Nanopartikel als Lichtschalter

Bestrahlt man Nanostäbchen aus Gold mit ultrakurzen Laserpulsen, wird blaues Licht abhängig von der Wellenlänge des Laserlichts an unterschiedlichen Stellen abgestrahlt. Minimale Änderungen der Wellenlängen reichen aus, um die Nano-Lichtquellen gezielt ein- und auszuschalten. *Bild: Uni Bayreuth*

Experimentalphysiker der Universität Bayreuth haben eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, metallische Nanopartikel als gezielt ein- und ausschaltbare Lichtquellen zu nutzen. Die Wissenschaftler um Professor Markus Lippitz sehen in dem neuen Verfahren unter anderem das Potenzial, elektronische Schaltungen auf Computerplatinen künftig durch schnellere optische Schaltungen zu ersetzen.

Dazu untersuchten die Forscher Nanostäbchen aus Gold. Die jeweils 270 nm langen Stäbchen wurde dabei in voller Länge wiederholt einer sehr kurzen, aber intensiven Bestrahlung durch Laserlicht ausgesetzt. Die dadurch angeregten Partikel reflektieren dieses Licht – aber so, dass das abgestrahlte Licht nicht überall die gleichen Wellenlängen wie der einfallende Laserstrahl hat.

Wird ein Nanostäbchen beispielsweise durch rotes Laserlicht angeregt, strahlt es nicht nur rotes Licht ab, sondern auch energiereicheres blaues Licht. Die Physiker konnten zeigen, dass das blaue Licht – im Unterschied zum energieärmeren roten Licht – nicht gleichmäßig vom gesamten untersuchten Nanostäbchen abgestrahlt wird. Es leuchtet vielmehr nur an wenigen und sehr kleinen Stellen des Partikels.

Um diese punktförmigen Emissionszentren zu beobachten, kombinierten die Wissenschaftler ein leistungsstarkes Mikroskop mit einem speziellen Abbildungsverfahren. Darüber fanden sie heraus, dass die Anzahl und die Positionen der Emissionszentren variieren: Sie richten sich nach der Wellenlänge des Laserlichts, mit dem das Nanostäbchen bestrahlt wird.

Je nach Wellenlänge wird blaues Licht beispielsweise nur an einer einzigen Stelle in der Mitte des Stäbchens oder nur an dessen beiden Enden abgestrahlt. Bereits minimale Veränderungen (25 nm) der Wellenlänge des Laserlichts sollen ausreichen, um diese winzigen Lichtquellen gezielt ein- und auszuschalten.

„Es ist damit das erste Mal, dass wir eine Lichtquelle auf der Nanoskala so exakt steuern können“, unterstreicht Professor Lippitz. Die im Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlichten Forschungsergebnisse können über den nachfolgenden c’t-Link abgerufen werden. (pmz@ct.de)

Nano-Lichtschalter: ct.de/y7gw

Microsoft testet Unterwasser-Rechenzentrum

Microsoft hat erste Versuche mit einem Unterwasser-Rechenzentrum abgeschlossen. Die Stahlbehälter sollen im Meer versenkt werden und mindestens fünf Jahre dort verbleiben. *Bild: Microsoft*

Werden neue Rechenzentren geplant, spielen meist drei Faktoren eine entscheidende Rolle: sichere Umgebung, günstiger Strom, einfache Kühlung. Beliebt sind insbesondere Standorte in der Nähe von Flüssen oder direkt am Meer, um das dort vorhandene Wasser zur Kühlung und Stromerzeugung zu nutzen. Der Microsoft-Konzern geht einen Schritt weiter und testet im Rahmen des Projekts Natick den Betrieb von Rechenzentren, die vollständig im Meer versenkt werden.

