Bewegend, vermessend, produzierend, inspirierend – Vakuum kann was!

So hat bei­spielsweise der inte­grierte La­ser des Exo­Mars-Ro­vers sei­nen Thermal-Va­kuum-Tests bei Air­bus in Toulouse er­folgreich durchlau­fen und ist nun be­reit, den Dienst im MOMA, dem Mars Or­ga­nic Molecule Analy­ser, im na­tür­li­chen Un­ter­druck der Marsat­mosphäre auf­zu­nehmen. Ein ver­gleichbares Ver­fah­ren hat das Fraun­hofer-Institut für Fer­ti­gungstechnik und an­ge­wandte Ma­teri­al­for­schung Dresden ent­wi­ckelt. Der Ther­mTEST, prüft Schnitt­stel­len für Sa­tel­li­ten un­ter an­wendungsna­hen Be­din­gungen, also un­ter Va­kuum bei Tempera­tu­ren zwi­schen dreißig und neunzig Grad Cel­sius und Wärme­strom­dich­ten bis zu sie­benhundert Ki­lo­watt pro Qua­dratme­ter.

Noch ein gu­tes Stück von der An­wendung ent­fernt ist die Energiepro­duktion durch Fu­si­ons­plas­men. Die er­for­der­li­chen Weiter­ent­wicklungen auf dem Weg zum Ziel lau­fen in den ver­schie­de­nen Pro­jek­ten konti­nu­ier­lich wei­ter. Die Fusi­ons­an­lage JET be­ginnt ihr For­schungs­pro­gramm mit Deu­terium-Tri­tium-Plasmen. Als Aushänge­schild von EU­RO­fu­sion und Te­stumgebung für I­TER-Tech­nolo­gien ist der im englis­chen Cul­ham Centre for Fu­sion Energy ge­le­gene JET (Joint Eu­ropean Torus) die weltweit größte Fu­si­ons­an­lage und zur­zeit die ein­zige, die mit die­sem Brenn­stoff ei­nes künfti­gen Fu­si­ons­kraftwerks ex­pe­ri­men­tieren kann. Erste Ex­pe­ri­mente mit rei­nem Tri­tium sol­len Iso­to­pe­nef­fekte im Plasmaver­hal­ten un­ter­su­chen, be­vor dann in ei­nem hal­ben Jahr die dritte und letzte Deu­terium-Tri­tium-Kam­pagne starten kann.

An der Fu­si­ons­an­lage ASDEX Up­grade wurde eine quasikonti­nu­ier­li­che Leistungsabfuhr als wandscho­nende Me­thode in To­ka­maks ent­wi­ckelt. Da­bei lenkt ein das Plasma ein­schlie­ßende Magnetfeld die Randschicht des Plasmas auf ro­buste ge­kühlte Di­ver­tor­platten am Bo­den des Plasma­ge­fä­ßes. In gro­ßen An­la­gen wie dem I­TER würden diese den sich im­mer wie­der bil­denden Edge Lo­cali­zed Mo­des (ELMs), durch Stö­run­gen im Plasma­ein­schluss her­vor­ge­ru­fene pe­rio­di­sche Aus­würfe von Plasma­teil­chen und -ener­gien, nicht stand­halten. Eine über das Magnet­feld ge­schickt ein­ge­stellte Plasma­form kann zu­sam­men mit dem Ein­bla­sen von Wasser­stoff für eine ge­nü­gend hohe Teil­chendichte am Plasma­rand sor­gen und eine Ent­wicklung von ELMs ver­hin­dern. Statt des­sen kommt es zu klei­nen Teil­aus­brü­chen, die die Leistung quasikonti­nu­ier­lich aus dem Plasma auf die Di­ver­tor­platten len­ken.

