HOME

Deutscher Zukunftspreis: Superchip contra Leuchtdiode

Vier Projekte konkurrieren um den Deutschen Zukunftspreis, der am 6. Dezember von Bundespräsident Horst Köhler verliehen wird. stern.de stellt sie vor.

Superchips für Handys und Computer, hellere Leuchtdioden, Hochleistungs-Akkus für Elektroautos und eine molekulare Rasterfahndung nach neuen Medikamenten: Vier Projekte konkurrieren um den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten. Am 6. Dezember wird Horst Köhler in Berlin den diesjährigen Träger der mit 250.000 Euro dotierten Auszeichnung küren. Aus 23 Vorschlägen waren 4 Teams ins Rennen gegangen. Wie in den Vorjahren hat die Jury auch in diesem Jahr Verfahren nominiert, die sich in der Praxis gut anwenden lassen. Wir stellen die vier Projekte vor.

Starke Batterien für Elektroautos

Die Nano-Membran fühlt sich an wie besonders weiches Papier und rollt in der Fabrik in Marl von Walzen, wie sie auch in Zeitungsdruckereien stehen. Doch hinter dem Material stecken Jahre harter Entwicklungsarbeit und rund 50 Millionen Euro Investitionen: Der Essener Evonik-Konzern und Forscher der Universität Duisburg- Essen wollen damit die bisher nur in Handys und Laptops verwendeten, besonders leistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterien autotauglich machen. Wenn das klappt, lockt ein Milliardengeschäft. Evonik verhandelt bereits mit fast allen Autoherstellern. 2009 oder 2010 sollen die ersten Autos mit solchen Antriebsbatterien kommen.

In jeder Batterie sind Plus- und Minuspol voneinander getrennt - sonst gäbe es einen Kurzschluss. Die bisher in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kunststoff-Trennfolien schmelzen aber von 140 Grad Celsius an, wie der Evonik-Forscher Gerhard Hörpel erklärt. Für Autobatterien mit ihrem hohen Energievorrat ist das aus Sicherheitsgründen nicht akzeptabel. Hörpels 40-köpfiges Evonik-Team und die Gruppe des Duisburger Professors Paul Roth haben deshalb Folien mit winzigen Keramikpartikeln verklebt. Sie sind nur halb so dick wie ein Haar, die Trennfolien bleiben weich, halten aber dank der Beschichtung Temperaturen bis 500 Grad stand. Das hat sich das Unternehmen mit 25 Patenten schützen lassen.

Für 300 Kilometer reicht eine Batterieladung

Hörpel ist überzeugt, dass Elektroautos mit den leistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterien eine große Zukunft haben. Lithium, das mit Soda zusammen vor allem in Mexiko und Südamerika abgebaut wird, sei ausreichend vorhanden. Im Schnitt führen die Deutschen nach Untersuchungen täglich nur einen mittleren Radius von 32 Kilometern mit dem Auto - kein Problem für Batterien. "Mit unseren Batterien schaffen Sie schon jetzt 250 bis 300 Kilometer Reichweite." Und der Energieverbrauch lasse sich mit Elektroantrieb um bis zu 30 Prozent verringern. Das testet Evonik derzeit mit einem Honda mit Elektro- und Benzinmotor, der bereits 41.000 Kilometer auf dem Zähler hat.

Langfristig sehen die Forscher noch viel weitgehendere Einsatzmöglichkeiten für die High-Tech-Batterie: Als Speicher für regenerativ erzeugten Strom und - sicherlich schon deutlich eher --als Energiequelle für größere Haushaltsgeräte wie Staubsauger. Dann würde das mühsame Umfahren und Umstecken des Stromkabels beim Saugen überflüssig.

Leuchtdioden mit mehr Strahlkraft

Den ganzen grauen Winter lang das Licht eines hellen Sommertags im Büro, Bilder in natürlichen Farben von Projektoren im Handtaschen-Format und eine Beleuchtung, die bis zu elf Jahre Dauerbetrieb durchhält. Diese strahlende Zukunft versprechen neue leistungsstarke Leuchtdioden (LED). Dank eines neuen Verfahrens leuchten sie mittlerweile rund fünfmal so stark wie ihre LED-Vorgänger. Der entscheidende Entwicklungsschritt gelang Forschern des Regensburger Unternehmens Osram Opto Semiconductors und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena.

