Panorama

3D-Druck auf dem Mond und Quanten auf dem Vormarsch

03.01.2022 - Jahresrückblick Vakuum-, Plasma-, Dünnschicht- und Oberflächentechnologie 2021.

Das Jahr begann auch vakuum­technisch zunächst mit einem Schreck: Additive Fertigungs­methoden mit Tinten­strahl­druck und Laser­technik sollen bei der Produktion von Piezo-MEMS – ureigenstes Gebiet bewährter vakuum- und masken­basierte Herstellungs­methoden – genau diese nun ersetzen, wie anhand der Herstellung von Miniatur­­laut­sprechern gezeigt wurde. Die Etablierung alter­nativer, bei Atmosphären­druck ausführ­barer Verfahren ist natürlich neben der Entwicklung von kosten­günstigeren vakuum­­technischen Komponenten oder der massiven Erhöhung des Produktions­umfangs ein bewährter Ansatz, mithilfe vakuum­­techno­logischer Methoden erarbeitete Produkte in die breite Anwendung zu überführen.

So behalten wir den 3D-Druck im Auge und stellen fest, dass er sich auch äußerst gut mit Vakuum verträgt: Per Laser auf­ge­schmolzene Bahnen aus Regolith eröffnen beispiels­weise Perspek­tiven für die Ein­richtung einer Infrastruktur auf dem Mond. Das Team vom Projekt Moonrise am Laser-Zentrum Hannover hat nicht nur die Methode entwickelt, sondern die Bedienung des Lasers auch gleich dem Rover MIRA3D des Instituts für Raum­fahrt­systeme der Technischen Univer­sität Braun­schweig beigebracht. Dieser könnte somit zum Siedlungs­bau auf dem Mond aus dem dort im Überfluss vorhandenen Mond­staub beitragen, sobald Projekte wie das Artemis-Programm Fahrt aufnehmen.

Wie gut sich Materialien im Vakuum aufbauen und untersuchen lassen, zeigen die Fortschritte in Ober­flächen- und Dünnschicht­technologie, die auch in diesem Jahr in verschie­densten Anwendungs­feldern vermeldet wurden.

Neben dem Wirkungs­grad­rekord für flexible CIGS-Solar­zellen, den eine Forscher­gruppe des schweize­rischen Material­forschungs­instituts EMPA auf einen Wert von 21,4 Prozent angehoben und damit nahe an den Wert nicht­biegsamer kristalliner Silizium­zellen gebracht hat, fand ein internationales Forscher­team ebenfalls unter Leitung des EMPA den Beweis für eines der wichtigsten Modelle des Quanten­magnetismus. Dieses sagt für eine Kette von aneinander­­gereihten Spin-1-Bau­steinen eine Spin-Fraktionierung voraus, sodass sich die Ketten­enden wie Spin-½-Objekte verhalten. Die mittels Raster­elektronen­mikroskop provo­zierte magnetische Anregung der Enden einer aus Spin-1-Triangulen-Bau­steinen bestehenden Kette zeigte nun tat­sächlich einen für Spin-½-Quanten­objekte charakte­ristischen spektroskopischen Finger­abdruck. Neben der Über­prüfung theo­retischer Konzepte sind die Unter­suchungen auch für das Gebiet des Quantencomputing von Interesse.

Während in der Grundlagen­forschung das Wissen über Quanten­phänomene und deren nutz­bringende Anwendbarkeit massiv erweitert wird, wird an anderer Stelle bereits die Markt­einführung der neuen Techno­logie vorbereitet. Das in diesem Jahr gestartete Verbund­vorhaben MATQu wird eine Wert­schöpfungs­kette für industriell fertig­bare Quanten­computer schaffen und Qubits den Weg zur Marktreife glätten. Die Fraunhofer Institute für Photonische Mikro­systeme IPMS und für Angewandte Fest­körper­physik IAF sowie sechzehn weitere Partner aus Wissen­schaft und Industrie wollen dafür unter anderem die Varia­bilität zwischen Qubit-Komponenten reduzieren und das Integrations­niveau erhöhen.

