Sensoren für die wachsende Wasserstoffwirtschaft
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) feiert 2021 ihren 150. Geburtstag. Bereits 1894 widmete sie sich in einer Untersuchung der Sicherheit von Wasserstoffspeichern. Mit diesem Blick in die Vergangenheit zeigte Carlo Tiebe von der BAM auf dem Berlin Brandenburger Optik-Tag 2021, dass Wasserstoff schon lange ein Thema ist. Am 29. November wurde bei der Veranstaltung der beiden länderübergreifenden Cluster Energietechnik sowie Optik und Photonik ein Bogen geschlagen von gestern zu morgen, von der Wissenschaft zur Industrie und von der Technik zu den Anwendungen. Nicht zuletzt ging es um die Frage, welche positive Rolle Wasserstoff für die wirtschaftliche Entwicklung in Berlin und Brandenburg zukünftig einnehmen wird.
Trotz einer kurzfristigen Verschiebung der Veranstaltung in den virtuellen Raum, schaltete sich Brandenburgs Minister für Wirtschaft, Arbeit und Energie, Jörg Steinbach, für sein Grußwort live aus den Räumlichkeiten des iCampµs Cottbus zu, der später auf der Veranstaltung noch ausführlich vorgestellt wurde. Steinbach betonte, dass für ihn Wasserstoff ein Kernelement der Energiewende sowie ein zentrales Thema für die Region und seine politische Arbeit sei.
Der Berliner Staatssekretär für Wirtschaft, Energie und Betriebe, Christian Rickerts beschrieb in seinem Grußwort, dass er moderne optische Technologien als Impulsgeberinnen wahrnehme und wie sehr er auf einen wachsenden Markt für Sensorik und Wasserstoff in der Region setze.
Wirtschaftsförderung: Wir vernetzen!
Anne Techen, Clustermanagerin Optik und Photonik bei der Wirtschaftsförderung Brandenburg (WFBB) und eine der beiden Moderatorinnen der Veranstaltung, weiß aus ihrer Arbeit wie erfolgreich die Region in der Sensorik ist. Sie schilderte ihren Wunsch, der zugleich ein Motiv für die Veranstaltung war, dass die Potenziale in der Wasserstoffwirtschaft noch stärker gehoben würden. Dazu könne die Sensorik viel beitragen. Genau dafür würden heute Expertinnen und Experten aus beiden Bereichen zusammengebracht, erläuterte die zweite Moderatorin, Katharina Witte, Projektmanagerin Innovation des Clusters Optik und Photonik bei Berlin Partner.
Der iCampµs in Cottbus: Technologien und Anwendungen rund um Elektronik und Mikrosensorik
Harald Schenk, Professor an der BTU Cottbus-Senftenberg und Direktor des Fraunhofer IPMS, entführte die Teilnehmenden virtuell auf den iCampµs, den Innovationscampus Elektronik und Mikrosensorik Cottbus. Seit 2019 gibt es diese Kooperation für Forschung, Entwicklung und Transfer. Der Innovationscampus ist ein Projekt von fünf wissenschaftlichen Partnern: zwei Leibniz-Institute, zwei Fraunhofer-Institute und die BTU Cottbus Senftenberg.
Ab Januar 2022 tritt der breite Verbund in eine neue Phase. Dank einer fünfjährigen Förderung will man das Projekt ausbauen und verstetigen. Schenk erläuterte, dass er den Strukturwandel in der Lausitz als enorme Herausforderung empfinde, von der er glaube, dass sie nur mit Innovationsstärke aus der Region selbst zu bewältigen sei. Der iCampµs will seinen Beitrag dazu leisten, in dem er zum regionalen „Sensorik-Hub“ wird und wissenschaftliche Erkenntnisse in die lokale Wirtschaft transferiert. In den nächsten fünf Jahren werden Technologieplattformen und Anwendungslösungen entwickelt, zum Beispiel für Smart Health, Umweltsensorik und Industrie 4.0.
