Trendreport MST 2020 Innovative Ideen rund um die Mikrosystemtechnik - Oliver Pfirrmann | Michael Astor - Prognos AG
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Oliver Pfirrmann | Michael Astor
Trendreport MST 2020
Innovative Ideen rund um die Mikrosystemtechnik
Prognos Studien Innovation
Inhalt
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ................................................................................................................................................... 3
Mikrosysteme – von einer Anwendung zur Nächsten ... ...................................................................... 6
Airportpass ................................................................................................................................................. 8
Mikroreaktoren für Multi-Purpose-Anlagen in der chemischen Industrie ...................................... 12
Mikro-Brennstoffzelle .............................................................................................................................. 16
Das sichere Auto 2020 .............................................................................................................................. 20
Biokompatibles Insulinpumpensystem ................................................................................................. 24
Food Chain Management 2020 ................................................................................................................ 28
Gesamtwirtschaftliche Bedeutung der MST .......................................................................................... 32
Glossar ......................................................................................................................................................... 32
Literatur ...................................................................................................................................................... 33
3
Trendreport MST 2020 Einleitung
Einleitung Festgehalten werden kann: Mikrosystemtechnik in Deutschland
hat bis heute ein technologisches Niveau erreicht, das industri-
ellen Anwendern vielfältige Optionen eröffnet. Das bisher Er-
reichte stellt eine Grundlage dar für eine Vielzahl von möglichen
mit Blick auf die großen Energiefragen der Zukunft eine immer
intensiver diskutierte Option. Die damit einhergehenden Effekte
für die Umwelt, die durch miniaturisierte und überall einsetzbare
Brennstoffzellen entstehen, liegen auf der Hand. Und auch das
Applikationen in der industriellen Fertigung und in konsumna- Beispiel aus der Medizintechnik zeigt, dass Volkskrankheiten wie
hen Produkten. Welche Möglichkeiten das sind, dazu will diese Diabetes durch Mikrosystemtechnik wirksamer und mit geringerer
Broschüre im Folgenden berichten. Ausgewählt wurden sechs Belastung für die Patienten behandelt werden können.
Fallbeispiele auf Grundlage einer Analyse vorhandener Trendstu-
dien und Gesprächen mit Experten zur Mikrosystemtechnik. Die Allumfassende Lösungsvorschläge für die gesellschaftlichen
Beispiele liegen bewusst in der Zukunft. Die für alle Fallbeispiele Herausforderungen dieser Zeit kann Mikrosystemtechnik allein
standardisierten Abbildungen zu den einzelnen Themengebie- nicht bieten. Technik ist nicht autonom, sondern wird im Kontext
ten der Mikrosystemtechnik wie z. B. Sensorik oder Systemin- von Wirtschaft, Gesellschaft und Politik entwickelt. Märkte, Ver-
tegration zeigen dabei den industriellen Reifegrad an. Deutlich braucherverhalten und staatliche Förderung sind dabei wichtige
wird, dass das Potenzial der Mikrosystemtechnik bei weitem noch Größen. Gleichwohl bedeutet der durch die Mikrosystemtechnik
Durch Miniaturisierung und Intelligenz zu nicht ausgeschöpft ist. Es gibt noch eine Reihe von Wirtschafts- induzierte Innovationsschub einen technologischen Fortschritt
zweigen, die Bedarf an miniaturisierten und intelligenten Pro- in vielerlei Hinsicht. Im Vordergrund stehen positive Effekte auf
mehr Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit dukten haben. Exempel in der Broschüre dazu sind die chemische wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit, Energieeinsparung und
Industrie, die Lebensmittelindustrie oder die Betreiber großer Umweltschutz sowie mehr Sicherheit für die Gesellschaft. Durch
Infrastrukturanlagen wie Flughäfen und Bahnhöfe. In diesen die Mikrosystemtechnik hat sich der Wissenschafts- und Wirt-
Der Trend zur Verkleinerung technischer Lösungen und Konsum- tragen, die zur Realisierung dieser Produkte notwendigen elek- Branchen stehen große Veränderungen an. Sei es, weil Maschi- schaftsstandort Deutschland im internationalen Vergleich Chan-
güter hält auch zu Beginn des 21. Jahrhunderts unvermindert trischen, mechanischen oder optischen Komponenten in ihren nen und Anlagen modernisiert werden müssen, sei es, weil um- cen eröffnet. Damit das in Zukunft so bleibt, muss es weiterhin
an. Würde man all die Elektronik, die sich heute im Automobil Abmessungen zu verkleinern und durch Integration in Systeme welt- und sicherheitspolitische Regulierungen umzusetzen sind Möglichkeiten geben, technologisch anspruchsvolle Vorhaben
befindet, ohne Miniaturisierung einbauen, dann würde jeder intelligent und vermehrt auch lernfähig zu machen. Entwick- oder sei es, weil Kunden und Verbraucher mehr Informationen im Technologiefeld Mikrosystemtechnik zu entwickeln.
PKW einen Anhänger benötigen. Diese Aussage aus der Indus- lungen in der Mikro- und Optoelektronik, im Softwarebereich über ihre Produkte verlangen. Die ausgewählten Beispiele sollen
trie ist ein Beleg für die Relevanz der Miniaturisierung. In ihren und auch der modernen Biotechnologie haben diesen Prozess aufzeigen, wie Mikrosystemtechnik dazu beitragen kann, diese Die Autoren danken den zahlreichen Gesprächspartnern, die bei
Abmessungen immer kleinere Notebooks, Handys oder CD-Plat- unterstützt, sie haben aber auch davon profitiert. Unterneh- Anforderungen zu lösen. der Erarbeitung der Fallbeispiele zur Verfügung standen. Spe-
tenspieler, die bequem in jeder Jackentasche Platz finden, sind men in diesen Technologiefeldern konnten mit Hilfe der Mikro- zieller Dank gilt unserer Kollegin Frau Almut Kirchner, die sich
weitere bekannte Beispiele für diese Entwicklung. Doch nicht systemtechnik ihr Leistungsprofil ausweiten. Stichworte dazu Auch die anderen Fallstudien zeigen künftige Lösungspotenziale des Themas Mikro-Brennstoffzellen angenommen hat, sowie
nur diese augenfälligen Produkte sind herauszuheben. In der sind neue Hardware- und Netzdesigns, Multischichtsysteme für auf Basis der Mikrosystemtechnik auf. Im Automobilsektor ist MST Herrn Patric Salomon von 4m2c, der für die Abfassung des ers-
Chirurgie, bei medizintechnischen Prothesen, in der Sicher- optische Displays oder miniaturisierte Probenvolumina für die heute bereits unverzichtbar bei elektronischen Komponenten. ten Beispiels zum Beschleunigungssensor mit verantwortlich ist.
heits- und Gebäudetechnik und nicht zuletzt in der industri- biomedizinische Zellforschung. Die ökonomische Relevanz der Doch sind diese Potenziale weiter ausbaubar. Sie können dann Weiterhin gilt unser Dank Frau Katharina Hochfeld, Frau Simone
ellen Produktion haben miniaturisierte technische Lösungen Mikrosystemtechnik (MST) ist damit indes nur unzureichend dazu beitragen, große Verkehrsströme besser zu steuern und Si- Kaiser und Herrn Thomas Klötzer, die sich mit besonderem En-
dazu beigetragen, alte Probleme besser zu lösen oder bisher beschrieben. Sie ergibt sich vor allem auf den nachgelagerten cherheitsrisiken abzubauen. Positive Nebeneffekte sind dabei ein gagement den projektassistierenden Arbeiten gewidmet haben,
ungelöste Aufgaben lösbar zu machen. Höhere Effektivität bei Stufen des Wertschöpfungsprozesses durch die Integration ein- geringerer Energie- und Materialverbrauch. Energiefragen sind sowie dem Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH.