Tribologische Finessen stehen mittlerweile voll und ganz im Dienst des Klima­schutzes. Beispiels­weise soll Supraschmierung die Reibung aus Motoren verbannen und dafür sorgen, dass neue Maschinen kaum noch Energie als Abwärme vergeuden. Im Rahmen des gerade an den Start gegangenen Verbund­projekts CHEPHREN (CHEmisch-PHysikalische Reduzierung der ReibungsENergie) rücken auch die im etwas älteren Bruder­projekt PROMETHEUS bereits erarbeiteten und demnächst in die Anwendung überführ­baren Ergeb­nisse ins Blick­feld. Die Projekte untersuchen grund­legende tribo­logische Phänomene bis in den ato­mis­tischen Bereich und ver­helfen der Mobilität unabhängig vom Antriebs­prinzip zu massiven Energie­ein­sparungen.

Auch im Bereich der Lebens­wissenschaften machten vakuum­gestützte Methoden Schlag­zeilen, wie folgende zwei Beispiele zeigen.

Mit Hilfe der an der GSI Darmstadt entwickelten Ionen-Spur-Nano­technologie wurden Membranen am Schwer­ionen­beschleuniger mit Nano­poren versehen und durch anschließende Beschichtung mit selektiven DNA-Aptameren zu hoch­empfindlichen Viren­sensoren aus­gestattet. Diese erlauben ohne Proben­vor­behandlung den Nach­weis von SARS-CoV-2 in zwei Stunden.

Die Kryo-Tomo­grafie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) des Paul Scherrer Instituts erlaubte einen Einblick in die raffi­nierten Techniken eines an der afrika­nischen Küste gefundenen Arm­füßlers. Das Meeres­tier kann den Härte­grad seiner Schale dank Nano­kristallen ändern, indem er Wasser in eine die Kristalle umgebene organische Matrix einlagert. Die neuen Erkennt­nisse können beispiels­weise die Entwicklung harter spröder Materialien mit definierter Steif­heit beflügeln oder in neu­artiger Schutz­kleidung ihre Anwendung finden.

Neue Möglich­keiten zur Erforschung von Fusions­prozessen, Welt­raum­wetter und astro­physika­lischen Vorgängen eröffnet die Erzeugung von ultra­kaltem neutralem Plasma in magnetischen Flaschen, die einem Team der Rice University im texanischen Houston gelang. Eine zur Plasma­diagnostik ein­gesetzte laser­induzierte Fluoreszenz gestattet die Bestimmung von Ort und Geschwindig­keit der Ionen und ermöglicht damit detaillierte Unter­suchungen bisher unver­standener Wechsel­wirkungen von Plasmen mit Magnet­feldern.

Grundlegendes Wissen über Plasmen wird auch auf der ISS erarbeitet, die mittler­weile auf 20 Jahre Plasma-Langzeit­versuche unter Schwerelosigkeit zurück­blicken kann. Derzeit arbeitet mit PK-4 das dritte Plasma-Kristall-Labor in rund 400 km Höhe und liefert unter anderem Wissen über die erste Phase der Planeten­entstehung. Auch hier liegen die Pläne für ein Nachfolge­experiment namens COMPACT bereits vor und garantieren die Fortsetzung der erfolgreichen Unter­suchungen an komplexen Plasmen.

Seit in der ASDEX Upgrade Anlage im Max-Planck-Institut für Plasma­physik (IPP) in Garching vor 30 Jahren das erste Plasma erzeugt wurde, werden an der leistungs­stärksten nationalen Tokamak-Anlage in Europa Kern­fragen der Fusions­forschung unter kraftwerks­ähnlichen Bedingungen untersucht und Plasma­szenarien für JET, ITER und das geplante Fusions­kraftwerk DEMO erarbeitet. Im kommenden Jahr beginnen die Umbauten für den Test eines neuen Divertor-Konzepts, das mit zwei zusätzlichen Magnet­spulen an der Decke des Plasma­gefäßes das Divertor-Feld auffächert und die Leistung aus dem Plasma auf eine größere Fläche verteilt.

