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Mit Wasserstoff schalten



Bochum, 27.10.1997
Nr. 203

Über den ,smarten Einsatz" von Wasserstoff
Vom optischen und magnetischen Umschalten
EU fördert internationales Projekt an der Ruhr-Universität


Spektakulär, aber auch gefährlich erwies sich Wasserstoff als
Auftriebshilfe in der Luftfahrt. Wenig Aufsehen dagegen erregte die
Nutzung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen, da Benzin als
Energielieferant wirtschaftlicher war. Jetzt bahnt sich eine neue,
,smarte" Verwendung von Wasserstoff an: als Medium zum raffinierten
Umschalten optischer, magnetischer oder supraleitender Eigenschaften.
Hauchdünne Metallschichten können heute mit Hilfe niedriger
,Umschaltdrücke" viel oder wenig Wasserstoff speichern, was sie
beispielsweise transparent oder undurchsichtig sein läßt. Zu diesem
Forschungsbereich hat die Europäische Kommission ein TMR-Projekt
(Training and Mobility of Researchers) unter der Koordination des
Amsterdamer Physikers Prof. Dr. Ronald Griessen bewilligt, an dem auch
die RUB unter der Leitung von Prof. Dr. Hartmut Zabel (Institut für
Experimentalphysik/Festkörperphysik., Fakultät für Physik und
Astronomie der RUB) beteiligt ist. Darüber hinaus gehören auch die
Universitäten Göttingen, Braunschweig, Oxford und Upsala dem Projekt
an. Die Teilnahme der Firma Philips (Eindhoven) am Projekt
verdeutlicht die Anwendungsrelevanz.

Grundlagenforschung teuer

Grundlagenforschung  in der Physik ist sehr kapitalintensiv.  Bochum
bot sich auch deshalb zu diesem TMR-Projekt an, weil hier
einschlägige Anlagen vorhanden sind: So besitzt die RUB eine
Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von Schichten mit
einkristallinem Wachstum, die auch die anderen Universitäten des
Projekts versorgt. Und die RUB unterhält ein eigenes
Neutronenreflektrometer in Grenoble am Institut Laue-Langevin, der
weltweit besten Quelle für thermische Neutronen. Für das TMR-Projekt
werden Neutronen genutzt, um magnetische Zustände bei der Aufnahme
von von Wasserstoff in den Metallschichten zu analysieren. Das
europäische Vorhaben fördert jeweils ausländische Postdoktoranden im
Gastland. Für die RUB belaufen sich die Personalmittel auf
300.000,_DM.

Erfolge der Dünnschicht- und Vakuumtechnologie

Erst Ultrahochvakuum-Bedingungen mit Drücken von 10 hoch-9 millibar
(mb) (eine billionstel Atmosphäre) ermöglichen es, auf einem
Trägermaterial wie Glas, homogene Metallschichten einer genau
definierten, minimalen Schichtdicke aufzudampfen. Um den optischen
Umschalteffekt zu erzeugen, wird etwa der folgende Sandwich-Aufbau
benötigt: Auf eine Glasplatte wird zunächst eine Yttrium-Schicht
aufgebracht, die als eigentlicher Wasserstoffspeicher dienen soll.
Darüber wird eine dünne Palladium-Schicht gelegt, die neben der
Oxidationsverhütung die Aufgabe hat, als Filter allein den
Wasserstoff durchzulassen, diesen - normalerweise molekularen
-Wasserstoff in einzelne Atome zu zerlegen und dann weiterzuleiten
an die darunterliegende Yttrium-Lage.

Das "privacy-window"

Ein mögliches ,privacy-window" ließe sich nun so konstruieren: In
einem Vakuum, eingeschlossen in einem Doppelscheibenfenster, befindet
sich die metallbedampfte Glasscheibe. In dieses Vakuum wird
Wasserstoff eingeleitet, der bei geringen Drücken von 1 - 10 mb das
Umschalten bewirkt: Ist das Ytrium aufgrund des höheren Drucks mit
Wasserstoff beladen, so ist die bedampfte Scheibe transparent; liegt
dagegen ein niedrigerer Wasserstoffdruck an, so wird die Scheibe
intransparent und metallisch reflektierend.

Massenanwendung: Computerleseknöpfe

Je kleiner die magnetischen Speichereinheiten in Computern werden,
desto größere Anforderungen müssen die Leseköpfe erfüllen, mit denen
man die gespeicherte Information zurückgewinnen möchte. Bisher
erkennt der Lesekopf den magnetischen Zustand ( 0 oder 1 ) der
Speichereinheit mit Hilfe einer Induktionsspule. Damit auch die
Leseköpfe schrumpfen können, bietet sich als platzsparende Technik
ein Magnetfeldsensor an. Dieser besteht z.B. aus einem extrem dünnen
dreischichtigen `Sandwich' Eisen / Niob / Eisen, das je nach
Wasserstoff-Beladung in der Niob-Schicht seine Polarität in den
beiden Eisenschichten ändert. Wird die Polarität in den
Eisenschichten entgegengesetzt `geschaltet', so hat das Schichtpaket
einen hohen elektrischen Widerstand: In diesem Zustand reagiert es
sehr empfindlich auf Magnetfelder, und dies befähigt den winzigen
Sensor, den Zustand der Informationsspeicher festzustellen.

Temperaturschalter bei Supraleitern

Niob ist ein Supraleiter: Unterhalb von -264 Grad Celsius verliert
Niob seinen elektrischen Widerstand. Mit Hilfe von Wasserstoff
gelingt es nun, diese Übergangstemperatur zu senken: In einem
Dreischicht-Paket, diesmal Niob / Eisen / Niob, laufen dabei
quantenphysikalische Prozesse ab, an denen sich grundlegende Probleme
der Festkörperphysik studieren lassen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Hartmut Zabel, Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Physik
und Astronomie, Institut für Experimentalphysik, 44780 Bochum, Tel.
0234/700-3649, Fax: 0234/7094-173, E-Mail:
Hartmut.Zabel@ruhr-uni-bochum.de




















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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 700-2830, -3930
Fax: + 49 234 7094-136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.rz.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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