Reduktion von Kupfer in der 1. Welt – Wie verringert man den Kupferverbrauch?

#0066cc">Wörter: 2043#0066cc">; #0066cc">Linkslevel: +1 #cf780e">Echte Sozialdemokraten

 

 

Projekte:

— Schaffung einer gerechten Welt —

— Rettung der Biosphäre —

 

 

 

 

Die Verwendung von Kupfer in der sogenannten ersten Welt über steigt das Maß des der dort lebenden Population Zustehenden. Daher muß der Kupferverbrauch – und daß bedeutet die Verwendung von Kupfer – radikal verringert werden. Dazu werden hier Vorschläge gemacht, die allerdings noch weiterentwickelt werden müssen.

 

Wo muß Kupfer eingesetzt werden?

Es muß gesetzliche Vorschriften zur Verwendung von Kupfer geben. Kupfer ist das zweitleitfähigste Metall und steht daher für Energie-Effizienz in Elektrik und Elektronik. Kupfer wird in der Zukunft vermehrt in Elektromotoren und Transformatoren benötigt und kann dadurch weniger für Leitungen verwandt werden.

 

Leitungskupfer reduzieren

Kupferersatz in der Elektrik und Elektronik

Das bedeutet: Konsequenter Einsatz von AlCu (von kupferkaschiertem Aluminium (CCA)) zur Einsparung von Kupfer. Der Platzbedarf für Elektroinstallationen erhöht sich dadurch deutlich.

In speziellen Anwendungen kann Kupfer durch die häufigeren Elemente Eisen, Kobalt oder Zink ersetzt werden. Zu beachten ist, daß der Verbrauch von Eisen und Stahl wie bereits in »Das Baumaterial der Zukunft« erklärt, ebenfalls aus dem hier geschilderten Grunde reduziert werden muß.

Bei Oberleitungen wird dem Kupfer häufig schon das gut verfügbare Magnesium zugesetzt. Hier könnte man künftig mit AlCu (CCA) mit Kohlefaserseele oder mit Korundseele (Siehe »Das Baumaterial der Zukunft«!) experimentieren. AlCu mit Kohlefaserseele wird hergestellt, in dem reines dünnes Aluminiumblech auf Stoß unter Schutzgas um die Seele gewickelt wird, anschließen de dasselbe in die andere Richtung geschieht, und dann durch schrittweise Tauch-Kühl-Zyklen die eigentlich massive Aluminium-Schicht hergestellt wird. Durch Auftragsschweißen wird dann die Kupferschicht aufgetragen. Diese Kupferschicht kann etwas Magnesium enthalten.

In vielen gerade auch erdgebundenen Transportanwendungen kann Kupfer auch durch organische Leiter ersetzt werden. Dadurch können große Mengen Kohlenstoff gespeichert werden. In speziellen Wechselspannungsanwendungen sind auch kupferkaschierte organische Leiter denkbar.

In der Elektronik könnte Graphen und zuküntig viel-lagiges Graphen als Kupferersatz eingesetzt werden.

 

Korrosion

Kupfer bildet Oxide und Salze. Diese können verloren gehen. Oxidiertes Kupfer wirkt teilweise als Schutzschicht. Dem Verlust von Kupfer und Kupferionen ist vorzubeugen. Dazu müssen die letzten Ursachen des sauren Regens,wo sie noch existieren, beseitigt werden.

 

Kupferverzicht durch Photonik

Informationstransport durch Glasfasern

Schon heute werden Informationen über weite Strecken praktisch verlustlos durch Glasfasern transportiert. Voraussetzung ist ihre fehlerfreie Produktion. Möglich macht das die Totalreflexion, deren Auftreten von der Brechungsindexdifferenz zum umgebenden Medium und dem Einspeisewinkel in der Faser abhängt.
 

Optische Informationsverarbeitung

Ist erst die optische Informationsverarbeitung entwickelt, kann sie nahtlos an den Informationstransport durch Licht anknüpfen.
Eine aufwendige Methode: Nichtlineare Optik benötigt in der Regel höchste Lichtintensitäten. Um diese mit wenig Licht in einem Glasfaser-Photonik-Gerät herzustellen, wird eine Glasfaser am Ende durch Elektronenstrahllithographie mit einer radialsymmetrischen Struktur versehen, die eine Mischung aus Phasen- und Beugungsgitter darstellt. Der Zweck besteht darin, den austretenden Strahl zentrisch auf ein definiert entferntes Ziel zu fokussieren. Dort befindet sich ein quantum-dot. Dieser kann auch als niedrig-dimensionales Objekt ausgelegt sein und von der Seite durch einen weiteren Strahl von der Seite angesteuert werden. Ein Filter filtert die neue Frequenz.

Diese Methode benötigt jedoch eine Rücktransformation der Frequenz für die Weiterverarbeitung. In der Elektronik werden Spannungen mit Transistoren und Widerständen eingestellt. Hier ist es komplizierter.
 