der Durchführung, geringerer Materialverbrauch und Energie- zelner MST-Komponenten in komplexere Produktsysteme wie Gegenstand eines weiteren, auf Basis der MST bereits seit eini-
einsparung sind nur einige Effekte, die durch Miniaturisierung z. B. Fertigungsanlagen im Maschinenbau, technische Geräte gen Jahren bearbeiteten Themas. Mikro-Brennstoffzellen sind Berlin im Dezember 2006
erreicht worden sind. Damit aber nicht genug. Eine weitere Di- der medizinischen Diagnose und Therapie oder Verkehrsmittel
mension ist die Verknüpfung unterschiedlicher Funktionen, die wie Autos und Flugzeuge. Mikrosystemtechnik hat in Deutsch-
Produkte nicht nur multifunktional, sondern auch intelligent land dazu beigetragen, dass diese Branchen auf internationa-
gemacht haben. Ein Beispiel dafür sind moderne Notebooks. len Märkten ihre Wettbewerbsfähigkeit erfolgreich unter Be-
Waren diese anfänglich nicht gegen äußere Einwirkungen wie weis gestellt haben. Die gesamtwirtschaftliche Bedeutung der
z. B. einen Sturz gesichert und drohte ein Totalschaden durch Mikrosystemtechnik steht damit außer Frage.
Zerstörung von Schreib-Lesekopf und Festplatte, haben neue
technische Lösungen dafür eine Vorkehrung. Ein miniaturisier- Auch und gerade in technologischer Hinsicht ist Deutschland
ter Sensor überwacht das Notebook und meldet Veränderungen im Feld der Mikrosystemtechnik international gut positioniert.
an den Schreib-Lesekopf. Bei entsprechenden Signalen wird Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat
die Arbeit beendet und der Schreib-Lesekopf fährt in seine ge- frühzeitig die Potenziale der MST erkannt und kann inzwischen
sicherte Ruheposition zurück. Der Sturz führt dann zu unver- auf über fünfzehn Jahre erfolgreicher Förderung zurückbli-
meidlichen Schäden am Notebook-Gehäuse, nicht aber an der cken. Anknüpfend an die Förderung der Mikroelektronik und
empfindlichen Elektronik und die Daten bleiben gesichert. Mikroperipherik hat das BMBF in unterschiedlichen Phasen die
MST gefördert: Zu Beginn die technologischen Grundlagen,
An all diesen Errungenschaften hat die Mikrosystemtechnik dann Systemtechnologien und erste Anwendungsprojekte, da-
einen wichtigen Anteil. Mikrosystemtechnik ist eine Schlüs- nach die Einführung der MST in der Industrie, anfänglich ohne
seltechnologie, die technische Lösungen und Konsumgüter Schwerpunktsetzungen und zwischenzeitlich mit Schwerpunkt-
miniaturisiert und intelligent gemacht hat. Sie hat dazu beige- setzungen in bestimmten Branchen und Handlungsfeldern.
5
Trendreport MST 2020 Mikrosysteme – von einer Anwendung zur Nächsten ...
Mikrosysteme – Einfluss auf traditionelle Märkte
und Unternehmen
von einer Anwendung
Beschleunigungssensoren sind heute als Standardkomponenten
für 3-dimensionale Messungen mit geringer Baugröße (Dicke
Foto: Robert Bosch GmbH
unter 1 mm) und digitalem Ausgangssignal kostengünstig (Stück-
zur Nächsten ...
preis ab 3 €) verfügbar. Hergestellt in hohen Stückzahlen durch
Großunternehmen in deren hoch-automatisierten Halbleiter-
fertigungslinien bieten die Standardkomponenten jetzt auch
Möglichkeiten für kleinere Unternehmen in neuen Märkten. In-
tegriert in Systemanwendungen, auf die in der Regel kleinere
5 Schematische Darstellung eines Beschleunigungssen- Unternehmen spezialisiert sind, kann eine profitable Wertschöp-
sors in Oberflächenmikromechanik. Beim Auftreten ei- fung mit neuen Anwendungen erreicht werden; zum Beispiel:
ner Beschleunigung (grüne Pfeile) wird die bewegliche
Wie Komponenten und Technologien, die für einen Struktur mit der seismischen Masse (blau) ausgelenkt. 4 in der präzisen Steuerung von Roboterarmen in Maschinen-
Dadurch verändert sich der Abstand der beweglichen bau und Prozesstechnik,
bestimmten Markt entwickelt wurden, plötzlich in anderen Kammstruktur zur festen Kammstruktur (orange), 4 in der Belastungsüberwachung von Werkzeugen,
Feldern eine neue Dynamik entwickeln; hier am Beispiel wodurch eine Änderung der Kapazität auftritt, die ein 4 bei der Messung von Erschütterungen in Logistik und Trans-
Maß für die ursächliche Beschleunigung ist. portüberwachung,
der Beschleunigungssensoren. 4 bei der Überwachung der Belastung von operierten Gelen-
ken in der Medizin/Rehabilitation
4 bis hin zur Leistungsoptimierung im Sport.
kostengünstige Komponenten mit geringer Baugröße und nied-
rigem Stromverbrauch. Ermöglicht wurde dies durch hohe Stück- Ein gutes Beispiel ist auch das frühzeitige Erkennen des Ausfalls
zahlen, die einhergingen mit einer kostengünstigen Fertigung von mechanischen Komponenten wie Lüftern, Pumpen und Mo-
bei geringeren Qualitäts- und -Sicherheitsanforderungen. Dem toren, die in der Prozessindustrie häufig hohe Ausfallkosten ver-
breiten Einsatz von Beschleunigungssensoren in Consumer-Pro- ursachen. Änderungen in deren Schwingungseigenschaften ge-
dukten hat das indes nicht entgegengestanden. ben zuverlässig Auskunft über deren Verschleiß und lassen sich
vom Beschleunigungssensor als Kern eines kleinen Zusatzmoduls
In Mobiltelefonen und PDAs werden Beschleunigungssensoren detektieren, gegebenenfalls kombiniert mit Signalverarbeitung,
als Ersatz von Tastenfunktionen, zur Navigation (in Verbindung drahtlosem Datentransfer und eigener Energieversorgung aus
mit GPS), als Schrittzähler (Pedometer) und für neue Komfort- der bewegten Komponente.
funktionen eingesetzt. Ein weiterer Preisverfall ist hier für die
nächsten fünf Jahre deutlich abzusehen und bei Preisen um 1 € Aber auch Rückwirkungen der neuen Komponentengeneration auf
wird der Beschleunigungssensor gemäß einer Studie der Bera- etablierte Märkte von Beschleunigungssensoren – wie den Auto-
Foto: ST Microelectronics
tungsfirma WTC bald zur Standardkomponente im Mobiltelefon. mobilsektor, die Luft- und Raumfahrt und militärische Anwen-
Potenziale bieten dann Funktionen zum Bedienungskomfort, dungen – werden erwartet. Hier wird derzeit die Frage diskutiert,
wie z. B. die automatische Drehung des Bildes bei Drehung des welches die erfolgreichere Strategie zur Technologieentwicklung
Telefons, das Abschalten des Displays beim Telefonieren, auto- und Markteinführung darstellt: die Entwicklung eines hoch-quali-
matisches Ein-/Ausschalten des Vibrationsalarms bzw. Weiter- tativen (und damit auch höher-preisigen) Produktes zum Beispiel
leiten von Anrufen in Abhängigkeit von der Aufmerksamkeit des für den Automobilmarkt, welches später für den kostengünstige-
Benutzers. ren Massenmarkt (Consumer-Produkte) „abgespeckt“ wird, oder
Erste Beschleunigungssensoren unter Verwendung von Mikrosys- Dennoch sorgten hohe Stückzahlen schon in den 90er Jahren der umgekehrte Weg über das kostengünstige Massenprodukt und
temtechnik wurden bereits in den 80er Jahren entwickelt und für für einen Preis unter 10 €. Nicht zuletzt dieser Preis hat dafür Bereits Realität im iPOD ist der Schutz der Festplatte bei Sturz über eine spätere Steigerung der Qualitätsanforderungen beide
eine breite Anwendung im Automobil in den 90ern zur Marktreife gesorgt, dass inzwischen in Mittel- bis Oberklasse-Automobilen oder zu schneller Bewegung; diese Anwendung wird derzeit zu- Märkte zu erobern. So gibt es erste Anzeichen, dass Firmen des
gebracht. Sie stellen damit nach Drucksensoren die ältesten kom- deutlich mehr als ein Beschleunigungssensor eingebaut wird. nehmend auch im Laptop aktuell. Weitere Einsatzfelder werden Consumer-Marktes jetzt auch den Automobilmarkt anpeilen.
