Die Physik ist eine Wissenschaft, die nicht erst heute lebt. Schon in den vergangenen Jahrhunderten gab es immer wieder bedeutende Entdeckungen im Forschungsgebiet, dass man meinen könnte es gäbe nichts Neues mehr zu erfinden. Doch diese Annahme ist weit gefehlt. Auch heute noch gibt es viele Themengebiete in der Physik, die immer wieder für Überraschungen sorgen. Drei von ihnen sollen auf dieser Seite vorgestellt werden.
Die elektrobetriebene Fortbewegung ist schon seit einigen Jahren ein stark diskutiertes Thema. Große wie auch kleinere Automobilhersteller bemühen sich in der Entwicklung des Elektroautos der Konkurrenz immer einen Schritt voraus zu sein. Begonnen hatte diese Entwicklung mit dem immer stärker werdenden Gedanken des Umweltschutzes. Während zunächst Hybrid-Fahrzeuge auf den Markt kamen und so die rein mit Brennstoffen (Benzin, Super oder Diesel) betriebenen Automobile zumindest zum Teil ablösten, werden seit einigen Monaten auch vermehrt reine Elektroautos auf dem Markt vorgestellt.
Die Nanotechnik ist ebenfalls noch ein mehr oder weniger junges Themengebiet in der heutigen Physik. Dennoch haben verschiedene Forschungen und auch Entdeckungen in den letzten Jahrzehnten gezeigt, was dieses Gebiet der Physik verbirgt und vor allem zu leisten vermag. Damit gehört die Nanotechnologie definitiv zu den Highlights der heutigen Physik und darf auf den nächsten Seiten natürlich nicht fehlen.
Auch die Entwicklung der Lichtleitfasern kennzeichnete eine entscheidende beziehungsweise bedeutende Entwicklung in der Physik aber auch der modernen Technik. Die sogenannten Glasfaserkabel, die aus mehreren der Lichtleitfasern bestehen, werden heute in verschiedenen Technikbereichen verwendet. Neben der Nutzung in der Lasertechnologie gehören dazu auch die Verwendung in der Beleuchtungstechnik und in der Messtechnik. Wie wichtig und entscheidend die Entwicklung der Lichtleitfasern dabei war, zeigen die Möglichkeiten in den einzelnen Anwendungsbereichen, die erst mit den Glasfaserkabeln aufkamen.
Lichtleitfasern
Die Geschichte der Lichtleitfasern beginnt schon sehr früh im Jahre 1870 als der Physiker John Tyndall erstmals versuchte Licht durch einen Wasserstrahl zu leiten. Dies war der Beginn von zahlreichen Versuchen Licht durch verschiedenste Materialien zu leiten. Wirkliche Fortschritte wurden dabei jedoch erst ab Mitte des 20en Jahrhunderts gemacht. So wurde diese Technik ab etwa 1955 in der Medizin verwendet um die inneren Organe des Menschen während einer Operation zu beleuchten. Andere Anwendungen waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht möglich, da der Verlust an Licht noch zu hoch war. Erst im Jahre 1960, als T.H. Maiman den ersten Laser entwickelte, ergaben sich weitere Möglichkeiten in der Transportierung von Licht durch ein beliebiges Medium. Das Licht wurde hierzu konzentriert und so wurde nach ersten experimentellen Versuchen auch die technische Realisierung immer greifbarer. Entsprechend dauerte es auch nicht mehr lange bis im Jahr 1965 das erste System von Lichtleitfasern erfunden wurde. Vater des Systems war Manfred Börner, der mit diesem System ein Weitverkehrs-Übertragungssystem entwickelte, das auf dem Zusammenspiel von Photodioden, Laserdioden und eben Glasfasern basierte. Nur ein Jahr später wurde das System von ihm für die AEG-Telefunken zum Patent angemeldet. Noch heute basieren alle Weitverkehrs-Übertragungssystem auf dem von Börner entwickelten System und so ist es kaum verwunderlich, dass der Erfinder mehrere Jahre später auch ausgezeichnet wurde.
Im gleichen Jahr wurde unabhängig davon auch das Hauptproblem für den stetigen Verlust bei der Übertragung von Licht durch Glas erklärt. Damit wurde eines der entscheidendsten Probleme im Bereich der Lichtleitfasern geklärt und der Entdecker Charles Kuen Kao mit dem Nobelpreis der Physik ausgezeichnet. Schon wenige Jahre später begann das Unternehmen Corning Inc. in Amerika damit die ersten Lichtleitfasern mit nur wenig Lichtverlust zu produzieren. Damit konnte auch Telekommunikationstechnik deutlich vorangetrieben und in der Zukunft durch verschiedene Neuerungen ergänzt werden.
Nanotechnik
Die Nanotechnologie beschäftigt sich als Zweig der Physik insbesondere mit der Oberflächen- und Clusterphysik, der Halbleiterphysik und sogar einigen Grenzgebieten zu Chemie, des Maschinenbaus und teilweise sogar in Bereichen der Lebensmitteltechnologie. Dies zeigt, wie weitreichend die Entwicklungen der Nanotechnik gehen.