Forschen über Materialien und Bauteile
Die Leistungselektronik benötigt leistungsfähige Materialien. Über die entsprechende Grundlagenforschung berichtete Thomas Schröder, Direktor des Berliner Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ). Schröder stellte dar, dass kristalline Materialien die technologische Basis für die Lösung vieler aktueller Herausforderungen in den Bereichen künstliche Intelligenz, Energie und Gesundheit sind. Noch wird meistens Silizium in der Leistungselektronik eingesetzt, die Zukunft wird auch innovativen Materialien wie Aluminiumnitrid und Galliumoxid gehören, aus seiner Sicht Materialien mit Potenzial – auch für die Lausitz. An all diesen Materialien forscht das IKZ. Es arbeitet dabei mit großen Unternehmen wie Siltronic oder Freiberger Compound Materials zusammen, aber auch mit lokalen Start-ups.
Joachim Würfl, Abteilungsleiter beim Berliner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), verantwortet die Entwicklung und Erforschung von Wide-bandgap Leistungstransistoren am FBH. Würfl sprach darüber, wie man elektrische Energie effizient konvertiert, um sie in eine Form zu bringen, die für die Verbraucher geeignet ist. Vorne sind hier Wide Bandgap (WBG) Halbleiter, die durch ihre kompakte Bauweise weitaus effizienter sind als Halbleiter auf Silizium-Basis, die aber auch neue Materialien benötigen. Derartige Materialien wie beispielsweise Galliumoxid aus dem IKZ und Aluminiumnitrid aus verschiedenen Quellen werden am FBH bereits für Leistungsanwendungen erforscht. Die bereits von Thomas Schröder erwähnten Aluminiumnitride wären längerfristig optimal, so Würfl, im Moment stünden aber noch Galliumnitride im Fokus. Um WBG Bauelemente effizient einzusetzen, müssten die Schaltungen adaptiert und auf die neuen Materialien hin optimiert werden.
Robuste Drucksensorik für Wasserstoffanwendungen
Seit 2012 entwickelt Prignitz Mikrosystemtechnik Drucksensoren, die für Wasserstoff geeignet sind, berichtete Hartmut Stoltenberg, zuständig für die Technologieentwicklung im Unternehmen. Es brauche Zeit und gute Partner aus der Wissenschaft, im Fall des Unternehmens das Fraunhofer IKTS, das Fraunhofer IPMS und das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik, um technologische Fragen zu lösen. Denn die Sensoren müssten die speziellen Eigenschaften von Wasserstoff berücksichtigen. Stoltenberg stellte detailliert verschiedene Drucksensoren, die das Unternehmen anbietet, mit ihren Materialien und Eigenschaften vor.
Film: Hightech für die Wasserstoffsensorik aus der Prignitz
Intelligente Sensoren für Sicherheit in Wasserstofftechnologien
Der eingangs erwähnte Carlo Tiebe von der BAM berichtete nicht nur über Studien aus den ersten Jahrzehnten des Instituts, sondern vor allem über aktuelle Ansätze mechanischer sowie chemischer Analysen und zerstörungsfreien Prüfungen rund um die Sicherheit von Wasserstofftechnologien, mit denen sich die Bundesanstalt in ihrem Kompetenzzentrum „H2Safety@BAM für Wasserstoff“ beschäftigt. Hier geht es um alle Aspekte einer künftigen Wasserstoffwirtschaft, z.B. um die Explosionsgefahr von Wasserstoffspeichern. Intelligente Sensoren und Sensorsysteme messen Zustandsgrößen wie Druck und Temperatur, überwachen Grenzwerte, zeigen Strukturveränderungen an und finden Leckagen. Die BAM untersucht die Eigenschaften der Sensoren und bewertet sie für den Einsatz.