merzialisierten Produkte der Mikrosystemtechnik dar. Sie haben Eingesetzt werden diese für diverse Airbags und weitere Sicher- durch die Industrie bereits anvisiert: in Computerspielen wird
bis heute ein sehr breites Anwendungsspektrum entwickelt. heitsfunktionen wie das Stabilitätssystem ESP, aber auch in Sys- der althergebrachte Joystick durch ein beliebig geformtes Mo- Das Beispiel Beschleunigungssensor zeigt: Industriell verwen-
temen zur Fahrerassistenz und Navigation. dul mit Beschleunigungssensor im Innern ersetzt – dieses bietet dete MST-Komponenten und MST-Technologien aus gesättigten
Entwicklung und erster Markterfolg realitätsnahe Navigation im 3-dimensionalen Raum und einen Märkten haben Chancen in neuen Märkten. Durch eine indus-
Attraktivität für andere Märkte Millionenmarkt der neuen Spielkonsolen. In Kameras und Cam- trielle Verbreitung entstehen Preisvorteile. Je mehr von einer
Für den Beschleunigungssensor im KFZ gelten naturgemäß hohe cordern schützen Beschleunigungssensoren zusammen mit einer Komponente eingesetzt wird, desto profitabler wird sie für neue
Sicherheitsstandards und Qualitätsanforderungen. Ursprünglich In so genannten Consumer-Produkten wie z. B. Mobiltelefonen schnellen Signalverarbeitung den Hobbyfilmer vor verwackelten Einsatzgebiete. Damit werden Anwendungen ermöglicht, die
wurde er für sicherheitsrelevante Anwendungen wie die Früher- oder Computern fanden Beschleunigungssensoren erstmals um Bildern. heute nicht oder nicht in Gänze absehbar sind und Vorteile für
kennung eines Aufpralls zur Auslösung des Airbags entwickelt. das Jahr 2000 Eingang. Die Anforderung der Hersteller war: Unternehmen und Verbraucher schaffen.
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Trendreport MST 2020 Airportpass
Airportpass Das Beispiel Flughafen verdeutlicht, welche Anforderungen zu
lösen sind, um Passagieren, Besatzungen und Bodenpersonal
einen einfachen und zugleich gesicherten Zugang zu ermögli-
dann Geld, wenn ihre Maschinen unterwegs sind. Im Vordergrund
steht mithin die sichere und möglichst schnelle Abfertigung von
Personen, Gepäck und Gütern für den Transport. An größeren
chen. Es gibt zwar bereits Ausweise für Servicepersonal im Tran- Flughäfen wie z. B. Frankfurt arbeiten fast 70.000 Personen.
sit- und Sicherheitsbereich sowie neuere Ansätze wie biometri- Jeder von ihnen, sei es im Transit-, Sicherheitsbereich oder auf
sche Reisepässe und die Überwachung öffentlicher Räume durch dem Vorfeld, muss wie die Fluggäste untersucht werden. Dabei
Videokameras. Diese Konzepte bieten aber nur bedingt Schutz spielt es gegenwärtig keine Rolle, wie oft der Mitarbeiter die
und sind gesellschaftlich nicht unumstritten. Sie stellen keinen sicherheitsrelevante Zone verlässt und wieder betritt. Im Ein-
gezielten Objektschutz dar und gehen vor allem zu Lasten der zelfall sind das mehrere aufwendige Kontrollen am Tag. Darüber
Wirtschaftlichkeit, da der gewachsene Überwachungsaufwand hinaus gilt es Personen, die den Flughafen nur zum Einkaufen
bisher in keiner wirtschaftlichen Relation zum Ergebnis steht. benutzen, in die Sicherung einzubeziehen. Dieser Personenkreis
Beispielsweise sind so genannte Low-Cost-Carrier bestrebt, Ein- soll zwar den Flughafen nutzen, jedoch ist er von den Personen
check- und Standzeiten zu minimieren. Sie verdienen vor allem abzugrenzen, die weiterreisen wollen.
Der Hintergrund
Die Produktidee
Die zunehmende Mobilität von Gesellschaften und der wach- Die mit dieser gestiegenen Bedeutung einhergehende Dynamik
sende, immer mehr global verlaufende Warenaustausch lassen sowie die seit dem 11. September 2001 veränderte Sicherheits-
sich gut an der Bedeutung und Entwicklungsdynamik von Flug- lage erfordern neue Konzepte. Was in den USA unter dem Begriff Mit einem Airportpass (bzw. einer Airport-ID-Card) sollen Ungeachtet einer noch nicht festgelegten Ausgabepraxis
häfen erkennen. Flughäfen erfüllen die Rolle des Verbindungs- Homeland Security firmiert und sich zwischenzeitlich zu einem Fluggäste und Personen ausgestattet werden, die Zutritt – hoheitliches oder privates Dokument – besteht eine Reihe
knotens für den Personentransport zwischen Städten. Gleich- bedeutenden Wirtschaftsfaktor etabliert hat, wird in Deutsch- zu den sicherheitsrelevanten Bereichen des Flughafens be- von technologischen Anforderungen, deren Aufgreifen durch
zeitig sind sie bedeutsame Umschlagplätze für den schnellen land von Wirtschaft, Wissenschaft und Politik aufgegriffen. Der sitzen. Die Idee ist, dass jeder Fluggast/Beschäftigte einen die MST vielfältige Perspektiven, sowohl technologischer als
Warenaustausch zwischen Ländern (Airside-Funktion). Mehr Schutz gesellschaftlich sensibler technischer Anlagen wie z. B. eigenen, individualisierten Airportpass erhält. Der Pass soll auch ökonomischer Natur, in sich bergen.
und mehr werden sie indes auch zu lokalen Handelsplätzen für Kraft- oder Wasserwerke und verkehrtechnischer Infrastruk- folgende Anforderungen erfüllen:
Reisende und für Besucher aus der Region, die an Flughäfen turen wie Bahnhöfe oder Flughäfen gilt wissenschaftlichen
Einkaufsmöglichkeiten nutzen wollen (Landside-Funktion). Untersuchungen zufolge als eine der größten technologischen 4 Zutrittsregelungen (Airside)
Flughäfen sind damit nicht nur in ihrer Entstehungs-, sondern Herausforderungen der Gegenwart. Ihre Sicherung stellt bereits 4 Identifizierung des Flughafennutzers bzw.
gerade auch in ihrer Betriebsphase Wirtschaftsmotoren für die heute einen wesentlichen Kostenfaktor auf staatlicher wie wirt- 4 Speicherung biometrischer Daten zur Vereinfachung
Entwicklung von Regionen. schaftlicher Ebene dar. von Grenzkontrollen (Schengen, Nicht-Schengen)
4 Gepäckmanagement, -identifkation
4 Boardingpass
4 E-Ticket mit Angaben zum Flugverlauf
Durch die Verbindung von mikrosystemtechnischen Kompo-
nenten und informationstechnischen Lösungen kann auf die-
se Weise ein Gesamtsicherheitskonzept angestrebt werden.
