Idee Quantencomputer: programmierbarer Quantensensor umgesetzt (Bild: TheDigitalArtist, pixabay.com)

Metrologie-Problem gelöst

Variations-Quantenalgorithmen beschreiben eine Schaltung von Quantengattern, die von freien Paramatern abhängen. Durch Optimierungsroutinen findet der Sensor selbständig die besten Einstellungen für ein optimales Ergebnis. "Diese Methode haben wir auf ein Problem aus der Metrologie angewendet", so die Forscher Denis Vasilyev und Raphael Kaubrügger. Mit dem neuen Verfahren lassen sich Quantensensoren so weit optimieren, dass sie die technisch bestmögliche Präzision erreichen.

Die Innsbrucker haben mit ihrer Methode genau jene Kombination aus Quantenzustand und Messungen erzeugt, die für Quantensensoren optimal sind. Damit lässt sich die Präzision des Sensors bis dicht an das nach den Naturgesetzen mögliche Optimum bringen, mit nur leicht erhöhtem Mehraufwand. Auf einem Ionenfallen-Quantencomputer haben die Physiker auf Basis von variationalen Quantenrechnungen Frequenzmessungen durchgeführt.

Überraschend gute Ergebnisse

Obwohl der experimentelle Aufbau nicht perfekt ist, stimmen die Ergebnisse überraschend gut mit den theoretisch vorhergesagten Werten überein, heißt es. Da solche Simulationen nicht für alle Sensoren möglich sind, haben die Forscher Methoden zur automatischen Optimierung der Parameter ohne Vorwissen genutzt. "Ähnlich wie beim maschinellen Lernen findet der programmierbare Quantencomputer seinen optimalen Modus als hochpräziser Sensor selbständig", weiß Experimentalphysiker Thomas Feldker.

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Künstlerische Darstellung der Wasserspaltung (Illustration: kaust.edu.sa/en)

Keine Leistungskompromisse

"Wir wollten die edelmetallbasierte Anode in Elektrolyseuren ersetzen, Kosten senken und eine Massenproduktion ermöglichen, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Dazu haben wir eine Strategie entwickelt, die kostengünstige Materialien verwendet und dennoch eine Leistung ermöglicht, die fast auf dem Niveau von Standard-Anoden auf Edelmetallbasis liegt", so Babar.

Mit einem einfachen, schnellen und skalierbaren, nasschemischen Ansatz hat das Team zweidimensionale Kobalt-Eisenhydroxid-Nanoblätter auf Nickelschaumsubstraten entwickelt und lagerte dann Eisenoxyhydroxid-Nanopartikel auf der Oberfläche ab. So ist ein Material entstanden, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer großen Oberfläche kombiniert, die hohe Reaktivität garantiert. Das Material hat sich zudem als äußerst robust erwiesen.

Wasserstoff gegen Stromlücken

Aufgrund der intermittierenden Natur von Wind- und Solarenergie ist es nötig, Methoden zu entwickeln, um erneuerbaren Strom in einen kohlenstofffreien Energieträger umzuwandeln, der sich für die spätere Verwendung speichern und transportieren lässt. Ein elektrochemisches Gerät kann erneuerbaren Strom verwenden, um Wassermoleküle zu spalten und Sauerstoff an der Anode und Wasserstoff an der Kathode freizusetzen.

"Wegen der bemerkenswert hohen Produktion an Sauerstoff an der neuen Anode, die eine analog hohe Wasserstoffproduktion im Gefolge hat, der Kinetik und der Langzeitstabilität bei hoher Stromdichte, ist unsere Elektrode der am besten geeignete Kandidat für eine kostengünstige Wasserstoffproduktion", sagt Babar.

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Laser wird in Fuge zwischen zu verschweißenden Blechkanten positioniert (Bild: iws.fraunhofer.de)

Fertigungszeit und -kosten gesenkt

Daraus ergeben sich den Experten nach Vorteile: "Wir können den Energieeintrag in das Bauteil beim Schweißen - je nach Komponente - um bis zu 80 Prozent und den Zusatzwerkstoffverbrauch um bis zu 85 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Lichtbogenverfahren senken. Zudem war am betrachteten Bauteil kein Richtprozess mehr erforderlich. Dadurch reduzieren wir Fertigungszeit und -kosten, können auch hochfeste Stahlwerkstoffe verarbeiten und verbessern die CO2-Bilanz der gesamten Fertigungskette deutlich", so IWS-Forschungsleiter Dirk Dittrich.

Die hohe Intensität des Laserstrahls garantiert laut den Wissenschaftlern einen sehr lokalen Energieeintrag an der Schweißstelle, wohingegen die umliegenden Bauteilbereiche vergleichsweise kalt bleiben. Die Schweißzeit reduziere sich zudem um 50 bis 70 Prozent. Bei der Qualität der Schweißnähte punktet das neue Verfahren ebenfalls - die Nähte sind deutlich schlanker und nahezu flankenparallel, während sie bei konventionellen Schweißprozessen V-förmig ausgeführt sind.

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Anrühren des Ausgangsmaterials und die fertige Folie (links) (Fotos: usp.br)

Billig und hochverfügbar

Doch die allein daraus hergestellten Polymere haben bei weitem nicht die erforderliche Festigkeit. "Deshalb haben wir Nanoclay hinzugefügt", ergänzt die Expertin. Unter Nanoclay verstehen Materialwissenschaftler Nanopartikel aus geschichteten Mineralsilikaten, die aus einer zweidimensionalen, ein Nanometer dicken Schicht mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bestehen. Es handelt sich um eine spezielle Formulierung von Ton. Das mache die Folie homogener und erhöhe ihre Zugfestigkeit auf 70 Megapascal. Herkömmliche Polyethylenverpackungen haben weniger als die Hälfte.

Das ätherische Öl hat zwei Funktionen. Es hält dank antimikrobieller Wirkung Lebensmittel länger frisch und verleiht dem Kunststoff einen angenehmen Geruch. "Wenn diese Art von Verpackung auf dem Markt weitverbreitet wird, könnte sie den Einsatz von Kunststoff aus nicht biologisch abbaubaren Polymeren und damit die Menge an festen Abfällen erheblich reduzieren", sagt Moura Aouada. Darüber hinaus würden die in Biokunststoff verpackten Lebensmittel besser vor einer Kontamination durch Krankheitserreger geschützt. Der Biokunststoff wurde entwickelt, um speziell frische Hamburger vor Kontamination zu schützen, die sehr empfindlich sind. Durch Variation der Menge an ätherischen Ölen lassen sich maßgeschneiderte Verpackungsmaterialien für Lebensmittel herstellen, heißt es.

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