Viel Licht hatten die Halbleiter schon immer in sich, doch bislang gelangte nur ein Bruchteil nach außen. "Der größte Teil des erzeugten Lichtes wird intern zurück reflektiert und kann den Chip nicht verlassen", berichtet der Osram-Physiker Klaus Streubel von der Ausgangssituation der Forschungen seines Teams vor acht Jahren. Die Tüftler überlisteten die LEDs mit einer integrierten Metallschicht, die wie ein Spiegel das im Inneren des Chips "herumgeisternde" Licht auffängt und zur Oberseite bringt.

Die besondere Leistung der Forscher liegt dabei in dem Prozess, die dünne Metallschicht in den Chip zu bekommen. "Das war mit den damals bekannten Verfahren nicht möglich", sagt Streubel. Im Jahr 2002 produzierte Osram die ersten roten Dünnfilm-Chips, später kamen unter anderem blaue dazu, die Grundlage für weißes Licht.

"Absolut gesättigte Farben"

Streubel glaubt an die Durchsetzungskraft der neuen Leuchtdioden. "Bei allem was farbig leuchtet, haben wir unschlagbare Vorteile", sagt er. Die bis zu zwei Quadratmillimeter großen Chips leuchten direkt in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtquellen können sie das natürliche Licht und feinste Schattierungen darstellen. "Das ist beeindruckend, es sind absolut gesättigte Farben", schwärmt Streubel vom Nutzen der Erfindung bei Fernsehern und Miniprojektoren. Mit ihrer hohen Energie-Effizienz gelten die LED-Chips als klimaschonend. Im Gegensatz zu Glühbirnen müssen sie kaum ausgewechselt werden, sie fallen nicht komplett aus, sondern werden nur schwächer. Auf dem Weg zur Allgemeinbeleuchtung stehen aber noch einige Hindernisse im Weg, wie die derzeit noch hohen Herstellungskosten.

Hochleistungs-Computerchips

Wie im Silicon-Valley Deutschlands fühlen sich vermutlich die wenigsten Besucher der Ostalb. Doch hier - genauer in dem kleinen Örtchen Oberkochen - wurde in den vergangenen Jahren eine Technik entwickelt, mit der Computerchips noch leistungsfähiger werden können: die EUV- Lithographie.

Mit Hilfe der extrem kurzwelligen ultravioletten Strahlung (EUV) kann sich die Dichte, mit der elektronische Bauelemente auf einen Computerchip gepackt werden können, im Vergleich zu heute um mehr als das Zehnfache erhöhen. Seit mehr als zehn Jahren haben Entwickler und Ingenieure der Zeiss-Tochtergesellschaft Carl Zeiss SMT an dieser Technik geforscht und mehr als 100 Millionen Euro in ihre Arbeit investiert. "Der Schlüssel zur Chipherstellung liegt in der optischen Lithographie", sagt Peter Kürz, Sprecher des nominierten Projektteams. Das ganze ähnelt ein bisschen einer Diaprojektion: Die Strukturen des Chips sind auf einer Maske vorgezeichnet, die mit einer Lichtquelle ausgeleuchtet und durch ein Objektiv auf eine mit Fotolack beschichtete Siliziumscheibe (Wafer) projiziert wird. Durch die Entwicklung des belichteten Fotolackes und weitere Prozesse werden Strukturen im Wafer erzeugt. Schließlich entsteht ein dreidimensionales, elektronisches Gebilde aus Transistoren und Leiterbahnen: ein Mikroprozessor oder Speicherchip.

Nur 1,5 Millimeter Abweichung auf der Strecke Flensburg-München

"Um immer mehr Funktionen auf einen Chip zu integrieren, müssen immer kleinere Strukturen abgebildet werden", sagt Kürz. Hier setzt die EUV-Lithographie an, die wesentlich feinere Strukturen abbilden kann. Das Problem ist allerdings, dass es keine für die kurzwelligen EUV-Strahlen transparente Linsenmaterialien gibt. Die Lösung liegt daher laut Kürz in winzigen, komplexen Spiegeln, die aufgrund der hohen Anforderungen eine unvorstellbar glatte Oberfläche haben müssen. Zum Vergleich: Wenn der Spiegel so groß wie Deutschland wäre, dürfte er auf der Strecke Flensburg-München nur eine Unebenheit von maximal 1,5 Millimetern haben, beschreibt der Zeiss-Sprecher.