Mit dem Airportpass können viele Vorgänge an Flughäfen ver-
einfacht und sicherer gestaltet werden. Der gesamte Vorgang
der Ticketausstellung erfolgt elektronisch, wird auf dem Pass
gespeichert und beschleunigt so den Check-In-Vorgang. Die
Legitimation über den Airportpass erleichtert den Zugang
zum Airside-Bereich für berechtigte Personen (z. B. Ser-
vice-Mitarbeiter oder Fluggäste, die den Duty-free-Bereich
nutzen wollen). Sie greift darüber hinaus bei Abflügen oder
Ankünften, wenn schnell und zuverlässig Gepäck identifiziert
werden muss. Anders als bisher, wo im Extremfall das ganze
Gepäck ausgeladen, persönlich identifiziert und dann wieder
Fotos: Bundesdruckerei
eingeladen wird, kann nun mit Hilfe von elektronischen Iden-
tifikationsmedien eine schnelle Zuordnung der Gepäckstücke
Foto: www.pixelquelle.de
vorgenommen werden. Ein weiterer Vorteil des Airportpasses
ist die Möglichkeit, in Schadensfällen Aussagen über den ak-
tuellen Aufenthalt von Personen zu treffen. 5 Bundesdruckerei-Gates für eine sichere Zutrittskontrolle.
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Trendreport MST 2020 Airportpass
Die technologische Herausforderung Weiterhin notwendig ist ein entsprechendes Display für den Natürlich wird nicht nur die technologische Weiterentwicklung
Airportpass, damit der Inhaber individuell zu persönlichen In- von MST- und IT-Lösungen zur Optimierung von Sicherheits- und
formationen gelangen kann (z. B. Reiszeiten, Flugplan), krypto- Schutzmaßnahmen beitragen. Gebraucht werden umfassende
che Ortung ermöglicht, nicht rentabel und technisch auch nicht graphische Lösungen, um die Airportpassinformationen gegen Analysen von Gefahrenpotenzialen, die Auswertung von Unfällen
mehr ausreichend. Vielmehr bedarf es intelligenter Netze, die die Missbrauch zu schützen, sowie IT-Systeme bzw. entsprechende und Beinaheunfällen, von Anschlägen und vereitelten Anschlä-
vielen Informationen aller Airportpass-Inhaber aufnehmen, ver- Architekturen für die Speicherung und Steuerung der Daten- gen und deren Überführung in gesellschaftlich breit akzeptierte
arbeiten, weiterleiten und steuern. Beispielsweise ist für Nutzer mengen. Hier besteht die Notwendigkeit der fachübergreifenden Präventionskonzepte. Maßnahmen und Sicherheitsgewinn müs-
sicherheitssensibler Bereiche wie Polizei, Feuerwehr und Boden- Zusammenarbeit, insbesondere von MST- und IT-Experten – an- sen dabei in einem vernünftigen Verhältnis stehen, sowohl aus
personal eine stetige Ortung zu gewährleisten. Einfache Sensor- gesichts des großen Marktes bzw. entsprechender Stückzahlen ökonomischer Sicht als auch aus einer datenschutzrechtlichen
systeme sind für diese Fälle nicht mehr hinreichend, da die fort- eine Herausforderung, die einen hohen wirtschaftlichen Nutzen Perspektive. Der technologische Fortschritt durch neue Sicher-
Foto: www.pixelquelle.de
laufende Positionsbestimmung mit der Zeit immer ungenauer verspricht. heitslösungen auf Basis der MST kann dabei Verbesserungsvor-
wird. Für diese Anwender müssen Kombinationen unterschied- schläge anbieten, indes keine allumfassenden Antworten geben.
licher Ortungssysteme entwickelt werden. Benötigt werden ak- Der gegenwärtige Entwicklungsstand der relevanten Techniken
tive, passive, direkte und indirekte Komponenten, die darüber und Komponenten für den Airportpass lässt eine kurzfristige
hinaus mit einer autonomen Energieversorgung ausgestattet Umsetzung in Gänze nicht erwarten. Vielmehr ist davon auszu-
sind. Solche Hybrid-Systeme können über eine Verbindung fes- gehen, dass ein technischer Prototyp im Kontext anstehender
Der Stand der technischen Entwicklung ist für die verschiedenen, ter Infrastruktur wie aktive Transponder mit mobilen Sensoren Flughafenneubauten mit begrenzter Funktionalität eingeführt
durch den Airportpass angesprochenen technologischen Themen realisiert werden. Dieser Verbindungsansatz stellt eine Neuerung wird, z. B. Zugangsberechtigung mit biometrischen Daten, und
durchaus viel versprechend. Bereits heute gibt es Sicherheits- im Bereich der Personenortung dar, weil er die Positionsgenau- diese Lösung in den Folgejahren sukzessive um weitere Funktio-
systeme über Augenerkennung (z. B. am Flughafen Amsterdam), igkeit über längere Zeit gewährleistet. Es handelt sich zudem um nalitäten wie Gepäckidentifikation, E-Ticket erweitert wird. Der
weitere Modellprojekte an englischen Flughäfen sowie am Flug- ein zentrales Aufgabenfeld der Mikrosystemtechnik und wie ver- neue Reisepass für Bürger der Bundesrepublik Deutschland, der
hafen Frankfurt/Main zu Themen wie „face recognition“ oder schiedene Neuentwicklungen im Bereich Sensorik belegen auch biometrische Daten beinhaltet, hat bereits zu einer Vielzahl neu-
„finger print“, auf deren Erkenntnissen aufgebaut werden kann. eins, das durch die MST erfolgreich bearbeitet wird. Erforderlich er technischer Entwicklungen geführt. Mit der Service Oriented
ist allerdings ein gemeinsamer Standard, damit sowohl techni- Architecture (SOA) steht seitens der IT ein Konzept bereit, das
Eine zentrale, technologieübergreifende Herausforderung ist sche Komponenten und Systeme als auch Begrifflichkeiten und vergleichbar der MST spezifische, auf den jeweiligen Flughafen
Fotos: Bundesdruckerei
die Multifunktionalität des Airportpasses. Wie zuvor beschrie- Abläufe aufeinander abgestimmt harmonieren. Hier liegt nach abgestimmte Lösungen ermöglicht. Zweifelsfrei ist das nur ein
ben müssen große Datenmengen gespeichert werden (z. B. bi- allgemeiner Einschätzung die größte Herausforderung, wenn es erster Schritt auf dem Weg zu einem optimalen Schutzkonzept.
ometrische Daten von Fluggästen). Weiterhin müssen Signale gilt Normen und Standards auf internationaler Ebene mit dafür Aus ökonomischer Perspektive sinnvoll werden Lösungen wie
und Daten aufgenommen und wiedergegeben werden können. relevanten Organisationen wie der ICAO abzustimmen. der Airportpass vor allem dann, wenn möglichst viele Flughäfen,
Es müssen darüber hinaus auch Signale und Daten ausgesendet möglichst EU- oder sogar weltweit, daran beteiligt sind. Voraus- 5 VISOTEC – das Dokumentenprüf- und Lesegerät
werden können (Boardingpass, Flugverlaufsspeicherung, Gepä- setzung dafür sind, wie bereits erwähnt, einheitliche Normen der Bundesdruckerei.
ckidentifikation). Hier reicht die bereits verfügbare RFID-Technik und technische Standards.
