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Forscher aus Schweden haben ein Verfahren entwickelt, um Elektroden in Form von leitfähigen Polymeren direkt auf biologischem Gewebe herzustellen. Statt gefährlicher Lösungsmittel oder hochenergetischer Laser kommt dabei lediglich sichtbares Licht zum Einsatz. 

Neue Forschungsergebnisse aus Schweden legen nahe, dass sich Licht verwenden lässt, um Elektroden aus leitendem Plastik zu formen. Durch die Verwendung von ungiftigen Stoffen sei ein Einsatz auf nahezu allen Oberflächen möglich. Es soll sogar möglich sein, Elektroden in Form von leitfähigen Polymeren direkt auf der menschlichen Haut herzustellen.

Studienautor Professor Xenofon Strakosas betont, dass durch den Ansatz die Herstellung von elektronischen Komponenten ohne komplizierte Geräte möglich ist. Die Forscher arbeiten bereits seit einiger Zeit an Lösungen aus leitendem Plastik – sogenannten konjugierten Polymeren –, die die gleiche Leitfähigkeit wie Metall aufweisen.

Elektroden auf der Haut: Ungiftige Polymere als Basis

Üblicherweise bestehen Polymere aus langen Kohlenwasserstoff-Ketten, wobei jede sich wiederholende Einheit als Monomer bezeichnet wird. In einem Prozess namens Polymerisation verbinden sich mehrere Monomere zu einem Polymer.

Bisher ist dieser Prozess auf giftige Stoffe angewiesen. Das schränkte den Einsatz in sensiblen Bereichen wie der Medizin massiv ein. Die Forscher entwickelten deshalb einen Ansatz, der diesen Prozess lediglich unter sichtbarem Licht möglich macht.

Die Grundlage bilden spezielle wasserlösliche Monomere, die im Labor geschaffen wurden. In der Praxis wird die Flüssigkeit mit den Monomeren auf einer beliebigen Oberfläche aufgetragen – etwa Glas oder eben der menschlichen Haut. Ein Laser oder eine haushaltsübliche LED-Lampe malen dann die klassischen Leiterbahnen auf den Stoff.

Intelligente Textilien und Datenautobahnen auf der Haut

Überreste können anschließend einfach weggewischt werden. Zurück bleiben lediglich die frisch aufgedruckten Leiterbahnen. In einem Experiment druckten die Forscher solche Elektroden auf Mäuse. Im Vergleich zu klassischen EEG-Elektroden zeigten die aufgedruckten Bahnen ein deutliches Bild der Gehirnaktivität.

In Zukunft könnte der Ansatz Datenautobahnen auf der Haut oder sogar Klamotten ermöglichen, um flexibel Informationen austauschen zu können. Die Forscher hoffen, langfristig die Sicherheit von Geräten und Systemen nachhaltig zu verbessern.

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Der Beitrag Holz statt Lithium: Natrium-Ionen-Batterie aus dem Thüringer Wald erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Um die Energiewende voranzutreiben, sind kostengünstige, sichere und ressourcenschonende Energiespeicher gefragt. Eine neue Idee kommt aus dem Thüringer Wald: nachhaltige Batterien aus Holzabfall. Die Hintergründe.

Die Zukunft der nachhaltigen Batterie-Produktion kommt anscheinend aus dem Herzen Deutschlands: Im Thüringer Wald arbeiten Forscher daran, sogenannte Natrium-Ionen-Batterien nahezu vollständig auf Basis lokaler und nachwachsender Rohstoffe herzustellen.

Das Projekt namens „ThüNaBsE“ (Thüringer Natrium-Ionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung) ist eine Zusammenarbeit des Fraunhofer-Instituts IKTS sowie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

So funktioniert die Natrium-Ionen-Batterie aus dem Thüringer Wald

Im Mittelpunkt der Forschung steht das Material Lignin. Es fällt als Nebenprodukt in großen Mengen in der Holz- und Zellstoffindustrie an. Als Biopolymer verleiht der Stoff dem Holz seine Festigkeit.

Bisher wurde Lignin üblicherweise zur Energiegewinnung verbrannt. Die Wissenschaftler haben nun allerdings einen weiteren nützlichen Verwendungszweck gefunden.