Mitte des Jah­res wurde der offi­zi­elle Beginn des Zu­sammenbaus des weltweit größten To­ka­mak-Fu­sionsex­pe­ri­ments ITER im süd­franzö­si­schen Kernforschun­gszentrum Ca­da­ra­che ge­fei­ert. In­ner­halb der nächsten fünf Jah­ren werden die mehr als zehn Mil­lio­nen Ein­zelt­eile des To­ka­mak-Re­ak­tors zu­sammensetzt, be­vor dann Ende 2025 erstmals ein Plasma er­zeugt und un­ter­sucht werden kann. Ein zehnjähri­ger Wechsel von Ex­pe­ri­mentier- und Um­bauphasen soll sich an­schlie­ßen, da­mit die Fu­sion als al­ter­na­ti­ve Energiequelle ab Mitte des Jahrhunderts zur Ver­fü­gung ste­hen wird.

Auch die weltweit größte Stellera­tor-An­lage er­fährt konti­nu­ier­li­che Ver­bes­se­rung:  Wendelstein 7-X er­hält eine wasser­ge­kühlte Ge­fäß­ver­klei­dung. Die neuen wasser­ge­kühlten Di­ver­tor-Platten sol­len bei den spä­te­ren Hochleistungsex­pe­ri­menten ei­ner Be­las­tung bis zu zehn Me­ga­watt pro Quadratme­ter standhalten – ähnlich dem Space-Shuttle beim Wiederein­tritt in die Erdat­mosphäre. Nach Ab­schluss der Um­rüs­tungsarbei­ten kann der Plasma­be­trieb dann Ende 2021 wie­der starten.

In die­sem Jahr ha­ben For­scher die freien Elektro­nen im Plasma als ulti­ma­ti­ves Re­dukti­ons­mit­tel en­deckt: eine Ar­gon-Plasma­ent­la­dung er­setzt al­ter­na­tive Ver­fah­ren mit che­mi­schen Re­dukti­ons­mit­teln und er­öff­net neue Mög­lich­kei­ten für De­po­si­tion von Nichtedel­me­tal­len wie Ei­sen, Ko­balt und Ni­ckel in CVD-Ver­fah­ren. Ins­be­son­dere die Herstel­lung elektro­ni­scher Ge­räte pro­fi­tiert von neuem Ver­fah­ren zur Ab­schei­dung dünner Me­tall­filme.

Neu­ar­tige Bar­rier­e­schichten set­zen neue Im­pulse in der Wasser­stoff­tech­nolo­gie. Die mit­tels plasma­physi­kali­scher Ver­fah­ren ab­ge­schie­de­nen Schichten sol­len das Ein­dringen von Wasser­stoff in die Oberflä­chen von kos­ten­günstigen hoch­festen Stahlober­flä­chen ver­hin­dern und preis­wertere Sys­teme für mo­bile und sta­tio­näre An­wen­dun­gen von Wasser­stoff er­mögli­chen.

Eine mit Stick­stoff do­tierte Gra­phen­struk­tur zeigt halblei­tende Ei­gen­schaf­ten und wird mit ei­ner spe­zi­fisch ein­stellba­ren Leitfä­hig­keit in­te­res­sant für elektro­ni­sche An­wendungen. Dar­über hin­aus wird auf­grund des Stick­stoff­anteils mit au­ßer­ge­wöhnli­chen magne­ti­schen Ei­gen­schaf­ten der löchri­gen Gra­phen­bänder ge­rechnet. Das könnte das neuar­tige Ma­te­rial spä­ter auch für ei­nen Ein­satz in Quantenrechnern prä­des­ti­nie­ren.

Ein neues De­po­siti­ons­ver­fah­ren er­leichtert die Fer­ti­gung von Dünnschicht­so­lar­zel­len und sorgt durch Ko-Ver­dampfung von Cä­si­um­io­did und Blei­iodid da­für, dass Perowskit-Zel­len stabiler werden. Da­bei las­sen sich wichtige opto­elekt­ro­ni­sche Ma­teri­al­ei­genschaf­ten empfindlich über das Ver­hältnis zwi­schen Cä­sium und Blei ein­stel­len.