(passive Transponder) nicht. Gerade in großen Einrichtungen Anforderungen an MST
wie Flughäfen ist eine große Infrastruktur, die eine kontinuierli-
Fallbeispiel Airportpass: Reifegrad von MST-Technologien
Bezüglich der Speicherung großer Datenmengen
liegen bereits bewährte Lösungen vor. Auf vorhandene
MST-Lösungen kann zurückgegriffen werden bei � � � ��������
4 Aufbau- und Verbindungstechnik (Kleber)
� � � �������
4 Systemintegration (z. B. Mikroleiterplatten)
4 Displays/OLEDs
4 Polymer-Batterien � � � ������������������
� � � ������������
MST-spezifische Lösungen sind ������������������
vor allem gefordert in der
� � � �����������������
Fotos: Bundesdruckerei
4 Sensorik (Multifunktionalität, auch bei rauen
Umgebungen z. B. beim Fluggepäck) � � ������������������������������������ ��������������������
4 aktive RFID-Transponder (Tags) mit Antenne und
entsprechender Gehäusung
���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� Die Balken symbolisieren den Um-
5 Biometrische Zutrittskontrolle durch die Identifikation 4 autonome und leistungsfähige Energieversorgung setzungsfortschritt der relevanten
des Fingerabdrucks. für die Sensorik und Tags Fachthemen der MST. Stand und Dynamik
des Umsetzungsfortschrittes sind aus der
���������������������������������������������������� jeweiligen Balkenlänge erkennbar.
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Trendreport MST 2020 Mikroreaktoren für Multi-Purpose-Anlagen in der chemischen Industrie
Mikroreaktoren für Multi- Die Verfahrensidee
Purpose-Anlagen in der Konzepte zum Einsatz technologisch und ökonomisch ver-
besserter Verfahren im Produktionsprozess der chemischen
turen in großen Mikroreaktoren. Wenngleich der Beweis der
technischen Machbarkeit erbracht worden ist, fehlt der Beleg
chemischen Industrie
Industrie gibt es bereits seit einigen Jahren. So genannte für die ökonomische Effizienz im großindustriellen Maßstab.
Multi-Purpose-Anlagen bilden dabei einen wichtigen Aus- Dies ist nicht zuletzt den unterschiedlichen Anforderungen
gangspunkt. In diesen Anlagen können unterschiedlich der stark mittelständisch strukturierten chemischen In-
große Mengen verschiedener Stoffe hergestellt werden. Die dustrie in Deutschland geschuldet. Es gilt, Multi-Purpose-
vorhandenen Verfahrenslösungen sind jedoch vor dem Hin- Anlagen unter Einsatz von Mikroreaktoren für eine Vielzahl
tergrund der veränderten Markt- und Wettbewerbssituation unterschiedlicher Anwendungsfelder zu konzipieren und
nicht optimal. Gerade in mittelständischen Unternehmen der gleichzeitig die weitere Forschung an miniaturisierten und
chemischen und auch pharmazeutischen Industrie, die Pro- wirtschaftlichen Lösungen voranzutreiben.
Der Hintergrund dukte im mittleren Mengensegment und einen hohen Kos-
tenanteil pro produziertem Kilogramm Substanz aufwenden
müssen, ist der Bedarf nach kostengünstigen und gleichzei-
verhindert. Wettbewerb, Kostendruck und auch regulierende tig flexiblen Lösungen groß. So existieren Produktionslinien,
Eingriffe durch staatliche Umweltauflagen haben die Rahmenbe- bei denen für die Aufreinigung und Abtrennung unerwünsch-
dingungen für die Produktion nun zwischenzeitlich verändert. ter Stoffe in Multi-Purpose-Anlagen bis zu 90 Prozent der
Gesamtkosten verwendet werden. Ziel der Überlegungen ist
Herauszuheben ist in diesem Kontext die REACH-Gesetzesinitia- also die Optimierung eines bestehenden Produktionssystems
tive der EU, die voraussichtlich 2007 in Kraft treten soll. Hinter unter Einsatz der Mikrosystemtechnik.
diesem Akronym verbirgt sich die Registrierung, Evaluierung und
Autorisierung von Chemikalien (Stoffe sowohl als Zubereitungen Die grundlegende Idee, chemische Reaktionen in durch Mi-
und auch als Produkte), die im Europäischen Markt hergestellt, krosystemtechnik miniaturisierten Kanälen (Mikroreaktoren)
verwendet oder vertrieben werden oder zum Import in die EU ablaufen zu lassen, wurde im Forschungszentrum Karlsruhe
gedacht sind. Die REACH-Initiative bedeutet eine vollständige Anfang der 90er Jahre konzipiert. Das BMBF hat verschie-
Beweislastumkehr in Hinblick auf die sichere Verwendung und dentlich diese Thematik aufgegriffen. Ein beispielhaftes
Handhabung von chemischen Produkten. Nicht mehr die Zulas- Demonstrationsvorhaben zur Evaluierung der Mikroreakti-
sungsbehörde ist aufgefordert, spezielle Risiken im Umgang mit onstechnik in industriellen Systemen war das DEMIS-Pro-
einer Chemikalie nachzuweisen, sondern der Produzent oder jekt mit einer Laufzeit von 2001 bis Ende 2004. Mit diesem,
Importeur deren bestimmungsgemäß sichere Verwendung. Ver- zweifelsohne erfolgreichen Vorhaben konnte allerdings noch
gleichbares steht für die pharmazeutische Industrie an. So wird nicht der industrielle Durchbruch erreicht werden. Fragen der
die National Food and Drug Administration in den USA ab 2010 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Reaktionstypen in
eine Offenlegung der gesamten Prozesskette bzw. Herstellungs- der chemischen Industrie sowie spezifische Fragestellungen
verfahren verlangen, mit ebenfalls bedeutenden Konsequenzen der Fertigung, Katalysatoreinbringung oder Maßstabsver-
für die Produktion von Pharmazeutika. Gesucht wird mithin nach größerung wurden nicht bearbeitet. Der in Marktstudien für
technischen Lösungen als Antwort auf die künftigen Herausforde- 2005 bzw. 2006 prognostizierte großindustrielle Einsatz von
rungen für die chemische und auch pharmazeutische Industrie. Mikroreaktoren in Prozessanlagen ist denn bisher auch nicht
eingetreten. Gleichwohl hat DEMIS gezeigt, dass der Einsatz
Neben dem Wunsch nach der Ablösung so genannter batch-Pro- von MST-basierten Lösungen nicht nur für hochwertige und
Die chemische Industrie in Deutschland mit gut einer halben Mio. zesse, also zeitversetzte Produktionsschritte durch kontinuierli- hochpreisige Substanzen relevant ist, sondern auch für die
Beschäftigten und über 140 Mrd. Euro Umsatz steht vor großen che Produktion zu ersetzen, steht der Wunsch, auf einer Anlage Herstellung von Massenchemikalien geeignet ist. Ein weite-
Herausforderungen. Produzenten aus China und Indien bieten in unterschiedlich große Mengen zu produzieren, also nach flexib- rer Effekt der BMBF-Förderung in der Mikroverfahrens- und
zunehmendem Maße die kostengünstige Herstellung von Grund- ler Produktion. Gewünscht werden auch Produktionssysteme, die Mikroreaktionstechnik war, dass der für die chemische Pro-
und Feinchemikalien an. Die Modernisierung von technisch be- bei Aufbau, Betrieb und Wartung vorteilhafter als herkömmliche duktion so wichtige Aspekt des scale-ups erfolgreich bearbei-
währten, aber nicht immer effizienten Herstellungsverfahren Systeme sind. Das betrifft die Aspekte Bedienbarkeit, Material- tet werden konnte. Dabei handelt es sich um die Übertragung
in der chemischen Industrie wird folgerichtig als eine wichtige verbrauch, Verschleiß und Sicherheit und – vor dem Hintergrund von Laborergebnissen auf die Produktion im großen Maß-
Foto: Degussa und Uhde
Aufgabe angesehen, um Marktanteile am Weltmarkt auch künftig entsprechender Auflagen – die Notwendigkeit umweltverträglich stab. Auf Basis der MST-basierten Forschung bestehen nun
erfolgreich zu behaupten. Die in der chemischen Industrie exis- und Ressourcen sparend zu produzieren. Aspekte im Übrigen, zwei Optionen: zum einen mittels des numberingup-Konzep-
tierenden Stoffstrom-Verflechtungen, d. h. die Bereitstellung, die durch die aktuelle Bekanntmachung zur MST-Förderung auf- tes, d. h. die einfache Vervielfältigung von erprobten kleinen
Verarbeitung sowie Rezyklierung umfangreicher Stoffmengen gegriffen werden, die zum Ziel hat, Mikrosystemtechnik in der Mikroreaktoren, zum anderen durch das Konzept des equa-
in großen Anlagen, haben in der Vergangenheit gravierende chemischen Industrie für unterschiedliche Einsatzfelder und da- ling-ups, d. h. der Vervielfältigung der inneren Mikrostruk- 5 Demis-Reaktor, vom BMBF gefördert.