Unter­suchungen zum zweiten derzeit technologisch verfolgten Fusions­prinzip treibt das IPP seit sechs Jahren in Greifswald voran. Dort soll Wendelstein 7-X, die weltweit größte Fusions­anlage vom Typ Stellarator, die Kraftwerks­tauglichkeit dieses Konzepts beweisen. Die dazu unternomme­nen Optimierungs­strategien für Form und Anordnung der Magnet­spulen erwiesen sich in diesem Jahr als erfolgreich und sollen nach einer Anpassung der Anlage auch im längeren Betrieb getestet werden.

Auch in diesem Jahr wurden alternative Konzepte voran­getrieben, um die Teilchen­beschleuniger der Zukunft in Bezug auf Größe und Leistung zu optimieren. Von den Ergeb­nissen sollen nicht nur die Experimente der Grundlagen­forschung, sondern auch Anwen­dungen in Medizin und Industrie profitieren. So machten beispiels­weise die Laser-Plasma­beschleuniger einen wichtigen Schritt zur praktischen Anwend­barkeit: Bei DESY gelang es dem LUX-Team durch Zugabe von Stick­stoff zum Wasserstoff­plasma die Energieverteilung der erzeugten Elektronen­strahlen besonders klein zu halten, wobei man die Wahl der fünf für einen stabilen Betrieb erforder­lichen Parameter einem selbst­lernenden Algo­rithmus überließ. Die künstliche Intelligenz ersparte dem Team eine Woche Arbeit, indem sie den Beschleuniger­betrieb innerhalb einer Stunde stabi­lisierte.

Einen neuartigen Hybrid­beschleuniger auf der Basis von zwei verschiedenen Plasma­technologien stellten das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und die Ludwig–Maximilians–Universität München vor. Die Teams kombinierten die für Kompakt­heit sorgende Plasmabeschleunigung mit Lasern (Laser Wakefield Acceleration) mit einer hohen Strahl­qualität und -energie gewähr­leistenden teilchen­strahlbasierten Beschleunigung (Plasma Wakefield Acceleration), der einen Beschleunigungs­gradienten von über 100 Gigavolt pro Meter erzeugt. Nachdem nun gezeigt wurde, dass der kompakte Hybrid­beschleuniger sich wie seine deutlich größeren, konven­tionell getriebenen Pendants verhält, kommt er mit ent­sprechenden Weiter­entwicklungen als Basis für Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Frage und könnte deren Einsatz­möglich­keiten enorm erweitern.

Neue Ansätze verfolgt man auch bei der Weiter­entwicklung herkömm­licher Beschleuniger­komponenten. So hat das am CERN stationierte inter­nationale Projekt I.FAST (Innovation Fostering in Accelerator Science and Technology) unter Beteiligung des Fraunhofer Instituts für Werkstoff und Strahl­technologie (IWS) in diesem Jahr weltweit erstmalig wichtige Quadrupol-Bauteile für Linearbeschleuniger aus reinem Kupferpulver additiv gefertigt. Mittel­fristig sollen nicht nur Teilchen­physiker von dem neuen Verfahren profitieren. Es lässt sich auch bei der Herstellung kompakter Linear­beschleuniger für kleinere Kranken­häuser, Flughäfen und Labore einsetzen und kann damit Krebs­therapien wie auch Material­analysen entscheidend voranbringen.

An dieser Stelle empfehlen wir auch die Jahres­rück­blicke zu Molekül- und Fest­körperphysik, zu Kern- und Teilchen­physik, sowie zu Atom- und Quantenphysik und natürlich zum Thema Energie. Eine Vielzahl der dort vorgestellten Ergebnisse hätte ohne Vakuum­technik nicht erarbeitet werden können. So erwarten wir mit Spannung, welche Entwicklung der unsicht­bare Zukunfts­helfer im neuen Jahr stützen wird.

Lisa Kleinen

DE

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