Super-Solarzellen sollen die Welt versorgen (Symbolbild: CC0 Public Domain)

Lösung nach 15 Jahren

Ein großer Teil der energetisch angeregten Elektronen, die die Lichtteilchen (Photonen) aus dem Halbleitermaterial befreien, fließt nicht als Strom zum angeschlossenen Verbraucher, sondern rekombiniert, vereinigt sich also mit ihren Gegenpolen, den Löchern. Dabei wird Wärme frei, die den Wirkungsgrad noch einmal verringert, jedenfalls bei Siliziumzellen. Die Rekombination findet genau in der Schicht statt, in der die Elektronen angeregt werden, dem sogenannten Absorber, der die Lichtteilchen "schluckt".

Hot Carrier nennt die Forschung diese für die Stromerzeugung verlorenen Elektronen, also Wärmetransporteure. "Obwohl Hot-Carrier-Solarzellen seit 15 Jahren Gegenstand der Forschung sind, ist es noch niemandem gelungen, eine praktisch nutzbare Lösung für dieses Problem zu finden", sagt Ian Sellers vom Institut für Physik und Astronomie der Hochschule. Es habe lediglich Machbarkeitsstudien mit unrealistische Randbedingungen oder mit Materialien gegeben, die für den Bau von Solarzellen nicht infrage kämen.

Elektronen fließen schneller ab

Sellers' Team ist es gelungen, die Rekombination, die binnen kürzester Zeit stattfindet, teils zu verhindern. Es experimentierte nicht mit Siliziumzellen, sondern mit III-V-Halbleitern. Diese nutzen Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems. In diesem Fall ist es eine Kombizelle aus Indium-Gallium-Arsenid und Aluminium-Indium-Arsenid mit einem speziellen Aufbau, der die Potenzialunterschiede zwischen den einzelnen Schichten verändert. Das sorgt dafür, dass die Elektronen so schnell aus dem Absorber abfließen, dass viele gar keine Zeit haben, sich mit den Löchern zu vereinigen.

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Pham Quang Cuong (links) und Roboter "Archimedes" (Foto: eurekarobotics.com)

Kontrolle auf KI-Basis

Der feinfühlige Roboter wurde vom gleichen Team entwickelt, das vor rund einem Jahr einen Roboter vorgestellt hat, der innerhalb von neun Minuten einen IKEA-Stuhl zusammenbauen konnte (pressetext berichtete: http://pte.com/news/20190118012 ). Archimedes könnte ein Segen für die Industrie werden, die Kameras, Smartphones, Brillen und medizinische Geräte herstellt. Den ersten Archimedes hat sich ein US-amerikanischer Hersteller von Laseroptiken gesichert.

Denn sein Einsatz verhindert laut den Experten Fehler in der Produktion und steigert die Produktivität. Sein Arm bewegt sich in sechs Achsen. Kontrolliert wird er von einem Algorithmus, der auf Künstlicher Intelligenz (KI) basiert. Er steuert die Bewegung auf Bruchteile eines Millimeters genau und auch die Kraft, mit der der die Finger zugreifen. Sie seien ebenso geschickt und feinfühlig wie die eines Menschen, sagt NTU-Professor Pham Quang Cuong.

Hochpräzise und feinfühlig

Laut Pham unterscheidet sich der Roboter von denen, die heute in der Industrie eingesetzt werden. Diese seien entweder hochpräzise, aber ungeschickt und grob im Umgang mit Produkten, oder sie seien feinfühlig, aber wenig präzise. "High Accuracy - High Agility" (HA-HA) nennen die Entwickler ihr Konzept - hoch präzise, äußerst feinfühlig.

HA-HA setzten die Forscher erstmals bei dem Roboter um, der einen Stuhl zusammenbauen konnte. Er war mit einer 3D-Kamera ausgestattet und zwei Armen, an denen sich Greifer befanden. Diese packten die Teile des Stuhls und steckten sie millimetergenau in die vorgesehenen Bohrungen. Archimedes ist noch viel genauer. Die Greifer agieren mit dem Zartgefühl der menschlichen Hand. "Hier haben wir das Mikrometer-Niveau erreicht. Das ermöglicht unser Kontroll-Algorithmus", verdeutlicht Pham abschließend.