Eingriffe in die vorhandenen Produktionsstrukturen indes eher bei für den Mittelstand verfügbar zu machen.
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Trendreport MST 2020 Mikroreaktoren für Multi-Purpose-Anlagen in der chemischen Industrie
Die technologische Herausforderung
Anforderungen an MST
verwenden heute schon speziell gefertigte Mikroreaktoren, in
deren innerer Struktur mit Hilfe von Mikrovermischern chemi- Mit der Mikroreaktionstechnik als konkretes Handlungsfeld der Mi-
sche Substanzen zusammengeführt und anschließend in meh- krosystemtechnik für die chemische Industrie existiert ein viel ver-
reren zehntausend Mikrokanälen zur Reaktion gebracht werden. sprechender Ansatz, den skizzierten Herausforderungen zu begeg-
Derartige Mikroreaktoren ersetzen riesige Rührkessel, wo z. B. nen. Mikroreaktoren in Multi-Purpose-Anlagen weisen gegenüber
mehrere tausend Kilogramm toxische und korrosive Chemikalien der traditionellen Produktion den Vorteil höherer Prozesseffizienz
zusammengeführt werden. Die gewünschten Reaktionen können bzw. Produktausbeute auf und der Rohstoffverbrauch und die Ab-
mithin schneller, preiswerter und umweltverträglicher als in her- fallströme können damit entsprechend gesenkt werden. Die im La-
kömmlichen Anlagen durchgeführt werden. Gefährliche Reaktio- bormaßstab gewonnenen Resultate müssen jedoch noch für den
nen sind besser beherrschbar. Einsatz in der industriellen Praxis weiter entwickelt werden. Dabei
Foto: Heatric
sind vor allem Engineering-Aufgaben zu lösen, bei denen MST-Ent-
Die Lösung der Integration unterschiedlicher Arbeitsschritte inner- wickler und Anlagenentwickler aus der chemischen Industrie mi-
5 Das Design des Heatric Wärmer-Austauschers ermög- halb von Multi-Purpose-Anlagen mit mikrostrukturierten Kompo- niaturisierte und große Anlagenteile zusammenführen. Hier sind
licht die Integration von drei oder mehr Prozessströmen nenten wie z. B. die Verbindung von Primär- und Sekundärprodukti- bereits erste Schritte erreicht. Seitens der chemischen Industrie
in einer einzigen Einheit. Innerhalb des Austauschers on oder Reaktion und Produktaufarbeitung ist jedoch noch nicht aus wird erhofft, dass wichtige Fragestellungen bei einer kontinuier-
befinden sich kleine Spülkanäle (typischerweise 2 mm industrieller Sicht optimiert. Im Detail müssten folgende Anforde- lichen technischen Weiterentwicklung in 2010 gelöst sein werden. 5 Gasphasen-Mikroreaktor bestehend aus einem Stapel
Durchmesser), so dass durch die Miniaturisierung die rungen im industriellen Produktionsmaßstab erfüllt werden, damit Der bisher erfolgte kleinserielle Einsatz einzelner MST-Komponen- mikrostrukturierter katalysatorbeschichteter Platten
gesamte Einheit vergleichsweise leicht und kompakt die neue produktionstechnische Lösung sowohl für große als auch ten wie z. B. in der Sensorik steht dem nicht entgegen, wenngleich mit integrierter Wärmetauscherfunktion.
geworden ist. mittelständische Unternehmen attraktiv ist: seitens der MST noch mehr Entwicklungsaufwand für Sensorik in
sehr rauen Umgebungen mit hohen Temperaturen zu leisten ist.
4 Verbindung von Makro- (z. B. Rohre, Flansche) und Mikro- Vordringlicher sind indes große und beispielhafte Vorhaben, die gesetzt, Durchbrüche im Zeitraum 2012 bis 2015 erwartet.
Klassische Reaktoren haben zumeist Abmessungen im Meter- welt (Mikrokanäle) die Aspekte Anlagensicherheit sowie Langzeitstabilität und Wirt- Das Potenzial der Mikroverfahrenstechnik und der Mikroreak-
bereich und wiegen oft mehrere Tonnen. Im Labormaßstab 4 Konzepte zur Anlagensicherheit und Zulassung unter Be- schaftlichkeit unter Beweis stellen. In diesem Zusammenhang toren für die Chemie und auch die Pharmazie ist bei weitem
vorhandene Mikroreaktoren weisen dagegen nur wenige Zenti- rücksichtigung der Spezifika von Mikrostrukturreaktoren steht die erfolgreiche Bearbeitung weiterer industrierelevanter noch nicht ausgeschöpft. Es ist dabei offenkundig, dass die
meter Abmessung und ein Gewicht von wenigen Kilogramm auf. (z. B. Explosions- und Korrosionsschutz) Fragestellungen wie Systemintegration und Fertigungsoptimie- Mikrosystemtechnik dazu beitragen kann, nicht nur die Wett-
Nicht selten müssen aber auch sie in eine größere Umgebungs- 4 Wirtschaftlichkeit, d. h. Verringerung von unerwünschten rung von Multi-Purpose-Anlagen mit Mikroreaktoren und multiple bewerbsfähigkeit der deutschen chemischen Industrie zu er-
einheit aus Sicherheitsgründen eingebaut werden. Die Stärken Neben- und Kuppelprodukten, Investitions- und Betriebs- Einsatzfähigkeit eines Mikroreaktors noch an. Hier werden, wie- halten, sondern auch einen Beitrag zum Umweltschutz und
der Mikrostrukturreaktoren sind in ihrem Inneren verborgen: kosten, Verringerung der Bindung von Prozessequipment derum eine kontinuierliche technische Weiterentwicklung voraus- nachhaltigen Wirtschaften liefern kann.