Lignin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Bausteinen, die sich sinnvoll in der Chemie verwenden lassen, zum Beispiel als Elektrodenmaterial für Batterien. Im Projekt soll der biobasierte Rohstoff für die negative Elektrode genutzt werden.

Dafür wird das Lignin in einem thermischen Verfahren unter Hitze- und Luftausschluss zu hartem Kohlenstoff (Hard Carbon) veredelt. Diese poröse, stabile Kohlenstoffstruktur kann Natrium-Ionen reversibel speichern. Als Material für die positive Elektrode kommen ungiftige Eisenverbindungen, sogenannte Berliner-Blau-Analoga, zum Einsatz.

Unabhängigkeit dank lokaler Rohstoffe

Mit der nachhaltigen Natrium-Ionen-Batterie soll ein wichtiger Beitrag zur Stärkung der Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen und zur Wende hin zu günstigeren, nachhaltigeren und sicheren Batterien geleistet werden, heißt es in einer Pressemitteilung.

„Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten“, erklärt Dr. Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS in Arnstadt.

Zudem möchten wir den Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt möglichst niedrig halten und erproben, inwiefern er sich komplett vermeiden lässt. Kern des Vorhabens ist aber die Verarbeitung von lokal verfügbarem, hochwertigem Lignin zu leistungsfähigen Elektroden in unseren Natrium-Ionen-Batterien.

Ein weiteres Ziel des Projekts sei es, Nachwuchsforscher in Thüringen zu fördern. Daher seien an »ThüNaBsE« eine Reihe junger Wissenschaftler beteiligt, die in den Themenfeldern Energie und Batterieforschung promovieren.

Erste Tests vielversprechend

Aktuell werden in Batterietestzentren in Arnstadt, Hermsdorf und Jena erste Kleindemonstratorzellen gebaut und getestet. Begleitet werden die Laborarbeiten von realitätsnahen, multiphysikalischen Simulationen.

Die Ergebnisse sind vielversprechend: „Die Laborzelle ist nach 100 Lade- und Entladezyklen noch nicht stark degradiert. Ziel ist es, zum Projektabschluss 200 Lade- und Entladezyklen für eine Stundenampere-Vollzelle nachzuweisen“, so Medenbach.

So sollen die nachhaltigen Wald-Batterien zum Einsatz kommen

Die fertig entwickelte Batterie könnte als stationärer oder mobiler Speicher dort eingesetzt werden, wo keine schnellen Ladezeiten erforderlich sind. So eignen sich Lignin-basierte Natrium-Ionen-Batterien beispielsweise für mobile Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf.

Infrage kommen etwa Microcars oder Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler. Nach dem Abschluss der Forschungsphase ist geplant, die Technologie weiter zu skalieren und den Weg zur Marktreife in einem noch größeren Konsortium zu beschreiten.

Das Projekt wird vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds gefördert und von einem starken, überwiegend regionalen Industriebeirat begleitet.

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Der Beitrag Bei Krisen und Katastrophen: Dieses System soll die Kommunikation aufrechterhalten erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Netzausfälle stellen im Fall einer Katastrophe ein massives Probleme für die Kommunikation von Rettungskräften dar. Deutsche Forscher haben deshalb ein System entwickelt, das auch dann funktioniert, wenn die Infrastruktur versagt.

Wenn eine Katastrophe eintritt, ist schnelles Handeln gefragt. Denn vor allem Rettungskräfte sind darauf angewiesen, sich schnell zu organisieren und abzusprechen. Allerdings haben Krisen in den vergangenen Jahren eine kritische Schwachstelle in der Sicherheitsarchitektur Deutschlands gezeigt: Tritt der Ernstfall ein, ist der Mobilfunk oft überlastet und es kommt zu massiven Netzausfällen.

Für diesen Fall haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT eine Lösung entwickelt: Ein mobiles, selbstorganisierendes Kommunikationsnetz verbindet Einsatzkräfte untereinander, mit der Einsatzleitung und dem Internet.

