Fraunhofer-Weltrekorde 2022

Weltrekorde haben in der internationalen Forschungsgemeinde manchmal eine kurze Haltbarkeit: Die Forschungsgruppen arbeiten weltweit fortwährend im Wettbewerb daran, den Erkenntnisgewinn zu erweitern. Die hochmotivierten Forscherinnen und Forscher bei Fraunhofer erbringen dabei immer wieder exzellente Leistungen. Dank ihnen und dank mehreren weiteren Faktoren sind Fraunhofer-Institute unter jenen Forschungseinrichtungen, die regelmäßig Rekorde vermelden können. Möglich machen es die hervorragende technische Ausstattung in den Fraunhofer-Laboren und  -Versuchsfeldern, das Know-how im Skalieren von Grundlagen-Experimenten und die große Breite an Forschungsdisziplinen, in denen sich rund 30 800 Mitarbeitende bedarfsgerecht schnell zusammenschließen können.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE konnten mithilfe einer neuen Antireflexbeschichtung die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent bei 665-facher Sonnenkonzentration erhöhen. Gegenwärtig gibt es weltweit keine effizientere Solarzelle. Seit zwei Jahren wird am Fraunhofer ISE an dem ehrgeizigen Projekt »50Prozent« gearbeitet. Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz soll erstmals eine Solarzelle mit 50 Prozent Wirkungsgrad entstehen. Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen, so das Ziel der Expertinnen und Experten am Fraunhofer ISE.

Pressinformationen

 »Fraunhofer ISE entwickelt effizienteste Solarzelle der Welt mit 47,6 Prozent Wirkungsgrad«

»Fraunhofer ISE Forscher erhalten Forschungspreis der Werner Siemens-Stiftung für ihre Vision zur Entwicklung höchsteffizienter Solarer Energiesysteme«

Energieeffiziente und umweltfreundliche Heizungen und Kühlungen werden benötigt – etwa für Kühlschränke, für die Klimatisierung von Gebäuden oder Autos in heißen Sommern oder für das Heizen von Wohnungen mit effizienten Wärmepumpen im Winter. Mit der Kalorik als Kreisprozess bringt das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ein weiteres Verfahren zum Pumpen von Wärme voran. 2022 zeigten Laborexperimente erstmals eine Leistungsdichte von 12,5 Watt pro eingesetztem Gramm Material. Mit 200 Gramm Material können also 2000 Watt Wärme gepumpt werden. Der im Journal »Nature Communications Physics« publizierte Weltrekord wurde möglich durch die Kombination der Kalorik mit dem Verdampfen und Kondensieren eines Fluids.

Presseinformation »Weltrekord: Leistungsdichte magnetokalorischer Kühlsysteme gesteigert «

Leitprojekt ElKaWe - Elektrokalorische Wärmepumpen

Zum Beitrag in »Nature«

Bereits seit 2019 arbeiten das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und das niederländische Forschungsinstitut QuTech zusammen an optischen Komponenten für die Quantenkommunikation und-information. Sie entwickelten eine Quantenfrequenzkonverter-(QFC-)Architektur, die bereits Weltrekord-Niveau demonstrieren konnte: Die erreichte Rauscharmut und das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis setzen neue Maßstäbe beim Transfer von Quanteninformation. Damit schaffen die Forschungspartner eine Voraussetzung für die zügige Vernetzung von Quantencomputern an unterschiedlichen Standorten und damit für die Realisierung eines stabilen Quanteninternets. Quantenfrequenzkonverter sind nötig, um die Wellenlängen der von Qubits emittierten Photonen effizient zu solchen Wellenlängen umzuwandeln, die sich besonders verlustarm mit Glasfasern übertragen und in heterogenen Netzwerken mit anderen Qubitsystemen koppeln lassen.

Presseinformation »Photonische Quantentechnologien – Wegweisende Impulse aus dem Rheinischen Revier«

Die Quantenverschlüsselung sichert eine absolut abhörsichere Kommunikation. Zwischen dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und den Jenaer Stadtwerken besteht seit 2021 eine lokale Teststrecke, um den Austausch von Quantenschlüsseln via Freistrahl, also durch die Luft hindurch, zu untersuchen. Die Teststrecke mit den Teleskopen Alice und Bob erlaubt es den Forschenden, schnell und unkompliziert neueste Systeme zur Quantenkommunikation in einer realen Umgebung zu testen – etwa Photonenquellen, Teleskopoptiken oder spezielle Messsysteme. Dabei erreichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Schlüsselgenerierungsraten im Bereich von mehreren Kilobit pro Sekunde. Für den Austausch eines Quantenschlüssels über Freistrahl innerhalb eines urbanen Gebiets gehört diese Generierungsrate weltweit zu den höchsten. Sie würde ausreichen, um ein Telefonat innerhalb einer Stadt problemlos hochsicher zu verschlüsseln.

Presseinformation »Teststrecke für Quantenkommunikation zwischen Jenaer Stadtwerken und Fraunhofer IOF erforscht hochsichere Kommunikation«

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF gelang es zusammen mit einem internationalen Konsortium erstmals, das theoretische Prinzipder Laserschwellen-Magnetometrie experimentell zu demonstrieren. Erstmals wurde Diamant mit einer hohen Dichte an Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in einem Lasersystem eingesetzt und damit die weltweit erste Messung magnetfeldabhängiger stimulierter Emission demonstriert – und ein bisher in NV-Diamant unbekannter physikalischer Prozess beobachtet: die durch grüne Lasereinstrahlung induzierte Absorption roten Lichts. Durch den erstmaligen Einsatz von NV-Diamant als Lasermedium erreichte das Konsortium nicht nur eine Verstärkung der Signalleistung, sondern konnte sogar einen neuen Kontrastrekord aufstellen: Die magnetfeldabhängige Emission zeigte einen Kontrast von 33 Prozent und eine maximale Ausgangsleistung im Milliwattbereich. Dies funktioniert nur, wenn Diamant eine sehr hohe Dichte an NV-Zentren aufweist und gleichzeitig gute optische Eigenschaften behält.

Presseinformation  »Weltweit erste Messung magnetfeldabhängiger stimulierter Emission«

Zum Beitrag in »Science Advances«

Der Mobilfunkstandard der Zukunft, 6G, setzt wie bereits 5G auf eine veränderte Infrastruktur für die Übermittlung hoher Datenraten in Echtzeit: Mikro- statt Makrozellen werden für die Abdeckung benötigt, als Frequenzbereich wird das Sub-Terahertz-Spektrum (155 bis 175 Gigahertz) diskutiert. Dabei sollen die städtischen Makrozellen nur etwa 250 Meter im Freien voneinander entfernt sein. Bei Übertragungstests im August 2021 erreichten das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und der Industriepartner LG eine Entfernung von 100 Metern im Freien für 6G-Sub-Terahertz-Daten. Im September 2022 kamen die Projektpartner bei Tests am Fraunhofer HHI bereits auf die eindrucksvolle Entfernung von 320 Metern.

Durch den Einsatz neuartiger Verstärker an Sender und Empfänger konnten die Technikerinnen und Techniker die Übertragungsdistanz mehr als verdreifachen. Die neuen Technologien wurden in das neueste Moduldesign von LG integriert und sind damit für die künftige Herstellung von integrierten Schaltkreisen bestens geeignet – ein wesentlicher Faktor auf dem Weg zu einer kommerziellen Vermarktung.

Presseinformation »Fraunhofer HHI und LG zeigen Führungsrolle bei der Demonstration des 6G-Sub-THz-Bands der nächsten Generation Mobilfunk«