Chemische Prozesse laufen in zehntausenden von Misch- und sowie Entwicklung steigender Skalenerträge (Fixkostende-
Strömungskanälen ab, die Abmessungen im Bereich von einigen gression bei Massenproduktion)
hundert Mikrometern haben. Modellhafte Produktionsanlagen 4 Langzeitstabilität, Wartungsfreundlichkeit
Fallbeispiel Mikroreaktoren für Multi-Purpose-Anlage: Reifegrad von MST-Technologien
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Fotos: Institut für Mikrotechnik
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���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� Die Balken symbolisieren den Um-
5 Zentrale Struktur eines Mikromischers (Trennschicht-Mikromischer), der durch die Nutzung von inerten Trennschichten setzungsfortschritt der relevanten
Fachthemen der MST. Stand und Dynamik
auch für Fällungsreaktionen (z. B. Pulverherstellung) eingesetzt werden kann.
des Umsetzungsfortschrittes sind aus der
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Trendreport MST 2020 Mikro-Brennstoffzelle
Mikro-Brennstoffzelle Diese Prozessführung hat erhebliche Vorteile gegenüber der
Direktnutzung von molekularem Wasserstoff. Die benötigten
Stoffe Methanol und Ethanol werden bereits industriell in gro-
ßen Volumina hergestellt, und es handelt sich um relativ einfach
zu handhabende Flüssigkeiten, deren Logistik bei weitem keine
so komplexe Infrastruktur benötigt wie molekularer Wasserstoff.
Der Weg über die erwähnte Reformerstufe eröffnet zum einen die
Option des Übergangs zur Wasserstoffwirtschaft, indem die Zel-
lentechnologien weiterentwickelt und marktfähig gemacht wer-
den. Zum anderen erschließt er die Option des Einsatzes biogen
gewonnener Kohlenwasserstoffbrennstoffe, die regenerativ, in
etwa CO2-neutral und damit umweltverträglich sind. Der Auf-
bau einer Reinwasserstoff-Infrastruktur sowie die technischen
Voraussetzungen dafür sind noch nicht ausreichend entwickelt;
Der Hintergrund geeignete Zeitkorridore für den Aufbau sind derzeit nicht über-
schaubar.
Erhöhte Informationsdichte, ständig wachsende Datenverarbei- Lösungspotenzial für dieses Problem zugeschrieben. Ein weite- Für die Miniaturisierung zur portablen Anwendung wird
tungsgeschwindigkeiten und -kapazitäten, neue Formate und Echt- rer Vorteil ist, dass sie den Nutzer vom Stromnetz unabhängig die so genannte Direkt-Methanol-Technologie (DMFC) fa-
zeitlösungen erhöhen die Attraktivität portabler Informationsverar- macht, da die Notwendigkeit der Akkuaufladung entfällt. vorisiert. Bei Betriebstemperaturen von 60 – 80 °C er-
beitungsgeräte und Kommunikationsmedien. Sowohl professionelle reicht die DMFC ihr Leistungsoptimum. Nach dem derzeiti-
als auch unterhaltungsorientierte Anwendungen sollen nach Mög- gen Stand der Entwicklung verspricht sie um einen Faktor
lichkeit auf immer kleineren, miniaturisierten Geräten bereit gestellt
Fotos: Fraunhofer IZM
werden. Beispiele sind die derzeit sich vollziehende Konvergenz von
portablen Computern (Laptops, Organizer), mobilen Kommunikati-
onsgeräten (Handy) und schließlich mobilen Unterhaltungsmedien.
Musikabspielgeräte mit hohem Speichervolumen in Verbindung mit
Mobiltelefonen, auf denen Fernsehsendungen empfangen werden
können, sind bereits käuflich verfügbar und werden in absehbarer 5 In einer galvanischen Zelle (Varta Microbattery), die wie
Zeit Massenmärkte bedienen. Der Ersatz des Bildschirms durch ein eine Primärbatterie einzusetzen ist, wird Wasserstoff aus
Visorkonzept, z. B. so genannte Head-Sets oder Fernsehen auf der der Reaktion von Zink mit H2O bedarfsgerecht erzeugt.
Brille, dürfte in einigen Jahren für mobile Anwendungen verbreitet Die resultierende Energiedichte ist gegenüber Lithium-
sein. Diese Entwicklungen sind selbst wiederum Erfolge der zuneh- Akkus oder Alkali-Primärbatterien zwei bis dreimal
menden Miniaturisierung und werden durch die weitere Entwicklung höher.
der Mikrosystemtechnik unterstützt.
Ein derzeit hemmender Faktor bei der Weiterentwicklung insbe-
sondere zu leichten und tragbaren Formaten sind die Begren- Derzeit befinden sich vier bis fünf grundsätzlich verschiedene
zungen der Energiedichten von Batterien und Akkus. Die kurzen technische Brennstoffzellenkonzepte in der Demonstrations-
Akkulaufzeiten von Mobiltelefonen mit zunehmenden „Fähig- bzw. frühen Markteinführungsphase. Der Forschungsstand in der
keiten“ und auch Akkus mit Überhitzungsrisiken sind Symptome Mikro-Brennstoffzellentechnologie (Leistungsklassen von eini-
dieser Problematik. Der miniaturisierten Brennstoffzelle als 5 Mikrokanäle in Mäanderform einer Brennstoffzelle. gen Milliwatt bis zu einigen Watt) ist derzeit im Labor- und Klein-
Energiequelle für portable Anwendungen wird ein erhebliches serienstadium. Erste Demonstrationsprojekte fehlen auf keiner
Elektronikmesse. Unter der Voraussetzung, dass die im Folgenden
näher beschriebenen technischen Herausforderungen und Fragen
der Sicherheit in der Handhabung gelöst werden, ergeben sich
Stand der technischen Entwicklung erhebliche Marktpotenziale. Es wird jedoch davon ausgegangen,
dass diese Marktpotenziale bestenfalls erst mittelfristig, d. h. in
den nächsten fünf bis acht Jahren realisiert werden.
Brennstoffzellen produzieren elektrischen Strom direkt – ohne Brennstoffzellenanlagen werden in elektrischen Leistungsklassen
den Zwischenschritt eines thermisch-mechanischen Prozesses von wenigen Watt (Lampen, Navigationsgeräte), Kilowatt (Einzel- Ein derzeit viel versprechendes Konzept setzt auf Brennstoff-
– aus der geregelten chemischen Reaktion von Wasserstoff mit anlagen- und Gebäudeversorgung, Fahrzeugantriebe) bis zu meh- zellentechnologien auf, die mittels einer so genannten „Re-
Sauerstoff zu Wasser. Damit die Reaktion geregelt und nicht ex- reren hundert Megawatt (industrielle Anwendungen, Schiffsantrie- formerstufe“ den für die Reaktion benötigten Wasserstoff aus 5 Mikrobrennstoffzelle in Folienbauweise,
plosiv („Knallgas-Reaktion“) abläuft, ist eine Membran zur Tren- be, zentrale Elektrizitätsversorgung) produziert und angewendet. Methan, Methanol, Ethanol oder anderen Kohlenwasserstoffen 1.5 V 40mA, 1cm2, 200 μm dick.
nung von Wasserstoff und Sauerstoff notwendig. Grundsätzlich sind sie modular herstellbar und einsetzbar. – vorzugsweise mit hohem Wasserstoffgehalt – bereit stellt.