Sensoren zur Früherkennung von Waldbränden
Sicherheit ist auch das Thema von Carsten Brinkschulte, Geschäftsführer des Start-ups Dryad und mit dem Unternehmen Gewinner des Innovationspreises Berlin-Brandenburg 2021. Doch bei ihm geht es um die Sicherheit der Wälder – mit weitreichenden Konsequenzen. Waldbrände trieben den Klimawandel voran, erläuterte Brinkschulte, sie seien für 20 Prozent aller CO2-Emissionen verantwortlich. Mit solarbetriebenen, KI-gestützten Sensoren, die direkt im Wald installiert werden und autark arbeiten, will Dryad Schwelbrände in den ersten sechzig Minuten entdecken und damit drastisch die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sie schnell gelöscht werden können. Auch die dazu gehörende Kommunikationsinfrastruktur entwickelt das in Eberswalde ansässige Unternehmen. Zukünftig will man auch andere Umweltdaten erfassen.
Wasserstoff-Pipelines aus der Luft überwachen
Wir verlassen den Wald, steigen in einen Helikopter und überfliegen in rund 100 bis 150 Metern eine Gaspipeline. Dank eines Lasersystems können selbst kleine Lecks in der Pipeline entdeckt werden, und je früher dies geschieht, desto geringer sind die Risiken und desto preiswerter wird die Reparatur. All dies sei schon Realität, berichtete Matthias Ulbricht, Geschäftsführer von Adlares, die ein solches System entwickelt und für viele Kunden im Einsatz haben, aktuell jedoch nur für Erdgaspipelines. Nun will das Unternehmen, das seinen Sitz in Teltow hat, das System für Wasserstoffpipelines anpassen. Adlares ist dafür Partner im vom BMBF geförderten Wasserstoffleitprojekt mit dem Namen TRANSHYDE, das gerade gestartet ist. Die Entwicklungen für das luftgestützte Wasserstoff-Ferndetektionssystem werden in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Universität Potsdam und der Open Grid Europe GmbH durchgeführt.
Sicherheit und politische Rahmenbedingungen
In Sachsen ist das Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik Meinsberg e.V. ansässig. Der Themenleiter Hochtemperatur-Gassensorik, Dr. Jens Zosel, stellte Ergebnisse aus dem Verbundvorhaben HyProS vor, in dem unter der Leitung von Prof. Michael Mertigneue Sensoren für die Anwendungssicherheit und die Beurteilung der Qualität von Grünem Wasserstoff von 12 Partnern aus Industrie und Forschung entwickelt wurden. Dr. Zosel begründete die Notwendigkeit einer solchen Forschung u.a. mit spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff als Energieträger, der sich bei Austritt an Luft leicht selbst entzündet und dann mit unsichtbarer Flamme brennt. Durch diese Eigenschaften können auch kleinere Wasserstoff-Lecks gefährlich werden, was bei der Erstellung von Sicherheitskonzepten für entsprechende Anlagen berücksichtigt werden muss.
Der letzte Impuls am Optik-Tag befasste sich mit dem rechtspolitischen Rahmen der Wasserstoffwirtschaft. Simon Schäfer-Stradowsky, Geschäftsführer vom IKEM Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität, berichtete vom aktuellen Stand der politischen Debatte, bei der es unter anderem darum geht, wie „Grüner Wasserstoff“ definiert wird und wie die Sicherheit verbessert werden kann. Er führte an, dass nach aktuellem Wissensstand ein Viertel der wasserstoffbedingten Unfälle durch bessere Schulung und Ausbildung verhindert werden könnten.
Kooperationsplattform entsteht - Kontaktmöglichkeiten
Sollten Sie Kontakt zu einem der Referenten aufnehmen wollen, melden Sie sich gerne beim Clustermanagement Optik und Photonik, das Sie zudem bei der Partnersuche oder mit Beratung zu Fördermöglichkeiten unterstützt. Außerdem können Sie sich am Aufbau der Gruppe „Wasserstoffwirtschaft Berlin-Brandenburg“ auf der neuen Kooperationsplattform Brandenburg (KoopBB) beteiligen. Nutzen Sie die Gruppe um sich auszutauschen, Projektkonsortien zu finden, Informationen zu teilen und eigene Veranstaltungen zu bewerben.
Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff sind auf der Webseite des Clusters Energietechnik Berlin-Brandenburg zu finden.
Beteiligte Unternehmen / Forschungseinrichtung
Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. Diese sind Schlüsselbausteine für Innovationen in den gesellschaftlichen Bedarfsfeldern Kommunikation, Energie, Gesundheit und Mobilität. Leistungsstarke und hochbrillante Diodenlaser, UV-Leuchtdioden und hybride Lasersysteme entwickelt das Institut vom sichtbaren bis zum ultravioletten Spektralbereich. Die Anwendungsfelder reichen von der Medizintechnik, Präzisions-messtechnik und Sensorik bis hin zur optischen Satellitenkommunikation. In der Mikrowellentechnik realisiert das FBH hocheffiziente, multifunktionale Verstärker und Schaltungen, unter anderem für energieeffiziente Mobilfunksysteme und Komponenten zur Erhöhung der Kfz-Fahrsicherheit. Kompakte atmosphärische Mikrowellenplasmaquellen werden u. a. für medizinische Anwendungen oder zur Oberflächenbeschichtung entwickelt.
Das FBH ist ein international anerkanntes Zentrum für III/V-Verbindungshalbleiter mit allen Kompetenzen: vom Entwurf, über die Fertigung bis hin zur Charakterisierung von Bauelementen.
Seine Forschungsergebnisse setzt das FBH in enger Zusammenarbeit mit der Industrie um und transferiert innovative Produktideen und Technologien erfolgreich durch Spin-offs. In strategischen Partnerschaften mit der Industrie sichert es in der Höchstfrequenztechnik die technologische Kompetenz Deutschlands.
Für Partner aus Forschung und Industrie entwickelt das FBH hochwertige Produkte und Services, die exakt auf individuelle Anforderungen zugeschnitten sind. Seinem inter-nationalen Kundenstamm bietet es Know-how und Komplettlösungen aus einer Hand: vom Entwurf bis zum lieferfähigen Modul.
Forschungsthemen & Kompetenzbereiche:
- Diodenlaser
- Galliumnitrid-Optoelektronik
- Mikrowellenkomponenten & -systeme
- Galliumnitrid-Elektronik
- Material- und Prozesstechnologie
Das Fraunhofer IPMS mit Sitz in Dresden und einer Projektgruppe in Cottbus ist Forschungs- und Servicepartner auf dem Gebiet der Sensoren und Aktoren, ASICs, Mikrosysteme (MEMS/MOEMS), drahtlosen Datenübertragung, Industrie 4.0 Lösungen sowie Nanoelektronik.
Das IPMS fokussiert sich mit seinen Dienstleistungen auf die Anwendungsbereiche Smart Industrial Solutions, Medical and Health Applications und Improved Quality of Living.
Das Institut besitzt in Dresden zwei Standorte mit jeweils eigenen Reinräumen für 150/200 mm und 300 mm Wafer und modernster Ausstattung für die Auftragserfüllung.
Als eines von gegenwärtig 67 eigenständigen Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., der europaweit führenden Organisation für industrienahe Forschung, arbeiten wir mit rund 300 Wissenschaftlern gemeinsam mit Industrieunternehmen, Dienstleistungsunternehmen und der öffentlichen Hand an Projekten zum direkten Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft.
Um den hohen Ansprüchen unserer Kunden zu genügen, ist das Fraunhofer IPMS für Forschung, Entwicklung und Fertigung photonischer Mikrosysteme, die entsprechenden Halbleiter- und Mikrosystemprozesse, integrierte Aktorik/Sensorik und Beratung von der DEKRA nach der Norm DIN EN 9001:2008 zertifiziert.
Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin-Adlershof ist ein internationales Kompetenz-Zentrum für Wissenschaft & Technologie sowie Service & Transfer im Bereich kristalliner Materialien. Das F&E-Spektrum reicht dabei von Themen der Grundlagen- und Anwendungsforschung bis hin zu vorindustriellen Forschungsaufgaben.