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Malware: Sie ist oft in JavaScript-Code versteckt (Foto: pixabay.de, Elchinator)

Kein Eingriff in den Code

"Wenn man die meisten Webseiten besucht, beginnt der Browser in der Regel sofort damit, die JavaScript-Programme der betreffenden Seite zu starten. Und man selbst hat wenig bis gar keine Ahnung, was diese Anwendungen eigentlich tun", so Alexandros Kapravelos, Assistant Professor für Computerwissenschaften an der NCSU. Oft handle es sich um böswillige Schädlinge. "JavaScript ist eine weitverbreitete Programmiersprache, die heute einen Teil der Lebensalltags der User darstellt. Deshalb wird sie von Cyber-Kriminellen auch gerne missbraucht, um Webseiten zu infizieren", erklärt der Forscher.

Gängige Sicherheitssysteme, die solche Malware-Attacken aufspüren sollen, hätten ein gravierendes Problem. "Sie alle müssen Veränderungen am Java-Script-Code vornehmen, um zu sehen, wie dieser Code ausgeführt wird. Diese Methode lässt sich aber sehr leicht entdecken, was es den Programmen ermöglicht, ihr Verhalten zu ändern, um nicht als schädlich entlarvt zu werden", erläutert Kapravelos. Bei VisibleV8 sei hingegen keinerlei Eingriff in den Code mehr notwendig. "Das macht es viel schwieriger, um herauszufinden, dass eine Prüfung stattfindet", unterstreicht der NCSU-Experte.

Hilfe für Sicherheitsforscher

Das Open-Source-Tool, das im Moment lediglich für Google Chrome verfügbar ist, läuft vollständig im Browser und überwacht dort jegliche JavaScript-Aktivitäten. Die im Zuge der Prüfung gesammelten Daten werden pro Seite in spezifischen Verhaltensprofilen abgespeichert. Diese können in weiterer Folge von Sicherheitsforschern genutzt werden, um sowohl schädliche Webseiten aufzuspüren als auch einen besseren Einblick in die verschiedenen Arten zu erhalten, wie JavaScript zur Verbreitung von Malware und zum Klau von sensiblen User-Daten eingesetzt wird.

Da VisibleV8 selbst nur aus 600 Zeilen Code besteht, lässt sich das Software-Tool laut seinen Entwicklern auch sehr leicht updaten, um den immer neuen Tricks von Cyber-Kriminellen zu begegnen. "Das ist auch deshalb sehr wichtig, weil der Code von Chrome schätzungsweise alle sechs Wochen aktualisiert wird. Das Tool schadet dadurch außerdem nicht der Browser-Performance", meint Kapravelos.

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Katalysator für nachhaltiges Methanol entwickelt (Foto: Matthias Frei, ethz.ch)

Indiumoxid als Basis

Kern des neuen Ansatzes ist ein chemischer Kat auf Indiumoxid-Basis. So konnte die Aktivität des Kat markant erhöht werden, ohne dessen Selektivität und Stabilität zu beeinträchtigen. Die Forscher haben dem Indiumoxid eine geringe Menge Palladium beigemischt. "Genauer gesagt, führen wir einzelne Palladium-Atome ins Kristallgitter des Indiumoxids ein, welche weitere Palladium-Atome an dessen Oberfläche verankern und damit Cluster bilden, welche wichtig sind für die Leistung des Katalysators", unterstreicht ETHZ-Mitarbeiterin Cecilia Mondelli.

"Mit unserer Technik benutzen wir CO2 zur Herstellung von Methanol", ergänzt ETHZ-Projektleiter Javier Pérez-Ramírez. Dieses CO2 lasse sich aus der Luft gewinnen - was einfacher und effizienter sei - oder aus der Abluft von Verbrennungskraftwerken. Auch wenn aus dem Methanol Treibstoffe synthetisiert werden, die man später verbrennt, wird das CO2 rezykliert und der Kohlenstoffkreislauf damit geschlossen, stellt Pérez-Ramírez klar.

Gemeinsames Patent

Zur Herstellung des zweiten Ausgangsstoffs, Wasserstoff, wird Elektrizität benötigt. Stamme diese aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne oder Wasserkraft, ließen sich damit nachhaltiges Methanol und somit nachhaltige Chemikalien und Flüssigtreibstoffe herstellen, wie die Wissenschaftler betonen. Gegenüber anderen Ansätzen habe die neue Methode den Vorteil, dass sie nah an der Marktreife liege. Ein gemeinsames Patent wurde bereits angemeldet. Total plant, die Methode hochzuskalieren und sie möglicherweise in den kommenden Jahren in einer Demonstrationsanlage umzusetzen.

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