Lyngby (pte/04.06.2020/12:30) Beim Bau von Brücken aus Stahlbeton lassen sich 28 Prozent des bisher für nötig gehaltenen Materials einsparen. Das reduziert die CO2-Emissionen um 30 Prozent, sagen Forscher der Dänischen Technischen Universität (DTU) http://dtu.dk/english , die das Verfahren entwickelt haben. Dies hätte beispielsweise den Bau der Brücke über den Großen Belt zwischen den dänischen Inseln Fünen und Seeland billiger und umweltverträglicher gemacht.

Wie beim Flugzeug- und Autobau

"Anfangs dachten wir daran, die Brückendecke durch quer verlaufende Membranen zu verstärken und so bei konventioneller Struktur Gewicht einzusparen", sagt Mads Jacob Baandrup, der das Abspecken von Brücken in seiner Doktorarbeit behandelt hat. Die Gewichtseinsparung gelang ihm und seinem Doktorvater Niels Aage durch eine aufwendige Strukturänderung. Sie nutzten das Instrument der Topologie-Optimierung, das bisher nur im Flugzeug- und Automobilbau angewendet wird. Das ist ein mathematisches Verfahren, mit dem bei einer vorgegebenen Belastung die schlankest mögliche Form eines Bauteils ermittelt wird.

"Populär ausgedrückt geht es darum, das Innere einer Brücke von den Teilen zu befreien, die für die Tragfähigkeit überflüssig sind", so Aage. Damit habe der Konstrukteur völlige Freiheit bei der Gestaltung der Struktur. Um dies zu erreichen, wird das Innere einer Brücke in Mrd. kleine Würfel zerlegt, sogenannte Voxel - anlehnend an die Bildpunkte (Pixel). Dann wird für jeden Würfel errechnet, ob und wie stark er für die Tragfähigkeit benötigt wird. Dabei stellt sich heraus, dass manche Voxel aus Luft bestehen können, ohne die Belastbarkeit zu verringern. "Das Ergebnis ist eine Brückenträgerkonstruktion, bei der möglichst wenig Material verwendet wird, ohne die Festigkeit der Struktur zu beeinträchtigen", weiß Aage.

Supercomputer im Dauerbetrieb

Im Einzelnen betrachteten die beiden Forscher ein Brückenteil mit den Maßen 30 mal fünf mal 75 Meter. Sie zerlegten es in zwei Mrd. Voxel. Für jedes berechneten sie die Last, die es aufnehmen muss, wenn die Brücke fertig ist. Mit einem normalen PC hätte der Rechenvorgang 155 Jahre gedauert. Da ein Supercomputer zur Verfügung stand, ließ sich die Rechendauer massiv verkürzen.

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Newcastle upon Tyne (pte/04.05.2020/11:30) Eine neue Klasse von Membranen zur CO2-Abtrennung aus Gasgemischen, etwa Rauchgasen, haben Forscher der Newcastle University http://ncl.ac.uk entwickelt. Der Trennprozess ist mit diesem Verfahren ebenso teuer wie mit bisherigen Techniken, etwa der Aminwäsche, sagen die Entwickler. Der technische Aufwand sei jedoch bedeutend geringer, sodass die Gesamtkosten bei einer breiteren Anwendung noch sinken könnten.

Silberatome organisieren sich

Das Besondere an der Membran: Sie formt ihre innere Struktur selbstständig. Die Membran könnte genutzt werden, um CO2 abzutrennen, sodass das Klimagas chemisch verwertet oder in tiefliegenden geologischen Formationen endgelagert werden könne. Die neue Methode, die bisher noch nie eingesetzt wurde, basiert auf Aluminiumpellets und -röhrchen. Diese bilden das Grundgerüst, das mit Silberpartikeln angereichert wurde. Der Durchsatz von CO2 und Sauerstoff regt die Silberatome schließlich dazu an, sich so zu formieren, dass eine effektive Membran besteht, die nur harmlose Gase wie Sauerstoff und Stickstoff passieren lässt.

Das Team konnte diesen Effekt mithilfe einer Röntgentomografie nachweisen. Die Menge an Edelmetall ist so gering, dass die Kosten im Rahmen bleiben. Die Wirksamkeit der Membran liegt um eine Zehnerpotenz höher als von den Forschern selbst gefordert. Das heißt, sie lässt nur einzelne CO2-Moleküle passieren, die den Umwelteffekt allerdings nicht beeinträchtigen. "Die Kosten der CO2-Abtrennung sind der Schlüsselfaktor für den Einsatz solcher Techniken. Wir hoffen, dass unsere Arbeit den Weg weist, neue Membranen zu entwickeln, die noch weniger kosten", so Forscher Greg Mutch. Diese neue Klasse von Membranen könne auch für weitere Anwendungen im Umweltschutz interessant sein.

Erderwärmung wird verzögert

Von Menschen verursacht, reiche der CO2-Ausstoß, verglichen mit der vorindustriellen Zeit, für einen Temperaturanstieg von 1,5 Grad Celsius aus. Dass bisher nur ein Grad Plus erreicht wurde liege daran, dass die Erderwärmung verzögert einsetze, so der Forscher. Eine Erwärmung um zwei Grad habe schwerwiegende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Produktion von Nahrungsmitteln, den Anstieg der Migration und allgemein auf die Umwelt. "Aus diesem Grund brauchen wir dringend Verfahren, um CO2 einzufangen und dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen", so Mutch.

