SIEMENS

Die Stadt Troitsk nahe Moskau hat schon viel erlebt. Zu Sowjetzeiten war sie eines der offiziell nicht existierenden Wissenschaftszentren, in denen auf höchstem Niveau geforscht wurde: in der Nukleartechnik ebenso wie in der Materialforschung. Mittlerweile hat das Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials (TISNCM) in Troitsk einen offiziellen Status erhalten. International führend ist es weiterhin– doch heute ist es auch weltweit bestens vernetzt: etwa mit Siemens.

Ein Schwerpunkt in Troitsk ist die Entwicklung von Werkstoffen, die die Stromerzeugung und -übertragung effizienter machen sollen. „Die Materialforschung mit Nanotechnologie ist wirtschaftlich sehr interessant“, sagt Prof. Vladimir Blank, Leiter des TISNCM. „Beispielsweise bauen wir winzige Kohlenstoff-Nanopartikel in eine Aluminium-Metallmatrix ein, um die Härte und Festigkeit von Legierungen zu verbessern und zugleich ihre sehr guten elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erhalten.“

Ein bis eineinhalb Gewichtsprozent der so genannten Fullerene genügen bereits, um die von Blank gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen. Fullerene sind Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen (C60), die Fußbällen ähneln – allerdings sind sie hundertmillionenfach kleiner. Was sie für neue Materialien so interessant macht, ist die hohe mechanische Stabilität bei niedrigem Gewicht.

„Das neue nanostrukturierte Aluminium ist nahezu dreimal so hart wie normale Verbundwerkstoffe und wiegt gleichzeitig deutlich weniger“, sagt Dr. Denis Saraev, Projektleiter bei Siemens Corporate Technology (CT). Dieses Supermetall eignet sich besonders für die Leistungssteigerung von Kompressoren, Turboladern oder Motoren.

Auch könnten Stromkabel aus nanostrukturiertem Aluminium künftig die reinen Aluminiumkabel ersetzen. Bei gleichen elektrischen Eigenschaften würden sie dünner ausfallen und dadurch Material und Kosten sparen – zumal wenn man sie mit teuren Kupferkabeln vergleicht. Das neue Material erzeugen die Forscher mit einer speziell gehärteten Planetenmühle: Aluminium und C60 wird – in einer Argon-Atmosphäre – bis auf die Größe von Nanopartikeln zermahlen, wobei sich beide in Pulverform miteinander zu dem neuen Material verbinden. Blank geht davon aus, bald Aluminiummaterial mit Fullerenen speziell für den Einsatz in supraleitenden Kabeln fertig entwickelt zu haben. Solche Kabel braucht man beispielsweise für Magnetresonanz-Tomographen oder sehr kompakte Motoren.

Einige Türen weiter widmen sich Forscher von Siemens und dem TISNCM ebenfalls der Weiterentwicklung von Materialien, allerdings geht es hier um Thermoelektrika. Das sind elektrisch leitende Stoffe, die entweder – wenn sie an zwei Stellen einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind – eine elektrische Spannung und dadurch einen Stromfluss erzeugen, oder umgekehrt aus einer angelegten Spannung thermische Energie gewinnen. Die Wissenschaftler in Troitsk haben dazu das StandardmaterialWismut-Tellurid mit Fullerenen kombiniert. „Wir denken, dass wir bei einer Temperaturdifferenz von 100 Grad Celsius mit einem thermoelektrischen Gerät von zehn mal zehn Zentimeter Größe rund 50 Watt elektrische Energie gewinnen können“, verrät Saraev.

So könnten viele Geräte noch mit ihrer Abwärme Strom erzeugen und dadurch ihre Energiekosten senken. Beispielsweise könnte man mit thermoelektrischen Stromgeneratoren nicht nur die Abwärme von Gasturbinen oder Stahlwerken nutzen, sondern auch die von Prozessoren in Computern oder die Motor- und Batterie-Wärme in Autos – letztere etwa, um die Klimaanlage oder die Informations-, Navigations-und Unterhaltungselektronik zu betreiben. Auch könnten solche Geräte helfen, den Einsatz klimaschädlicher Gase in Kühl- und Gefrierschränken zu reduzieren – und ganznebenbei auch den Lärm, weil die Technik geräuschlos funktioniert. Einen wichtigen Meilenstein haben die Forscher bereits erreicht:„Mit unserem nanostrukturierten Wismut-Tellurid verbessern wir die thermoelektrische Leistungsfähigkeit bereits um 20 Prozent“, sagt Saraev. „Das ist heute Weltspitze.“

Auf Luft gepolstert. Rund 30 Kilometer weiter, in Moskau, betreibt Siemens eine weitere Kooperation. Hier forscht ein CT-Team um Dr. Viacheslav Schuchkin mit Dr. Alexander Vikulov vom Institut für Mechanik der Staatlichen Moskauer Lomonosov-Universität, an Luft gelagerten Turbomaschinen, die die herkömmlichen, wartungsintensiven Öllager bei kleineren Turbinen und Kompressoren ersetzen können. Solche, bis zu 180.000 Umdrehungen pro Minute schnell drehenden Maschinen können etwa für Benzin- oder Dieselmotoren oder für die Abwasserbehandlung mit komprimierter Luft in der Ölindustrie eingesetzt werden.

