Revolutionäres Wunder-Material Graphen

Revolutionäres Wunder-Material Graphen

Vorne mit dabei: der Wiener Optoelektroniker Thomas Müller und die Grazer Tüftler von Varta.

Demnächst im Handel: ein Handy, das sich biegen lässt; Touchscreens zum Aufrollen; ein feines Stoffkleid, das nie nass wird; durchsichtige Solarzellen auf Fenstern und Wänden; federleichte Flugzeuge, deren Flügel nicht vereisen; Licht-Strom-Transformatoren für den Datentransfer - kleiner als Zigarettenschachteln; Nachtsichtbrillen ohne James-Bond-Lizenz; und endlich auch die haptische Online-Zeitung zum Falten und Einstecken.

Sie lachen? Alles Humbug und Science-Fiction-Gewäsch? Nicht, wenn es nach einer weit über 100.000 Mitglieder zählenden Forschergemeinde geht, der meist Atomphysiker, Chemiker und Elektroniker angehören. Sie erkunden voller Enthusiasmus die Nutzung eines neuen "Wunder-Materials“ - Graphen.

Graphen, erst vor zehn Jahren von den Nobelpreisträgern (2010) André Geim und Konstantin Novoselov entdeckt, ist so etwas wie die winzig kleine Schwester des Bleistiftminen-Stoffes Graphit, kann aber viel, viel mehr. Diese sechseckige, bloß ein Atom dünne Kohlenstoffverbindung ist nicht nur superleicht sowie bieg-, falt-und beliebig formbar, ohne zu brechen, sondern auch härter als Diamant und leitet Strom und Wärme millionenfach besser als Kupfer oder Silizium. Überdies ist das Material fast durchsichtig, für Gas und Wasser undurchlässig - und auch bereits in größeren Mengen industriell herstellbar.

"Wegen dieser phantastischen Eigenschaften ist Graphen der beste Kandidat für den nächsten technologischen Durchbruch“, sagt Geim, der an der Universität von Manchester forscht. Vladimir Falko von der Uni Lancester ergänzt: "Graphen ist das Zeug, das die Welt vor dem völligen wirtschaftlichen Desaster retten kann.“ Daran glaubt inzwischen auch die EU, die am 1. Oktober 2013 ein "Graphene-Flagship“-Forschungsprogramm gestartet hat, dotiert mit einer Milliarde Euro Fördergeld für die nächsten zehn Jahre. Dessen ambitionierte Mission: "Graphen soll aus den Labors geholt und den Menschen zugute kommen, eine Vielzahl von Industrien revolutionieren, Wachstum und neue Jobs schaffen.“

Österreichs Shooting-Star

An der Spitze der kaum eine Handvoll zählenden österreichischen Graphen-Forscher steht derzeit der 38-jährige Optoelektroniker Thomas Müller von der TU Wien. Bereits 2011 wurde dem Ex-IBM-Mitarbeiter, der dort Teil des Entwicklerteams für einen ultraschnellen Hochfrequenz-Graphen-Chip war, der mit 1,2 Milllionen Euro dotierte "Start“-Preis verliehen. Müllers Domäne sind "auf Graphen basierte optoelektronische Bauelemente zur Erzeugung, Detektion und Modulation von Licht“. Das klingt ziemlich unverständlich, ist aber eines der derzeit vielversprechendsten Graphen-Forschungsgebiete - neben dem von Samsung und LG fast zur Marktreife entwickelten Einsatz von Graphen für flexible Bildschirme aller Art sowie seiner Nutzung zur Energiegewinnung und -speicherung.