Eine weitere Hürde, die das Zeiss-Team meistern musste, ist die Stabilität der Spiegelposition. Er soll möglichst nicht verkippen, da das Licht dann in eine andere Richtung gelenkt wird. Um die Stabilitätsanforderungen zu erfüllen, entwickelte das Team völlig neue Konzepte. Würde ein Laserstrahl über einen der von Zeiss entwickelten EUV-Spiegel umgelenkt und auf den Mond gerichtet, dann hätte der Laserfleck auf dem Mond eine Positionsgenauigkeit von rund zehn Zentimetern . und das bei einem Abstand von etwa 400.000 Kilometern. Durch diese Entwicklung werde es möglich, noch leistungsfähigere Chips zu niedrigen Produktionskosten herzustellen, ist Kürz überzeugt. Für den Optikkonzern Carl Zeiss bedeutet die erfolgreiche Umsetzung der Technik nach eigenen Angaben auch einen wirtschaftlichen Erfolg. Erste Demonstrationssysteme sind bereits verkauft und weitere bestellt, heißt es. Der Konzern rechnet im kommenden Jahrzehnt mit einem jährlichen Umsatzpotenzial von mehr als einer Milliarde Euro.

Molekulare Rasterfahndung

Zehn bis fünfzehn Jahre Zeit und mehr als 500 Millionen Euro braucht es bisher durchschnittlich zur Entwicklung eines einzigen neuen Medikaments. Von anfänglich mehreren zehn- bis hunderttausend getesteten Wirkstoffen schaffen es gerade mal zehn bis zu Studien am Menschen: ein langwieriges und kostspieliges Verfahren. Eine an der Universität München entwickelte automatisierte Messmethode soll dazu beitragen, dass dies in Zukunft schneller geht.

Die Technik automatisiert ein Verfahren, das bereits in den 1970er Jahren entwickelt wurde, die sogenannte Patch-Clamp-Technik. Damit lassen sich winzige Poren in der Hülle von Zellen untersuchen. Eine typische Zelle besitzt Hunderte verschiedene dieser Ionenkanäle genannten Poren. Sie steuern den Ein- und Ausstrom von Molekülen durch die Zellmembran und damit auch die Kommunikation der Zellen untereinander. "Wenn die Ionenkanäle kaputt sind, dann haben Menschen Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen, Diabetes oder neurologische Probleme", erklärt Andrea Brüggemann. Sie ist Gesellschafterin von Nanion Technologies, der Firmenausgründung der Münchner Verfahrensentwickler.

Das Verfahren kann man in wenigen Stunden erlernen

Aufgrund dieser wichtigen biologischen Funktion sind Ionenkanäle auch ein Ansatzpunkt vieler Medikamente. Zähne werden zum Beispiel betäubt, indem Natriumkanäle mit einem Medikament blockiert werden. Die Untersuchung von Ionenkanälen war allerdings bislang sehr aufwendig. "Unser chipbasiertes Verfahren vereinfacht die Messtechnik insoweit, als man es jemandem, der völlig unbedarft ist, innerhalb von wenigen Stunden erklären und beibringen kann", erklärt Niels Fertig, Mitentwickler des Verfahrens und Geschäftsführer von Nanion Technologies.

Bei der "Patch-Clamp-on-a-chip"-Technik werden die Zellen in einer Flüssigkeit auf einen flachen Glas-Chip aufgebracht. Dieser besitzt zahlreiche, etwa einen Mikrometer - also einen Millionstel Meter - kleine Löcher, in denen die Zellen durch Unterdruck fixiert werden. Auf diese Weise entfällt das mühsame Pipettieren unter dem Mikroskop. Erwünschte und unerwünschte Wirkungen der Testsubstanzen an den Ionenkanälen können in einer Art molekularer Rasterfahndung schneller und kostengünstiger analysiert werden.

DPA / DPA