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Mit Wasserstoff schalten

27.10.1997 - (idw) Ruhr-Universität Bochum

Bochum, 27.10.1997 Nr. 203

Über den ,smarten Einsatz" von Wasserstoff Vom optischen und magnetischen Umschalten EU fördert internationales Projekt an der Ruhr-Universität

Spektakulär, aber auch gefährlich erwies sich Wasserstoff als Auftriebshilfe in der Luftfahrt. Wenig Aufsehen dagegen erregte die Nutzung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen, da Benzin als Energielieferant wirtschaftlicher war. Jetzt bahnt sich eine neue, ,smarte" Verwendung von Wasserstoff an: als Medium zum raffinierten Umschalten optischer, magnetischer oder supraleitender Eigenschaften. Hauchdünne Metallschichten können heute mit Hilfe niedriger ,Umschaltdrücke" viel oder wenig Wasserstoff speichern, was sie beispielsweise transparent oder undurchsichtig sein läßt. Zu diesem Forschungsbereich hat die Europäische Kommission ein TMR-Projekt (Training and Mobility of Researchers) unter der Koordination des Amsterdamer Physikers Prof. Dr. Ronald Griessen bewilligt, an dem auch die RUB unter der Leitung von Prof. Dr. Hartmut Zabel (Institut für Experimentalphysik/Festkörperphysik., Fakultät für Physik und Astronomie der RUB) beteiligt ist. Darüber hinaus gehören auch die Universitäten Göttingen, Braunschweig, Oxford und Upsala dem Projekt an. Die Teilnahme der Firma Philips (Eindhoven) am Projekt verdeutlicht die Anwendungsrelevanz.

Grundlagenforschung teuer

Grundlagenforschung in der Physik ist sehr kapitalintensiv. Bochum bot sich auch deshalb zu diesem TMR-Projekt an, weil hier einschlägige Anlagen vorhanden sind: So besitzt die RUB eine Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von Schichten mit einkristallinem Wachstum, die auch die anderen Universitäten des Projekts versorgt. Und die RUB unterhält ein eigenes Neutronenreflektrometer in Grenoble am Institut Laue-Langevin, der weltweit besten Quelle für thermische Neutronen. Für das TMR-Projekt werden Neutronen genutzt, um magnetische Zustände bei der Aufnahme von von Wasserstoff in den Metallschichten zu analysieren. Das europäische Vorhaben fördert jeweils ausländische Postdoktoranden im Gastland. Für die RUB belaufen sich die Personalmittel auf 300.000,_DM.

Erfolge der Dünnschicht- und Vakuumtechnologie

Erst Ultrahochvakuum-Bedingungen mit Drücken von 10 hoch-9 millibar (mb) (eine billionstel Atmosphäre) ermöglichen es, auf einem Trägermaterial wie Glas, homogene Metallschichten einer genau definierten, minimalen Schichtdicke aufzudampfen. Um den optischen Umschalteffekt zu erzeugen, wird etwa der folgende Sandwich-Aufbau benötigt: Auf eine Glasplatte wird zunächst eine Yttrium-Schicht aufgebracht, die als eigentlicher Wasserstoffspeicher dienen soll. Darüber wird eine dünne Palladium-Schicht gelegt, die neben der Oxidationsverhütung die Aufgabe hat, als Filter allein den Wasserstoff durchzulassen, diesen - normalerweise molekularen -Wasserstoff in einzelne Atome zu zerlegen und dann weiterzuleiten an die darunterliegende Yttrium-Lage.

Das "privacy-window"

Ein mögliches ,privacy-window" ließe sich nun so konstruieren: In einem Vakuum, eingeschlossen in einem Doppelscheibenfenster, befindet sich die metallbedampfte Glasscheibe. In dieses Vakuum wird Wasserstoff eingeleitet, der bei geringen Drücken von 1 - 10 mb das Umschalten bewirkt: Ist das Ytrium aufgrund des höheren Drucks mit Wasserstoff beladen, so ist die bedampfte Scheibe transparent; liegt dagegen ein niedrigerer Wasserstoffdruck an, so wird die Scheibe intransparent und metallisch reflektierend.

Massenanwendung: Computerleseknöpfe

Je kleiner die magnetischen Speichereinheiten in Computern werden, desto größere Anforderungen müssen die Leseköpfe erfüllen, mit denen man die gespeicherte Information zurückgewinnen möchte. Bisher erkennt der Lesekopf den magnetischen Zustand ( 0 oder 1 ) der Speichereinheit mit Hilfe einer Induktionsspule. Damit auch die Leseköpfe schrumpfen können, bietet sich als platzsparende Technik ein Magnetfeldsensor an. Dieser besteht z.B. aus einem extrem dünnen dreischichtigen `Sandwich' Eisen / Niob / Eisen, das je nach Wasserstoff-Beladung in der Niob-Schicht seine Polarität in den beiden Eisenschichten ändert. Wird die Polarität in den Eisenschichten entgegengesetzt `geschaltet', so hat das Schichtpaket einen hohen elektrischen Widerstand: In diesem Zustand reagiert es sehr empfindlich auf Magnetfelder, und dies befähigt den winzigen Sensor, den Zustand der Informationsspeicher festzustellen.

Temperaturschalter bei Supraleitern

Niob ist ein Supraleiter: Unterhalb von -264 Grad Celsius verliert Niob seinen elektrischen Widerstand. Mit Hilfe von Wasserstoff gelingt es nun, diese Übergangstemperatur zu senken: In einem Dreischicht-Paket, diesmal Niob / Eisen / Niob, laufen dabei quantenphysikalische Prozesse ab, an denen sich grundlegende Probleme der Festkörperphysik studieren lassen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Hartmut Zabel, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Physik und Astronomie, Institut für Experimentalphysik, 44780 Bochum, Tel. 0234/700-3649, Fax: 0234/7094-173, E-Mail: Hartmut.Zabel@ruhr-uni-bochum.de


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