Dieser Tage hat Müller im Fachjournal "Nature Photonics“ einen Durchbruch publiziert, der eine neue Ära in der digitalen Datenübertragung einläuten könnte. "Mit einem Team der Uni Linz haben wir Graphen-Detektoren entwickelt“, berichtet er, "mit denen Licht viel schneller und besser in elektrische Signale umgewandelt werden kann.“

Na und, mag jetzt der Laie fragen. Aber Chiphersteller wie Intel oder IBM buttern Unsummen in solche Forschungen. Denn vereinfacht gesagt müssen die Abermilliarden Bits und Bytes, die als Lichtphotonen durch Glasfaserkabeln schwirren, spätestens im Computerchip von sogenannten Photodetektoren in elektronische Signale umgewandelt werden. Meist wird dazu Germanium verwendet. Aber noch ist pro Glasfaser je ein Chip nötig, wodurch die Licht-Strom-Transformatoren nicht nur sehr teuer, sondern auch groß wie Schränke sind.

Das Ende der Silizium-Ära

Der neue Graphen-Photodetektor ersetzt das Germanium und erlaubt so nicht nur eine weitaus schnellere Lichtumwandlung. Er ist auch derart winzig, dass an die 20.000 solcher atomarer Mini-Bauteile auf einen Silizium-Chip passen. Und weil Graphen das komplette Lichtspektrum von ultraviolett bis infrarot verarbeiten kann, potenziert sich die Datenübertragungskapazität um ein Vielfaches, während gleichzeitig die Größe der Transformatoren auf wenige Kubikzentimeter schrumpft.

Müllers nächstes Ziel: "Auch auf den Chips selbst könnte der Datentransfer durch Graphen bald nicht mehr elektronisch, sondern optisch erfolgen.“ Im Klartext: Graphen ist drauf und dran, das Ende der Silizium-Ära einzuläuten.

Allerdings: Ob der Shooting-Star unter Österreichs Graphen-Forschern die Früchte dieser Arbeit ernten wird, ist zweifelhaft. "Im Moment hat die TU Wien nicht einmal das Budget für eine Patentanmeldung“, ärgert sich Müller. "Und noch fließt kaum Risikokapital in die Graphen-Forschung.“ Diese Situation spiegelt sich derzeit auch in der globalen Szene wider: Während es die europäischen Staaten zwar auf rund 36 Prozent aller Forschungs-Publikationen bringen, liegen sie jedoch mit nur etwa fünf Prozent aller Graphen-Patentanmeldungen weit abgeschlagen hinter Asien und den USA.

Die Lösung der Energie-Frage

Von derartigen Sorgen ist Stefan Koller, Geschäftsführer der "Varta micro innvoation“, ein Joint-Venture-Partner von VW, weniger geplagt. Der gut dotierte Forschungsarm des vom österreichischen Investor Michael Tojner gekauften Batterien-Herstellers Varta hat wie Müller ebenfalls die streng selektierte Aufnahme in das Graphen-Flaggschiff-Programm geschafft.

"Wir arbeiten daran, in herkömmlichen Lithium-Ionen-Baterrien Graphit durch Graphen zu erstzen“, erklärt Koller das Varta-Forschungsprojekt. "Dadurch sollten wir die Speicherkapazität bei gleichzeitiger Reduktion der Batteriengröße verdoppeln können.“ Parallel dazu will die Grazer Varta-Tochter sogenannte "Super-Capacitors“ mit Graphen gleich um das Zehnfache stärker machen. Das sind, simpel ausgedrückt, äußerst leistungsstarke Batterien, die Energie sehr schnell speichern und ebenso rasant abgeben können. Recht nützlich für Elektro-Antriebe jeglicher Art.

Müller widmet sich inzwischen bereits der Lösung einer noch viel größeren Energiefrage. Ihm ist es gelungen, auf einem Quadratmikrometer eines Films aus Wolframdiselenit - ein Material mit ähnlichen Eigenschaften wie Graphen - hochgerechnet die gleiche Stromausbeute zu gewinnen, wie sie ein Quadratmeter aus marktgängigen Silizium-Solarzellen liefert (in einen Quadratmeter passen eine Million mal eine Million Mikrometer). Zusätzlicher Gag dabei: Das Zeug lässt immer noch 90 Prozent des sichtbaren Lichts durch. Müllers Vision: Warum nicht Fenster, Wände, Dächer damit beschichten und so die ganze Menschheit mit Gratistrom aus Sonnenlicht beglücken.

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