Kristalline Materialien sind technologische Schlüsselkomponenten zur Realisierung von elektronischen und photonischen Lösungen für gesellschaftliche Herausforderungen. Hierzu gehören künstliche Intelligenz (Kommunikation, Sensorik etc.), Energie (erneuerbare Energien, Energiewandlung etc.) und Gesundheit (medizinische Diagnostik, moderne chirurgische Operationsanlagen etc.).
Das IKZ erarbeitet Innovationen in kristallinen Materialien durch eine kombinierte Expertise im Haus, bestehend aus Anlagenbau, numerischer Simulation und Kristallzüchtung zur Erzielung kristalliner Materialien höchster Qualität und mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Die Forschung an Volumenkristallen stellt das Alleinstellungsmerkmal des Hauses dar. Diese Arbeiten werden begleitet durch F&E an Nanostrukturen und dünnen Filmen. Eine starke theoretische und experimentelle Materialforschung ist ein weiterer Vorzug des IKZ.
Zusammen mit Partnern aus Instituten mit angegliederten Technologie-Plattformen sowie Industrieunternehmen treibt das Institut künftig auch verstärkt Innovationen durch kristalline Materialien voran. Diese umfassen die zuverlässige Evaluierung und Bewertung innovativer kristalliner Prototypen-Materialien für disruptive Technologieansätze.
Mikroaktoren und -sensoren sind die Basis für miniaturisierte, intelligente und vernetzte Systeme. Seit 2012 wird in der Projektgruppe „Mesoskopische Aktoren und Systeme“ MESYS des Fraunhofer-Instituts für photonische Mikrosysteme IPMS in Zusammenarbeit mit der Brandenburgischen Technischen Universität BTU Cottbus-Senftenberg eine völlig neue Art von leistungsfähigen Aktoren entwickelt und erprobt.
Mithilfe elektrostatischer Aktoren werden Platten oder Balken bewegt und zur Ablenkung von Lichtstrahlen, zur Bewegung von Flüssigkeiten oder zur Erzeugung von Ultraschall genutzt. Ziel der Forscher ist es, fundamentale Auslenkungen nur in Verbindung mit großen Aktor-Abmessungen und hohem Energieverbrauch realisierbar sind. Die Forscher entwickelten durch ein geeignetes Hebelprinzip eine neue Klasse elektrostatischer Biegeaktoren mit extrem kompaktem Design bei gleichzeitig großen Auslenkungen ohne Hysterese. Diese neuen Aktoren werden mit konventionellen Silizium-Herstellungsverfahren gefertigt, sind direkt in Halbleiterbauelemente und CMOS-Schaltkreise integrierbar und besitzen damit das Potential für eine kostengünstige Volumenfertigung.
Durch die Leistungsfähigkeit und den hohen Miniaturisierungsgrad der patentierten Aktor-Technologie eröffnen sich völlig neue Einsatzgebiete und Designmöglichkeiten. Anwendungen im Bereich der Optik sind beispielsweise hochpräzise Positionierantriebe von Mikrokippspiegeln oder Linsensystemen zur Laserstrahlauslenkung, in Piko-Projektoren, 3D-Endoskopen oder mikroskopischen Anwendungen. Auch als optische Schalter oder für die hochgenaue Positionierung von Lichtwellenleitern bieten sich die neuen Aktoren an. Neben der Optik ist eine Vielzahl weiterer Anwendungen im Fokus von MESYS: In der Medizintechnik als Mikropumpen und -ventile in Mikrofluidiksystemen oder implantierbaren Insulinpumpen oder auch als miniaturisierte Lautsprecher für Hörgeräte, Smartphones und Wearables, die im Gegensatz zu bestehenden mikromechanischen Lautsprechern Bässe sehr gut wiedergeben und gleichzeitig ein äußerst kompaktes Design bieten.
