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Wundernetz aus Kohle

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Wundernetz aus Kohle

Je eine Milliarde Euro Förderung investiert die EU in zwei Leuchtturm-Projekte. Eines der Konsortien, das sich um den Geldsegen bewirbt, beschäftigt sich mit dem Werkstoff Graphen, von dem Forscher glauben, dass er viele Technologien umkrempeln könnte.

Die Zukunft leuchtet grün und ist ungefähr so groß wie eine Tafel Schokolade. "Morph" haben die Designer von Nokia das Gerät genannt, das die fantastischen technischen Möglichkeiten von Graphen illustrieren soll: Mal ist es ein Multimedia-Tablet, dann – zusammengefaltet – ein handliches Mobiltelefon, und um dem Arm geschlungen wird es zur modischen Uhr. Noch ist Morph nur in Animationen zu sehen, existiert das Gerät nur in der Fantasie einiger Designer und Wissenschaftler. Doch das Projekt "Graphene CA" – CA steht für "Coordinated Action" – soll den Bau von diesem und ähnlichen technischen Wunderdingen ermöglichen.

Gemeinsam mit fünf Konkurrenten bewirbt sich das Graphen-Konsortium, das im Moment aus neun Forschergruppen und Unternehmen besteht, um den Status eines europäischen Leuchtturmprojekts. Dabei geht es um eine Menge Geld: Das Programm "Future and Emerging Technologies" (FET) der EU wird zwei der sechs Bewerber ab 2012 mit bis zu einer Milliarde Euro finanzieren – verteilt über insgesamt zehn Jahre. Die Sieger will die EU-Kommission im Frühjahr 2012 küren.

Während die meisten anderen Bewerber mit visionären wissenschaftlichen Entwürfen auftreten, setzt das Graphen-Konsortium auch auf die wirtschaftliche Karte. Für Europas IT-Industrie, davon sind die Wissenschaftler überzeugt, liegt die Zukunft im Werkstoff Graphen. Statt den technischen Entwicklungen in den USA oder Asien hinterherzulaufen, will die Forschergemeinschaft eine völlig neue Technologie auf der Basis von Graphen entwickeln.

Graphen ist chemisch zwar eng verwandt mit Graphit, wie es beispielsweise in schnöden Bleistiften verwendet wird. Aber der Wunderwerkstoff besteht nur aus jeweils einer einzigen atomaren Lage von Kohlenstoff – eine Art atomarer Maschendraht aus Sechsecken von chemisch miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. Obwohl Graphen chemisch gesehen zur Klasse der "Halbmetalle" zählt, also an der Schwelle zwischen elektrischem Leiter und Nichtleiter liegt, ist seine Ladungsträgerbeweglichkeit unglaublich groß. Diese Materialeigenschaft, die beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit eines elektronischen Bauteils begrenzt, liegt für Graphen bei bis zu 200000 Quadratzentimeter pro Voltsekunde. "Das ist magisch", schwärmt Andre Geim von der University of Manchester. "Es ist um Größenordnungen mehr als bei allen anderen existierenden Materialien." Ein Graphen-Transistor könnte also zwischen hundert- und tausendmal schneller schalten als heute verwendete Transistoren aus Silizium.

"Bis vor wenigen Jahren sind wir davon ausgegangen, dass so etwas gar nicht existiert", sagt Geim. Der russische Physiker, der gemeinsam mit seinen Kollegen an der Uni von Manchester 2004 erstmals Graphen-Plättchen hergestellt hat und dafür 2010 den Physik-Nobelpreis erhielt, sitzt nun mit drei anderen Nobelpreisträgern im wissenschaftlichen Beratungsausschuss des Graphene-CA-Projekts. Die hochkarätige Besetzung unterstreicht eines der zentralen Argumente des Graphen-Konsortiums: Anders als bei der Prozessor-Entwicklung, der Software, dem Bau von Speicherbauteilen oder Displays ist die europäische IT-Industrie diesmal noch nicht weltweit abgeschlagen.