Für das wartungsfreie Lager konstruierten die Forscher hauchdünne, mit Teflon beschichtete Lamellen. „Ab zirka 15.000 Umdrehungen pro Minute erreichen die Lamellen eine Geschwindigkeit, bei der sie sich um einige tausendstel Millimeter von der Achse des Rotors abheben – ähnlich wie beim Start eines Flugzeugs, das ab einer bestimmten Geschwindigkeit abhebt“, erklärt Schuchkin. „Zwischen Lager und Lamellen bildet sich ein hauchdünnes Luftpolster, und die Turbine läuft dann faktisch ohne Widerstand und ist wartungsfrei.“ Dafür mussten die Forscher die optimale Lamellengröße, den besten Biegungswinkel und die ideale Lamellenanordnung berechnen. Heute kann der Rotor mehrere zehn Kilogramm wiegen, aber auch größere Turbinen sollen künftig möglich sein.

Auch auf dem Feld der Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC, siehe Artikel „Das Ziel: keine Emissionen“) ist die russische CT aktiv. Hier will das Forscherteam um Dr. Stepan Polikhov mit einer neuen Turbinentechnologie den Wirkungsgrad von IGCC-Anlagen mit CO₂-Abtrennung von heute etwa 30 Prozent auf 40 bis 45 Prozent erhöhen. Forscher des Moscow Engineering Physics Institute (MEPhI) stehen ihnen dabei tatkräftig zur Seite. Verwendet wird Synthesegas, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

„Ziel ist es, die CO₂-Emissionen von solchen Mischgasturbinen auf das Niveau von rein mit Erdgas betriebenen Kraftwerken zu reduzieren– und zugleich noch die Kosten für die CO₂-Abscheidungzu senken“, sagt Polikhov. Mit dieser Technologie würden Kohlekraftwerke dann so sauber wie Erdgas-Kraftwerke. Doch die technischen Herausforderungen sind hoch: Synthesegas hat hohe Anteile an Wasserstoff. Die aber erzeugen Flammenrückschlag, Flackern oder Selbstentzündung, was eine möglichst rückstandsfreie und damit umweltfreundliche Verbrennung erschwert. Polikhov und Prof. Sergey Gubin vom MEPhI arbeiten daher an einer Simulation des Verbrennungsvorgangs in der Gasturbine mit allen wesentlichen Parametern: den Gas-Flussraten, den Gas-Mischungs- und Druckverhältnissen und der Verbrennungsgeschwindigkeit. Daraus leiten die Forscher die optimale Konstruktion des Brenners für eine spezifische Gasmischung ab. Tests an einem Mischgas-Brenner in einer realen Brennkammer wurden ebenfalls bereits durchgeführt.

Lernendes Betriebssystem. Doch nicht nur in Moskau, sondern auch in St. Petersburg gibt es sehr ertragreiche Kooperationen zwischen Siemens und russischen Einrichtungen. An der staatlichen Polytechnischen Universität St. Petersburg entwickelt der CT-Forscher Bernhard Lang zusammen mit Prof. Dimitrii Arsenjev und Prof. Vjacheslav Potekhin – beides Spezialisten für verteilte intelligente Systeme – neue Software-Lösungen. Ziel ist eine lernende, sich selbst steuernde Software, die den Betrieb von Produktionsanlagen überwacht. Sie soll sich anbahnende Fehler automatisch erkennen undmelden, bevor diese überhaupt entstehen.

Außerdem soll sie die Qualität jedes Fertigungsschrittes überwachen und ständig mit den Daten des übergeordneten Planungssystems abgleichen, damit die Produktion stets im Einklang mit den Aufträgen und der Lieferkette wie den aktuellen Marktpreisen ist. Das lernende System wird einmal mit den verfügbaren Daten gefüttert: in einem Metallwerk etwa mit Hunderten von Produktionsdaten wie Temperatur, Druck, Menge oder Materialzusammensetzung sowie der optimalen Kombination dieser Daten. Dann kann es die Fertigung anschließend eigenständig überwachen und vor möglichen Störungen warnen oder selbst eingreifen.

Lernende Systeme sind universell einsetzbar. Sie überwachen seit 2008 auch die Getriebe von Siemens-Windkraftanlagen oder den Wasserpegel des Flusses Newa, der St. Petersburg schon oft die eine oder andere Überschwemmung beschert hat. Auch Frühwarnsysteme sollen von lernenden Systemen profitieren. So verwendet das von der Europäischen Kommission geförderte internationale Forschungsprojekt „Urban Flood“ zusätzliche Umweltfaktoren, um die Zuverlässigkeit von Dämmen und Deichen zu verbessern. „Hier wollen wir die Prognosegüte noch verbessern, um das Verhalten von Flüssen und Meeren besser überwachen zu können und die Sicherheit der Menschen auch bei hoher Flut zu erhöhen“, erklärt Lang. Dazu müssen die jahreszeitlichen Niederschläge und Windrichtungen in der Ostseebucht sowie die Wasserstände der Flüsse berücksichtigt werden. Das Flutüberwachungssystem soll künftig auch in London und Amsterdam eingesetzt werden.

„Seit der Gründung der Siemens-Forschung in Russland im Jahr 2005 haben die Kooperationen mit russischen Top-Universitäten schon viele Früchte getragen“, sagt Dr. Martin Gitsels, Leiter von CT Russia: „Das reicht von Lösungen zur Verkürzung von Entwicklungszeiten für gasisolierte Hochspannungsschalter bis zur intelligenten Software für die Überwachung von Windturbinen. “Und er fügt hinzu: „Ich bin überzeugt, dass wir dank der hohen Kompetenz unserer russischen Partner bald weitere Innovationen entwickeln können: etwa bei der Kohlevergasung, den schnell drehenden Turbinen oder der integrierten Fabrik.“