Kommunikation bei Katastrophe

Das softwarebasierte, drahtlose und ad-hoc-fähige Kommunikationsnetz basiert auf der sogenannten Wi-BACK-Technologie (Wireless Backhaul). Es wurde im Rahmen des Projekts „5G Opportunity“ entwickelt und gemeinsam mit den Projektpartnern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg getestet.

Das Besondere an der Technologie ist der Einsatz von Multi-Hop-Richtfunk. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Reichweite von Funkstrecken zu erweitern, indem Daten über mehrere Zwischenstationen weitergeleitet werden. Dadurch ist keine direkte Sichtverbindung zwischen weit entfernten Punkten nötig, was das Netz in jedem Gelände flexibel macht.

Der Grundstein für die WiBACK-Technologie wurde bereits vor zehn Jahren gelegt, um ländliche Gebiete mit eingeschränkter oder fehlender Internetverbindung an die entfernte Netzwerkinfrastruktur anzubinden.

„Ein WiBACK-Netz kann in kürzester Zeit errichtet und sofort konform der Regulatorien betrieben werden“, erklärt Projektleiter Mathias Kretschmer, Wissenschaftler am Fraunhofer FIT in Sankt Augustin.“Die Hardware besteht aus autarken, portablen Komponenten. Es genügt, die Batterien anzuschließen, die Antennen auszurichten und schon ist das Netz startklar.

5G und Richtfunk liefern stabiles Netz in der Krise

Um die Verbindung zu den Endgeräten der Einsatzkräfte herzustellen, nutzt das System eigene 5G-Zellen basierend auf Open RAN sowie WiFi. „Über eigene kleine 5G-Zellen sprechen wir die Smartphones an und über WiBACK bringen wir das Netz auf die Fahrzeuge“, so Kretschmer.

Diese Nutzung privater 5G-Netze über Campusfrequenzen ist essenziell für die Entlastung der öffentlichen Netze. Die Frequenzen, die aktuell kaum genutzt werden, könnten den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben im Katastrophenfall exklusiv zur Verfügung gestellt werden.

Bei Katastrophe sind keine IT-Spezialisten für Kommunikation nötig

Die Funktionsfähigkeit des Kommunikationssystems testeten die Forscher unter anderem auf dem Summer Breeze Open Air 2024. Auf dem Festival stellten die Projektpartner das Netz bereit und verbanden die Sanitätsstationen der Malteser mit der Einsatzleistung und dem Internet – mit Erfolg.

„Die Funk- bzw. Netzwerkknoten konnten […] zuverlässig mit Solarpanels und Akkus betrieben werden, was das Potenzial für energieautarke Kommunikationsnetze in Krisengebieten unterstreicht“, heißt es in einer offiziellen Erklärung.

Ein weiterer Vorteil: Im Katastrophenfall sind keine IT-Spezialisten notwendig. Die Funkknoten konfigurieren sich automatisiert, sodass die Mitarbeiter von Hilfsorganisationen das alternative Netz schnell und ohne tiefgehende IT-Kenntnisse etablieren können.

Neue System als Zukunft der Krisenkommunikation

Die Entwicklung des Fraunhofer FIT schafft eine wichtige Grundlage für die digitale Widerstandsfähigkeit im Bevölkerungsschutz. Inzwischen wurde bereits das Nachfolgeprojekt HiLeit gestartet.

Es soll durch modulare Netzwerkknoten eine schnelle Bereitstellung und Anpassung der Kommunikation an die jeweilige Situation ermöglichen. Geplant ist, die WiBACK-Architektur um eine LEO-Satellitenschnittstelle (Low Earth Orbit) zu erweitern, damit diese als Internetanbindung verwendet werden kann.

Außerdem wollen die Projektpartner mehrere Technologien, darunter öffentliche Kommunikationsnetze, Glasfaser, LEO/IRIS2-Terminals, Feldkabel und WLAN-Richtfunk kombinieren, um ein flexibel einsetzbares, hochverfügbares Netz aufzubauen, das sich je nach Lage und Bedarf konfigurieren lässt.

Vor allem die intuitive Bedienbarkeit stehe dabei im Fokus, so Kretschmer. So sollen auch Einsatzkräfte ohne tiefgehende technische Kenntnisse das System schnell in Betrieb nehmen können.

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