"Graphen ist eine genuin europäische Technologie", das betont auch Projektkoordinator Jari Kinaret, der an der Chalmers-Universität im schwedischen Göteborg lehrt und forscht. "Das Material vereinigt mehr Superlative auf sich als jeder andere Werkstoff", schwärmt er: Es sei ultraleicht, aber 300-mal stärker als Stahl, und lässt sich trotzdem bis zu 20 Prozent seiner Länge dehnen. Es habe ein optimales Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht und eigne sich damit hervorragend zum Einsatz in Energiespeichern. Zudem sei der Stoff transparent und leite sowohl Strom als auch Wärme exzellent. Als wäre das nicht genug, sind Graphen-Membranen vollkommen gasdicht – nicht einmal die besonders kleinen Wasserstoff-Moleküle kommen hindurch. Schon ein einziges an die Oberfläche gebundenes Fremdmolekül kann aber die elektrischen Eigenschaften des Graphens so drastisch verändern, dass dieses sich als Detektor mit beispielloser Empfindlichkeit einsetzen ließe.

Eine Achillesferse hat aber auch der neue Star unter den Nano-Materialien: Es ist sehr schwer, damit digitale Elektronik zu bauen. Denn im Gegensatz zu einem Silizium-Transistor, der sich vollkommen abschalten lässt, fließt durch einen Graphen-Transistor auch im "Aus"-Zustand Strom. Mit Graphen-Transistoren lassen sich zwar sehr schnelle analoge Elektronikkomponenten – beispielsweise Frequenzmischer für Mobilfunk – bauen. Ein Computerchip aus Milliarden solcher Transistoren würde aber eine enorme Energiemenge verschwenden und sich deshalb kaum für die Praxis eignen.

Zwar gibt es verschiedene Ansätze, um auch Graphen zu einem reinen Halbleiter zu machen – Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA in der Schweiz, des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz, der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich sowie der Universitäten Zürich und Bern entwickelten beispielsweise ein Verfahren, um dünne, halbleitende Graphenbänder herzustellen. Doch die verschiedenen bislang von Forschungsgruppen vorgestellten Verfahren sind noch zu unpräzise, das heißt die Materialeigenschaften der Bänder streuen noch zu stark. Digitale Elektronik aus Graphen sei deshalb "noch weit weg", meint Kinaret.

Das Rennen um die zukünftige Anwendung von Graphen ist dennoch bereits in vollem Gange. Vor allem Asien scheint sich einiges von der neuen Technologie zu versprechen, denn Graphen-Plättchen lassen sich in einer Flüssigkeit verteilt vergleichsweise unkompliziert auf Glas oder Kunststoff auftragen. Wenn die Trägerflüssigkeit verdunstet ist, entsteht eine gut leitende, transparente Schicht, die beispielsweise für Elektroden in Solarzellen oder Displays verwendet werden kann und dort das teure Indiumzinnoxid ersetzen soll. Bereits im Mai 2010 zeigten koreanische Forscher zudem den Prototypen einer flexiblen, transparenten Auflage für Displays, die Energie erzeugen soll: In dem Demonstrationsobjekt verwendeten die Wissenschaftler piezoelektrische Nanostäbchen, die zwischen zwei Elektrodenschichten aus Graphen liegen. Jeder Fingerdruck des Users auf den Touchsreen würde so Energie für das Display liefern – selbst das Aufrollen eines flexiblen Displays würde noch Strom fließen lassen. Im Idealfall, hoffen die Forscher, könnte nicht nur das Display betrieben, sondern auch überschüssige Energie an die Akkus abgeführt werden.

Südkorea hat in den vergangenen Jahren bereits 100 Millionen Dollar in die Graphen-Forschung investiert und will jetzt noch einmal 300 Millionen nachschießen. Auch in Singapur wird die Graphen-Forschung mit 60 Millionen Euro gefördert, während ganz Europa bisher nur schätzungsweise 50 Millionen Dollar in diesen Forschungszweig investiert habe, mahnt Kinaret. Damit Europa nicht den Anschluss verliert, will das Konsortium zunächst eine Bestandsaufnahme der internationalen Forschungstätigkeit erarbeiten. Daraus soll dann abgeleitet werden, welche Graphen-Anwendungen in Europa entwickelt werden sollten, weil sie auf bereits vorhandene, gut entwickelte Forschungs- und Industriestrukturen aufsetzen können.