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Trendreport MST 2020 Mikro-Brennstoffzelle
In Deutschland arbeiten verschiedene, u. a. vom BMBF geför-
derte Konsortien, die sich aus öffentlichen Forschungsinstitu- rerseits nicht die gesamte Reaktionsenergie in elek- Anwendungsfelder erschlossen oder erweitert werden
ten (Instituten der Fraunhofer-, Helmholtz-, Max-Planck- und trischen Strom um, sondern produzieren auch noch wie z. B. beim so genannten „wearable computing“,
Leibnizgemeinschaften, Universitätsinstituten), kommerziellen zusätzlich Abwärme. Diese muss durch ebenfalls minia- also tragbaren Computersystemen. An der Lösung des
Forschungs- und Entwicklungsfirmen sowie spezialisierten in- turisierte und zuverlässige Kühlsysteme abgeführt wer- Energiedichteproblems auch auf der „Energienachfra-
dustriellen Partnern zusammensetzen. den, um das System sicher und benutzbar zu machen. gerseite“, d.h. bei den Prozessen, Prozessoren, den
Diese und andere Werkstoff- und Bauteilfragen wie bei Datenspeichern und Displays, wird ebenfalls gearbei-
der bereits erwähnten Zellengeometrie stellen eine er- tet. Vor allem über die Miniaturisierung von Signalver-
hebliche Herausforderung für die MST dar. Denkbar ist, arbeitungskomponenten aber auch anderen Elementen
Herausforderungen dass sich die MST in der Energieerzeugung hier den Er- kommen die Mikrosysteme technisch ins Spiel.
kenntnissen der Mikroreaktionstechnik bedient wie sie
für die MST gegenwärtig in Teilbereichen der chemischen Industrie 4 Es ist davon auszugehen, dass die hohen Stückzahlen,
zum Einsatz kommen. die der portable IT- und Medienmarkt erwarten lässt,
erhebliche technologische Impulse in andere Bereiche
Der Entwicklungstand für die Mikrobrennstoffzelle ist viel 4 Eine wichtige Herausforderung für Mikrobrennstoffzel- vermitteln. Die Erfahrungen mit der Brennstoffzellen-
versprechend, aber noch einige Schritte von der industri- len ist die Brennstoffzellenperipherie. Zur Zeit fehlen technologie aus diesen Märkten können dann in ande-
ellen Fertigung entfernt. Der Serienreife steht eine Reihe zuverlässige, sehr kleine und preisgünstige Mikropum- ren, bekannten und neuen Segmenten des Brennstoff-
von technologischen Herausforderungen entgegen: pen, die z. B. Methanol in die Brennstoffzelle pumpen zelleneinsatzes genutzt werden.
sowie Mikroventile, Lüfter und Sensoren.
4 Materialfragen bei Anoden-, Katoden- und Elektrolyt- Die (Mikro-)Brennstoffzelle steht in allen Einsatzbereichen in
membranen: Es sollen hohe Reaktionsausbeuten er- 4 Gefordert sind auch langzeitstabile Membranen und Konkurrenz zu anderen Energietechnologien. Bei portablen
reicht werden. Die Reaktionspartner müssen einander Katalysatoren sowie zuverlässige Pumpen und Ventile. Anwendungen sind dies derzeit innovative Batterie- und Ak-
geregelt in Reaktionskanälen „begegnen“. Hier sind kukonzepte sowie die in Entwicklung befindlichen miniaturi-
Materialwissenschaft und Werkstoffe der MST eben- Von einer gelungenen Entwicklung der Mikro-Brennstoff- sierten Gasturbinen. Mit Blick auf die Vielzahl der skizzierten
so gefragt wie Fragen der Systemintegration. Um die zelle als Energiequelle für portable Anwendungen, die dann unterschiedlichen Anwendungen ist es im Moment nicht ent-
Leistungsdichte wesentlich zu erhöhen, müssen Mikro- Massenmärkte mit hohen Stückzahlen verspricht, werden scheidend, ob sich eine Lösung durchsetzen wird oder ob es
Foto: Fraunhofer IZM
strukturierungstechnologien für die Brennstoffzellen- weitere Impulse in verschiedene Richtungen erwartet: Ei- ein Nebeneinander von jeweils spezialisierten Technologien
herstellung angewendet werden. „Heiße“ Kandidaten nerseits entlang der Wertschöpfungskette, andererseits in unterschiedlichen Anwendungsbereichen geben wird. Von
sind dabei auch Nanoverbindungen aus Kohlenstoff über verschiedene Wertschöpfungsketten hinweg. Bedeutung ist vielmehr, dass mit Hilfe der Mikrosystemtech-
sowie „maßgeschneiderte“ aromatische Kohlenwas- nik ein wichtiger Beitrag zur Energieversorgung geleistet
5 Mikrobrennstoffzelle betreibt eine High Brightness LED. serstoffe. Die Grenzen zur Nanotechnologie sind hier 4 Mit Lösung des Energie-(dichte-)problems bei portab- wird. Zu nennen sind vor allem die portablen Anwendungen
fließend – beziehungsweise die MST bedient sich der len IT- und Medienanwendungen sind Weiterentwick- der IT-Industrie, die mit Computern und Handys Lebens- und
Nanotechnologie, um ihre Systeme zu optimieren. lungen in der Leistungsfähigkeit, bei der Gewichtsredu- Arbeitsstile bereits tief greifend und nachhaltig verändert
zierung und im Volumen möglich. Damit können neue haben und wohl noch weiter verändern werden.
2–5 höhere Energiedichten (bezogen auf Massen oder Volumina) 4 Katalysatorfragen: Die Reaktion benötigt Katalysa-
als herkömmliche Batterien (z. B. AAA-Alkalibatterien) oder Ak- toren. Die Materialien sollten möglichst einfach und
kus (z. B. Lithium-Polymerakkus). in geringen Konzentrationen auf Trägersubstrate
aufgebracht werden können. Hierfür werden zumeist Fallbeispiel Mikrobrennstoffzelle: Reifegrad von MST-Technologien
Die bisher in Prototyp und Kleinserie vorliegenden Mikro-Zellen schwere, seltene, teure und – eines der größten Pro-
für portable Anwendungen besitzen Größen von ca. 4–15 cm2, bleme in diesem Zusammenhang – schwer recyclier-
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benötigen noch ca. 200–500 ml Methanol für eine Laufzeit von bare Edelmetalle wie Platin und Palladium benötigt.
ca. 5–10 Stunden bei Leistungen von einigen Watt. Neben der Jede Innovation in Material und Zellengeometrie,
DMFC wird an Zellentypen vom Typ Polymer-Elektrolytmembran- die Einsparungen an Katalysatormaterialien bringt, � � � ������������������
Brennstoffzelle (PEM) gearbeitet. Sie weisen ebenfalls eine erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Technologie
vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur von 20–80 °C aus, den Weg in die Großproduktion erreicht. � � � ������������
werden aber direkt mit Wasserstoff gespeist. Sofern Möglichkei- ������������������
ten der gewichts- und volumenarmen Wasserstoffspeicherung 4 Regelungsverhalten von Brennstoffzellen: elastische
mit einfacher und sicherer logistischer Handhabung gefunden Reaktion auf schwankende Leistungsnachfrage. Für � � � �����������������
werden, sind von diesem Ansatz ebenfalls hohe Energiedichten Start- und Lastausgleichsphasen erscheinen kombi-
bei geringem Brennstoffvolumen zu erwarten. nierte Systeme mit herkömmlichen oder neuen Bat- � � � ��������������������
terien viel versprechend.
Derzeit arbeiten weltweit große Computer- und Batterieherstel-
���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� Die Balken symbolisieren den Um-
ler (u. a. Toshiba, NTT DoCoMo, IBM), oft in Kooperation mit For- 4 Wärmeabfuhr: Brennstoffzellen benötigen einerseits setzungsfortschritt der relevanten
Fachthemen der MST. Stand und Dynamik
schungseinrichtungen, an der Entwicklung der Mikrobrennstoff- eine gewisse Betriebstemperatur; sie wandeln ande- des Umsetzungsfortschrittes sind aus der
zelle für portable Anwendungen. ���������������������������������������������������� jeweiligen Balkenlänge erkennbar.
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