Er­schwingli­che Wasser­stoff-Au­tos mit der Reichweite ei­nes Die­sels rü­cken in Reichweite, in­dem eine kos­ten­günstige Be­schichtung aus Gra­phit die her­kömmli­che Goldschicht auf Bi­po­lar­platten er­setzt. Diese Kernkompo­nenten von Brennstoffzel­len können so deutlich preiswerter pro­du­ziert werden.

Auf dem Weg zu Mi­nia­turi­sie­rung ist der Io­nenstrahl schon seit mehre­ren Jahrzehnten wichtigstes strukturge­bendes Werkzeug. Da­bei funkti­o­niert manches – ob­wohl im De­tail nicht ver­standen – recht gut, ein tie­fe­res Ver­ständnis der Vor­gänge auf ato­ma­rer Ebene er­leichtert al­ler­dings Weiter- und Neuent­wicklungen. Im Fall der für die Da­ten­speiche­rung höchst re­le­van­ten Grenzflä­chenbildung zwi­schen magne­ti­schen und nicht­mag­ne­ti­schen Schichten lie­gen neue Er­kenntnisse zur Um­wandlung von nicht­mag­ne­ti­schem Ko­baltoxid in ferro­mag­ne­ti­sches Ko­balt durch Io­nenbe­schuss vor. An­ders als bis­her an­ge­no­mmen ist für die­sen Vor­gang keine che­mi­sche Um­wandlung des Sau­er­stoffs ver­ant­wortlich. Vielmehr werden die Sau­er­stoffatome rein physi­ka­lisch durch Io­nenstöße von ih­ren Plätzen in tie­fere Schichten o­der un­be­strahlte Randre­gio­nen des Ko­baltoxids ge­drängt. Mit die­sem Wissen können nun dreidi­mensi­onal ho­rizontale und ver­ti­kale Struktu­ren her­ge­stellt werden, die das magne­ti­sche Mo­ment des Ko­balts in be­stimmte Richtun­gen zwingen o­der blo­ckieren – eine Grundvo­rausset­zung für eine ganz neue Computerge­ne­ra­tion mit neuro­morpher Hardware.

Vakuum in­spi­riert

Im Vo­ran­ge­gange­nen war na­tür­lich nie vom Va­kuum selbst die Rede, son­dern von der Technolo­gie, die den Ex­pe­ri­menten und Ent­wicklungen den für sie er­for­der­li­chen Un­ter­druck be­reit­stellt – und aus Kos­tengründen auch kein Mil­li­bar we­ni­ger. Um den im­mer noch recht vol­len Raum als Va­kuum be­zeichnen zu können, reicht es ge­mäß DIN 28400 Teil 1 (Mai 1990) aus, dass in ihm Druckver­hältnisse herrschen, die un­ter de­nen lie­gen, die auf dem höchsten Punkt der Erd­oberflä­che vor­ge­fun­den werden. Mit 300 Mil­li­bar wird man die­ser For­de­rung un­ab­hängig von der Wetter­lage auf dem Mount Eve­rest in je­dem Fall ge­recht – was im­merhin noch 10¹⁹ Teil­chen pro Ku­bik­zen­ti­me­ter ent­spricht, und selbst im Ult­rahochva­kuum der Be­schleu­ni­ger­rohre tummeln sich bei 10^-10 mbar im­mer noch rund eine Mil­lio­n Teil­chen in ei­nem Ku­bik­zen­ti­me­ter.

An der Vor­stel­lung des tat­sächlich lee­ren Raums ha­ben sich in den ver­gange­nen rund zwei­ein­halb­tausend Jah­ren etli­che große Geister ge­rie­ben. Richtig in­te­res­sant ist es al­ler­dings, seit quantenmechani­sche Vor­stel­lun­gen von Va­ku­um­fluktua­tio­nen un­ser Weltbild er­wei­tert ha­ben. Aus dem Nichts ent­ste­hen vir­tu­el­len Teil­chen und ver­schwinden wie­der, be­vor man sie be­obachten kann.