemplare für den persönlichen und sonstigen eigenen Gebrauch hergestellt werden. Die Vervielfältigungen sind mit dem Vermerk über die Quelle und den Vervielfältiger zu versehen. For users in the USA: Authorization to photocopy items for internal or personal use, or the internal or personal use of specific clients, is granted. Herstellung, Layout und Reprographie: rjm Medienservice GmbH, Rudolf J. Manke – 68623 Lampertheim Erscheinung: Heft 1/2004: Juli 2004, ISSN 0942-4776 Titelbild: Composing von Thomas Tempel, T.G.T. Design Akademie-Journal 1/2004 Inhalt TECHNIK IM 21. JAHRHUNDERT Jürgen Hesselbach Mikrotechnik – Mikroproduktion 4 Andreas Ostendorf Lasertechnik 12 Hans-Günther Wagemann Photovoltaik 20 Wolfgang Kowalsky Polytronik 26 Andreas Waag Spinelektronik 32 Manfred Krafczyk Computersimulationen 38 Peter A. Wilderer Abwassertechnik am Scheideweg 43 Harald Fuchs Nanotechnologie 48 Ernst Dieter Gilles Komplexität in Technik und Biologie 55 Hans Poser Technik im Wertewandel 62 Kurt Gärtner/Ralf Wolz Elektronisches Publizieren 67 Nachrichten aus der Union 69 Nachrichten aus den Akademien 74 Personalia aus den Akademien 86 3
4 Mikrotechnik – Mikroproduktion Jürgen Hesselbach Sehr große, aber auch sehr winzige Dinge haben die Menschen zu allen Zeiten beeindruckt. Wen fasziniert (oder beunruhigt) nicht die von japanischen Wissenschaftlern entwickelte Vision des Mikro-U-Bootes, das durch unsere Blutbahnen navigiert, Inspektionsaufgaben durchführt und falls erforderlich schädliche Ablagerungen in den Adern mit kleinsten Werkzeugen entfernt. Professoren der Universität Berkeley träumen vom „intelligenten Staub“ (smart dust), der verteilt über Land und Leute sicherheitsrelevante Informationen liefert und damit eine neue Dimension im Kampf gegen das „Böse“ eröffnet. Insbesondere in Europa tun wir uns mit solchen Vorstellungen etwas schwerer. Aber die Miniaturisierung bei gleichzeitiger Funktionsintegration ist unstrittig auch hier ein zentrales Thema der Produktentwicklung in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Ohne daß es uns bewußt ist, sind heute schon in vielen Produkten, sei es im Automobil der Airbag-sensor oder im Handy die integrierte Kamera, winzige Komponenten (wenn auch meist nicht sichtbar) wichtige funktionale Bestandteile. In der Forschung im deutschsprachigen Raum sprechen wir von einem Mikrosystem, wenn der Produktaufbau mechanische Komponenten, Signalverarbeitung, Sensoren und/oder Aktoren auf kleinstem Raum umfaßt oder wesentliche Strukturelemente Abmessungen im Mikrometer-Bereich (1/1000 mm) aufweisen. Aufgrund der vielfältigen Vorteile mikrosystemtechnischer Lösungen, wie kleine Abmessungen, geringes Gewicht und niedriger Energieverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Multifunktionalität und nicht zuletzt auch niedrige Kosten, wird die Mikrosystemtechnik (MST) weltweit als eine Schlüsseltechnologie für das 21. Jh. angesehen, die zu ähnlichen technischen und gesellschaftlichen Veränderungen führen kann wie die Mikroelektronik seit den sechziger Jahren. In vielen Industriezweigen, wie in der Fahrzeugindustrie, der Medizintechnik, der Kommunikationstechnik oder der Biound Umwelttechnik, werden miniaturisierte Komponenten und Produkte bereits heute in zunehmender Stückzahl eingesetzt. Zukunftsszenarien sehen wachsende Anwendungen bei Mikromaschinen und in der Mikrorobotik (Mechatronische Mikrosysteme), bei elektronischen Assistenzsystemen (z.B. in die Kleidung integriert, die „wearables“) des Menschen sowie bei Sicherheitstechniken und Identifizierungssystemen (Ubiquitäre Mikrosysteme), bei der optischen Datenübertragung und Höchstfrequenzelektronik (Photonische Mikrosysteme) sowie bei Mikroreaktoren als künstliche Organe oder zur Produktion personalisierter Medikamente (Symbiontische Mikrosysteme) [1]. In Marktstudien wird der Mikrosystemtechnik ein exponentielles Wachstum prophezeit. So auch in der Studie des „Network of Excellence in Multifunctional Microsystems“ Nexus, die ein jährliches Wachstum von 20% prognostiziert und für das Jahr 2005 weltweit ein MST-Marktvolumen von 68 Mrd. Dollar erwartet [2]. Mikroproduktion Wichtige Voraussetzungen für diese Entwicklung der Mikrotechnik sind neben dem Entwurf die wirtschaftliche Herstellung und geeignete Verfahren. Die Mikroproduktionstechnik umfaßt in ihrer Gesamtheit alle einzelnen, zum Teil hochspezialisierten Fertigungsverfahren für miniaturisierte Produkte. Miniaturisierte Systeme und Einzelkomponenten werden in sehr unterschiedlichen Stückzahlen benötigt, von Massenprodukten im Automobilbau bis zu Kleinserien im Maschinen- und Anlagenbau. Da ein Großteil der Herstellkosten in der Produktion anfällt, ist es notwendig, eine wirtschaftliche und auf die jeweils zu fertigende Stückzahl zugeschnittene Lösung zu realisieren. Bei der Fertigung einzelner Funktionsbaugruppen und kompletter Produkte gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: Die (klassischen) feinwerktechnischen sowie die (neueren) mikrotechnischen Verfahren. Mikrotechnische Herstellung Mikrotechnische Miniaturisierungsansätze basieren auf Verfahren, die aus der Mikroelektronik Akademie-Journal 1/2004
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