Dass man gegen den Vorsprung der asiatischen Länder in der Display-Technologie ankommen könne, hält Kinaret für "sehr fraglich". Traditionell stark sieht der Physiker die Europäer dagegen beispielsweise im Bereich der "gedruckten Elektronik". Unternehmen wie BASF arbeiten seit Jahren daran, Funketiketten mit preiswerter, flexibler Elektronik aufzurüsten, um den Klebeschildchen damit allerlei elektronische Zusatzfunktionen zu verleihen. Um die Tags möglichst günstig und flexibel zu produzieren, werden die dabei verwendeten Schaltkreise mit Tintenstrahldruckern hergestellt. Das elektronische Material, das in solchen Etiketten verwendet wird, besteht in der Regel aus speziellen halbleitenden Kunststoffen. Die "organische Elektronik" ist allerdings sehr viel langsamer als herkömmliche Silizium-Elektronik – der Funktionsumfang der Etiketten ist deshalb noch immer sehr eingeschränkt. Das könnte sich ändern, wenn stattdessen Graphen zum Einsatz käme.

Auch im Bereich der Energiespeicherung sieht Kinaret gute Chancen für europäische Unternehmen, denn die weltweite Führungsrolle beim Ausbau erneuerbarer Energien hat auf diesem Gebiet die Nachfrage deutlich erhöht. Mit seiner großen Oberfläche bietet sich Graphen förmlich als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus und sogenannte Superkondensatoren an. Die hätten im Unterschied zu Akkus den Vorteil, elektrische Energie erheblich schneller speichern und freigeben zu können.

In kommerziellen Superkondensatoren bestehen die Elektroden aus porösem Kohlenstoff. Unter Spannung gesetzt, sammelt der Kondensator Ionen des Elektrolyten in den Poren des Kohlenstoffs und speichert so die elektrische Energie. Graphenschichten bieten im Vergleich dazu viel mehr Fläche, um Ionen zu binden. Zudem könnten diese sich schneller anlagern und wieder lösen. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, dass es bisher nur kleine Graphen-Plättchen gibt, die dazu neigen, sich zu verklumpen, was die verfügbare Oberfläche wieder verkleinert.

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen daher an Herstellungsmethoden für großflächige Graphenschichten und an Verfahren, die das Verkleben der Plättchen verhindern sollen. Doch auch bei den Energiespeichern werden sich die Europäer sputen müssen: Das Unternehmen Nanotek Instruments aus Ohio hat nach eigenen Angaben bereits eine etwa münzgroße Kondensatorzelle aus Graphen entwickelt, die effektiv rund 28 Wattstunden Energie pro Kilogramm speichern kann.

"Wir wollen eine vertikale Produktionskette von der Materialherstellung bis zur Systemintegration aufbauen", sagt Kinaret. Dazu sei ein koordiniertes Vorgehen unbedingt notwendig: "Die Materialhersteller warten, bis der Bedarf groß genug ist, um ihre Produktionsverfahren zu entwickeln. Aber wenn klar ist, dass nicht genügend Rohstoff zur Verfügung steht, werden auch keine Graphen-Bauteile entwickelt. Also bleibt der Bedarf niedrig." Ein klassisches Henne-Ei-Problem, das sich nur über staatliche Hilfe lösen lässt, meint Kinaret: Die damit verbundenen Risiken seien viel zu hoch, um von einem einzigen Unternehmen geschultert zu werden.

Denn obgleich das Material Physiker regelmäßig zu Begeisterungsstürmen hinreißt, haben ähnlich potente Nanoteilchen aus Kohlenstoff die Hightech-Industrie bereits zweimal enttäuscht: Die kugelförmigen "Buckyballs" aus 60 Kohlenstoff-Atomen ließen sich bislang gar nicht praktisch verwenden, gelten mittlerweile sogar als gefährliches Material. Und die in den neunziger Jahren entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden heute zwar in ultraleichten Komposit-Materialien verwendet. In der Elektronik sind sie aber bislang noch nicht angekommen.

Natürlich bestehe auch diesmal ein Risiko, räumt Kinaret ein. Graphen sei aber wesentlich leichter zu kontaktieren als Nanoröhrchen. Und während Nanoröhrchen sowohl metallisch als auch halbleitend sein können, habe Graphen immer einheitliche Eigenschaften. "Es gibt unglaublich viele Ideen für mögliche Anwendungen", sagt Kinaret. "Einige werden funktionieren, andere nicht. Eine Milliarde Euro ist zwar eine Menge Geld, aber dafür können Sie andererseits nicht mal ein Drittel einer modernen Chipfabrik kaufen. Ich denke, so viel sollte uns die Zukunft wert sein."


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