Der Begründer der Nanotechnologie, der auch gern als ihr Vater bezeichnet wird, ist der Physiker Richard Feynman. Der Grund hierfür ist sein Vortrag „There is plenty of room at the bottom“ aus dem Jahre 1959, auch wenn der Begriff der Nanotechnik als solches erst deutlich später (1974) von Norio Taniguchi erstmals verwendet wurde. Entstanden ist der Begriff an sich übrigens aus der Größenordnung des Atoms, das in sämtlichen Forschungsgebieten der Nanotechnik gleich ist. Die Grenze der Größe der hierbei betrachteten Atome liegt dabei 100 Nanometer, da dies der Grenzbereich von den Oberflächen- zu den Volumeneigenschaften der verschiedenen Materialien ist. Das heißt, bei Atomen mit einer Größe von mehr als 100nm die Volumeneigenschaften der Atome überwiegen und so die Betrachtungen im Bereich der Oberflächenphysik nicht gemacht werden können.
Dementsprechend beschäftigt sich die Nanotechnologie also mit den Veränderungen von verschiedensten Materialien. Die Betrachtung kann dabei Atom für Atom erfolgen, was durchaus als eine eher enge Definition angesehen werden kann. So überrascht es nur bedingt, dass diese enge Definition inzwischen etwas ausgeweitet wurde und heute beispielsweise auch die Herstellung von Nanomaterialen mit chemischen Mitteln mit einschließt.
In den Jahren der Nanotechnik wurden entsprechend auch zahlreiche Entdeckungen und Entwicklungen gemacht, die nicht nur für die Physik von entscheidender Bedeutung waren und sind. Eines der wichtigsten Produkte aus der Nanotechnik sind beispielsweise zahlreiche Pigmente sowie weitere Zusatzstoffe für Kunststoffe und Lacke. Auch einige Kleidungsstücke weisen inzwischen Nanotechnologie auf und wirken dadurch beispielsweise schmutzabweisend. Die mikroskopisch kleinen Nano-Elemente sorgen dabei dafür, dass die Schmutzpartikel nicht an der Kleidung haften können, da sie schon von den Nano-Elementen selbst abgestoßen werden. Dies zeigt deutlich, wie viele Bereiche heute von der Nanotechnologie beeinflusst und durchdrungen werden.
Elektroauto-Akkus
Das Thema Umweltschutz hat in den vergangenen Monaten und Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Zahlreiche Forschungsgruppen aber auch Unternehmen beschäftigen sich mit der Entwicklung immer weiterer Konzepte und Möglichkeiten die Umwelt besser zu schützen. Der Umstieg auf alternative Energien ist dabei sicherlich eines der bekanntesten Themen, das gerade durch die Atomkatastrophe in Japan erst wieder neuen Schwung erhalten hat. Unabhängig davon beschäftigt sich aber auch die Automobilindustrie mit dem Gedanken des Umweltschutzes.
Nicht erst seit der Einführung der Umweltzonen in verschiedenen deutschen Städten ist das Ziel der umweltschonenden Automobile in der Entwicklung immer prägnanter geworden. Nachdem zunächst versucht wurde Autos mit einem möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu entwickeln, folgte bald auch der Einstieg in die Entwicklung von Elektrofahrzeugen. Den Einstieg bildeten hierbei sicherlich die Hybridfahrzeuge, die mit der Zeit auch durch erste Elektroautos ergänzt wurden. Letzte leben insbesondere von der Leistungsfähigkeit ihres Akkus, denn nur solange dieser die benötigte Energie liefert, kann das Fahrzeug auch fortbewegt werden.
Da verwundert es nicht, dass viele Forschungsgelder insbesondere in die stetige Weiterentwicklung der Akkus gesteckt wurden. Tatsächlich wurden so auch verschiedene Fortschritte gemacht, sodass die Elektroautos heute teilweise bereits beachtliche Strecken zurücklegen können. Die Forschung in diesem Bereich ist jedoch auch aus einem anderen Grund für die Automobilindustrie so wichtig: der Akku des Elektrofahrzeug ist nicht nur der Energiespender sondern zugleich auch der größte Kostenfaktor des Fahrzeuges. Derzeit kostet ein solcher Akku mehr als 20.000 Euro und hat im Vergleich dazu nur eine eher kurze Lebensdauer. Rechnet man dies um auf den Verbrauch bzw. die Leistung des Autos, so kommt man etwa auf 10 bis 12 Euro auf 100 gefahrene Kilometer, wobei die Ladezeit des Akkus hierbei nicht berücksichtigt wurde.
Verwendet werden aktuell Lithium Ionen Akkus, die natürlich möglichst schnell aufgeladenen werden sollen. Nur so ist sichergestellt, dass das Fahrzeug auch täglich genutzt und zwischendurch aufgeladen werden kann. Gerade diese Schnellladungen gehen jedoch auch zu Lasten der Lebenserwartung des Akkus. Die Forschungen im Bereich der Akkus zielen also insbesondere auch darauf ab, ihre Lebenserwartung zu erhöhen und so gleichzeitig die Kosten für Elektrofahrzeuge zu reduzieren. Wirklich große Fortschritte erwarten verschiedene Experten hierbei jedoch erst so etwa 2020.