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Hefei/Newcastle (pte/05.05.2020/06:05) Forscher um Shu-Hong Yu von der University of Science and Technology of China http://en.ustc.edu.cn nutzen Zellulose zur Herstellung eines neuen Materials, das so belastbar wie Kunststoff ist. Es lässt sich auch aus Bakterien herstellen. Das Material besteht aus Nanofasern, die exzellente mechanische und thermische Eigenschaften haben. Es ist fester und biegefester als die Kunstfaser Kevlar oder gar Stahl und hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Glas. Zudem ist es biologisch abbaubar.

Zellulose-Platte fester als Stahl

Yu hat aus den Nanofasern eine Platte namens CNFP hergestellt. Sie ist fester als Stahl und weitaus fester als Kunststoff oder Aluminium. Dabei ist sie so leicht wie Kunststoff. Anders als Plastik verändert CNFP seine Form in einem Temperaturbereich zwischen minus 120 und plus 250 Grad Celsius fast nicht. Der Koeffizient liegt nahe an dem von Keramik. Die Faserplatte übersteht problemlos Temperaturschocks. Yu setzte sie zehnmal einer Backofentemperatur von 120 Grad aus, gefolgt von einem Bad in flüssigem Stickstoff, der minus 196 Grad kalt ist. Die Festigkeit der Platte blieb erhalten.

Die Platte wird nicht in Form von Folien verarbeitet. Sie ist als hochbelastbares leichtgewichtiges Strukturmaterial etwa für Autos. Mit einem Preis von 0,5 Dollar ist sie laut den Forschern billiger als mancher Kunststoff. Plastik wird im Millionen-Tonnen-Maßstab hergestellt. Es endet oft als Abfall im Meer. Dort wird es vom UV-Licht der Sonne und der Kraft des Wellengangs langsam zerkleinert. Eine einzige Einkaufstüte aus Plastik zerfällt in 1,75 Mio. mikroskopisch kleine Fragmente, so Yu. Diese Teilchen wiederum werden von Fischen aufgenommen und gelangen so in den menschlichen Körper.

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Gaithersburg/College Park (pte/12.05.2020/06:00) Ein-Atom-Transistoren könnten die Bausteine einer neuen Computer-Generation mit unvorstellbarer Power werden. Einen wichtigen Schritt in Richtung Serienproduktion haben Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) http://nist.gov und der University of Maryland http://umd.edu gemacht.

Komplizierte Fertigung

Das Rezept sieht die Herstellung in mehreren Schritten vor. Der erste ist in der Forschung bereits etabliert. Eine Silizium-Unterlage wird von Wasserstoffatomen überzogen wie ein Tisch mit einer Decke. Diese klammern sich relativ fest an. Die Bindung ist jedoch nicht stark genug, um der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops zu widerstehen. Sie kickt die meisten Wasserstoffatome weg, sodass ein Muster entsteht.

Die verbleibenden Atome fungieren als Barriere gegen Monophosphan, ein giftiges Gas, das sich aus Phosphor und Wasserstoff zusammensetzt. Phosphan-Moleküle können nur da andocken, wo Wasserstoff fehlt. Dann wird die Anordnung erwärmt. Dabei trennen sich die Wasserstoffatome vom Phosphor, das in Atomform übrigbleibt. Die Phosphoratome tauschen dann ihre Plätze mit den darunterliegenden Siliziumatomen. Eins davon, das die Transistorrolle übernehmen wird, bleibt eingekesselt zurück.

Siliziumatome wichtig

Auf der Oberfläche werden weitere Siliziumatome angesiedelt, die den verbleibenden Wasserstoff verdrängen. Damit sich ein perfektes Kristallgitter bildet, heizen die Forscher das Gebilde auf. Um eine Verbindung zum eingeschlossenen Phosphoratom herzustellen, applizieren die Wissenschaftler jetzt zwei Kontakte aus Palladium auf der Oberfläche. Es wird erhitzt, sodass es in die Gitterstruktur eindringt. Es bildet gemeinsam mit den Phosphoratomen rechts und links vom eingeschlossenen Teilchen eine elektrische Verbindung von der Oberfläche zum Transistor.

"Die Herstellung von Transistoren aus einem einzigen Atom ist ein schwieriger Prozess, an dem sich manch einer die Zähne ausbeißen dürfte. Aber wir haben die einzelnen Schritte so ausgelegt, dass andere Forscher sie nachvollziehen können", erklärt NIST-Forscher Curt Richter. Die Funktion der so hergestellten Transistoren basiert auf dem Tunneleffekt, der in der Quantenmechanik, nicht aber in der klassischen Physik vorkommt. Er beschreibt das Phänomen, dass ein Elektron eine Potenzialbarriere, also eine elektrische Spannung, auch dann überspringen kann, wenn seine Energie dazu eigentlich gar nicht reicht.

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