Laut Microsoft wurde ein Unterwasser-Prototyp namens Leona Philpot (eine Figur aus dem Microsoft-Spiel Halo) bereits im Zeitraum von August bis November 2015 für mehr als einhundert Tage in zehn Metern Tiefe im Pazifik vor der Küste Kaliforniens betrieben. Der mit Stickstoff gefüllte zylindrische Stahlbehälter mit einem Durchmesser von etwa 2,5 Metern enthielt außer einem Server-Rack und Wärmetauschern auch zahlreiche Sensoren, um Drücke, Feuchtigkeit im Inneren und Bewegungen aufzuzeichnen. Außerdem wurden Daten zu eventuellen thermischen und akustischen Umweltbelastungen durch den Stahlbehälter erfasst.

Voraussichtlich im kommenden Jahr will Microsoft einen weiteren Test in größerem Maßstab und in größeren Tiefen durchführen, möglicherweise in Florida oder in Nordeuropa. Bis das System marktreif ist, soll es aber noch einige Herausforderungen geben. Da Microsoft von einer Nutzungsdauer von mindestens fünf Jahren für das Unterwasser-Rechenzentrum ausgeht, müssten beispielsweise extrem wartungsarme Server konzipiert werden.

Andererseits müssten die Computer aber nicht – wie in herkömmlichen Rechenzentren üblich – in genormten Racks angeordnet werden, damit sie für Techniker erreichbar sind, sondern könnten wesentlich platzsparender eingebaut werden. Mit dem zweiten, deutlich größeren Prototypen soll auch getestet werden, in welchem Umfang sich Meereswellen-Energie für eine autarke Stromversorgung des Unterwasser-Rechenzentrums nutzen lässt. (pmz@ct.de)

Natick-Projekt: ct.de/y7gw

Lithium-Ionen-Zelle mit eingebauter Heizung

Wissenschaftler der Pennsylvania State University haben eine Lithium-Ionen-Zelle für den Automotive-Bereich entwickelt, die sich bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt selbstständig aufwärmt. *Bild: Penn State University*

Kälte ist der Feind jeder Lithium-Ionen-Zelle (LiIO): Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts laufen die elektrochemischen Reaktionen im Inneren deutlich träger ab. Als Folge bekommt man weder hohe Ströme in die Zelle hinein noch aus der Zelle heraus; auch die Kapazität leidet.

Elektroautos haben deshalb Heizungen für ihre Akkusysteme eingebaut, damit diese auch im Winter ohne wesentliche Einschränkungen nutzbar sind. Allerdings werden die Heizelemente üblicherweise außerhalb der Zellverbünde angebracht. Sie erwärmen also nicht direkt die Zellen, sondern das gesamte Akkumodul. Das wiederum kostet viel Energie und reduziert somit die Reichweite des Elektrofahrzeugs.

Wissenschaftler der Pennsylvania State University in den USA wollen dies ändern: Sie haben eine Lithium-Ionen-Zelle entwickelt, in der zusätzlich eine dünne Nickelfolie als Heizelement steckt. Diese Folie ist fest mit der einen Elektrode verbunden – und über einen Schalter mit der anderen. Bei Temperaturen unterhalb 0° Celsius schließt der Schalter automatisch, sodass Strom durch die Folie fließt und diese erwärmt. Die Heizleistung landet also unmittelbar dort, wo sie gebraucht wird.

Oberhalb des Gefrierpunkts öffnet sich der Schalter wieder, sodass keine weitere Energie zum Heizen verschwendet wird. Laut den Penn-State-Forschern funktioniert das Aufwärmen relativ schnell und im Vergleich zu bisherigen Akkuheizungen auch mit geringerem Energieaufwand: Das Aufheizen von minus 20 Grad Celsius soll rund 20 Sekunden dauern und 3,8 Prozent der Zellkapazität beanspruchen. Beim Aufwärmen von minus 30 Grad geben die Wissenschaftler 30 Sekunden und 5,5 Prozent an.

Für Smartphone- oder Notebook-Akkus ist die Technik allerdings weniger geeignet. Solche Geräte werden üblicherweise keinen extrem tiefen Temperaturen ausgesetzt, eine Heizung ist deshalb nicht nötig. Hinzu kommt, dass die Nickelfolie den Akkuaufbau nicht nur etwas komplizierter und damit teurer macht. Sie nimmt den Aktivmaterialien auch Volumen weg, was wiederum die Energiedichte reduziert. (mue@ct.de)