Photonischer Computer
Verstärken Deswegen wird hier eine weitere monochromatische Variante ins Auge gefaßt. Ein flächenhaftes optisches Verstärkermedium ersetzt das, was in der Elektronik die Potenzialdifferenz zwischen Schaltspannung und Masse ist. Alle zu verstärkenden Strahlen sind vergleichsweise dünn, laufen aus sehr schwach fokussierenden dünnen Fasern durch das ausgedehnte dünnflächige Medium, wo sie verstärkt werden und in gegenüberliegende dickere Fasern hinein. Das Medium wird durch zwischen den seitlich verspiegelten Fasern gelegene Quellen gepumpt. Eine Standardintensität ist notwendig.
Das Schalten findet nun so statt, daß eine zu schaltende Faser auf einen genau für die Intensität zugeschnittenen sättigbaren Absorber fällt, der ebenfalls als Fläche ausgelegt ist, auf der sich beidseitig kongruente Glasmatrizen mit elektron-lithographischen Bohrungen für Glasfasern befinden, so daß passend (wieder kleiner und und großer Durchmesser) gegenübergesteckte Fasern einen Intensitätsabfall auf die Hälfte oder ein Viertel erleben. Bringt man mit einer lithographisch gefertigten leicht schrägen Steckmulde zu jeder schmalen Faser eine weitere schmale Faser schräg neben dieser an, so daß ihr Wegvolumen das der ersten überstreicht, kann man mit dieser Steuerfaser der ersten den Weg (z. B. zwei Halbwertsdicken) freischalten. So kommt es zu einer gesteuerten Abschwächung. Auch gesteuerte Verstärkung ist möglich. In diesem Falle besteht das Medium (wieder flach mit vielen Anschlüssen auf beiden Seiten) aus einem Halbleiter mit passender Bandlücke. der Steuerstrahl wird absorbiert und erzeugt Ladungsträger im Leitungsband, welche zu einer Reflexion des Lichtes führen.
Die Hardware (photonischer Computer) besteht nun darin, daß die Fasern an ihren anderen Enden bzw. Anfängen in flache Matrixkristalle gesteckt werden, welche Lichtleiter so enthalten, daß sie die dicken und dünnen Anschlüsse so miteinander verbinden, daß eine bestimmte Funktion realisiert wird, der dieser Lichtleiterkristall entspricht. Steckt man viele solcher Kristalle in einen Computer, kann eine hohe Funktionalität (z. B. ein Register) aufgebaut werden. Die Funktionen kommen erst dadurch zustande, daß das Licht mehrere Kristalle durchläuft. Kommt das Licht aus einem Kristall,entscheidet der nächst, ob es zum Verstärker, zum Abschwächer, oder noch einmal zum selben Kristall zurückläuft. Es gibt Eingangs- und Ausgangs-Kontakt-Arrays. Später können flächige Kristalle gleich zu funktionalen dreidimensionalen Aggregate integriert werden. Dazu müssen einzelnen Schichten zusätzlich noch funktionslose Durchleitungen hinzugefügt werden. Um Funktionen zu verändern, könnten auch besonders ebene Kristalle mit funktionstypischen Lichtleiteranordnungen geschaffen werden, die allerdings mikrometergenau zwischen den Anschlußflächen platziert werden müßten. Dazu wäre Staubfreiheit notwendig. Ein Austausch könnte dem Austausch eines Chips in der Elektronik entsprechen.
Photonik hätte zunächst den großen Nachteil, daß die Integrationsdichte am Beginn sehr niedrig wäre, weil die Lichtleiter das Mehrfache der Wellenlänge als Durchmesser haben müßten. Sie könnte nur durch Herstellung dreidimensionaler Funktionschips erhöht werden. Sie zu schaffen, ist heute noch nicht möglich. Mit Photonik könnten digitale und Analoge Rechner gebaut werden. Auf Kupfer könnte verzichtet werden, da die Fasern in der Nähe des Verstärkermediums oder der Absorber mit anderen Metallen z. B. Aluminium verspiegelt werden könnten. Die monochromatische Variante gewinnt also. Der Computer muß getaktet sein, da die Steuerfasern im Falle der sättigbaren Absorber, aber auch im Falle der Halbleiter zuerst Licht abgeben müssen, damit es funktioniert. Das wird einfach durch kürzere Lichtleitungen realisiert.

 

Kupferverzicht beim Energietransport — Ersetzung der Elektrik

Energietransport durch Glasfasern

Die Übertragung von Lichtenergie durch Glasfasern kann praktisch verlustlos über große Entfernungen erfolgen. Die erste Anwendung könnte Fernwärme sein. Dazu benötigt man Infrarot- oder Hohlleiter. Eine weitere Anwendung kann die Fernerzeugung von Licht selbst sein. Kann man Licht mit hohem Wirkungsgrad produzieren, kann man eine durch einen optischen Bandpaß abgeschirmte Lichtquelle für sichtbares Licht noch effizienter machen. Für das transmittierte Licht kann man Glasfasern zum Transport nutzen. Je nach Stärke der Lichtquelle läßt sich das quasi kalte Licht sehr effizient an seinen Bestimmungsort transportieren. Energieeinsparung sollte das Resultat sein, obgleich Schalter eine technische Herausforderung bilden. Ein Anwendungsbeispiel wäre die Straßenbeleuchtung.
Noch interessanter ist die Aufnahme von gemischt erzeugtem Licht mit Glasfasern und die nachfolgende Trennung durch eine Lichtaufarbeitung. Dazu muß das Licht eine Aufweitungsoptik und mehrere Filter passieren. So kann sichtbares Licht und Infrarotlicht getrennt werden. Voraussetzung ist eine rußfreie Erzeugung oder eine Erzeugung mit Gasschutzschicht.

 

Licht soll Geräte und Anlagen betreiben

Photoelektrische und Photomechanische Wandler entwickeln!

Wenn es Geräte gibt, die nicht mehr elektrisch, sondern durch Licht betrieben werden, kann sehr viel Kupfer und Energie eingespart werden.

Bisher gibt es elektromechanische Wandler. Benötigt werden jedoch photomechanische Wandler. Gleichwohl sind photomechanische Wandler noch eine große Herausforderung.
Hier werden einige Varianten angedacht.
 

Lichtgitter und Piezoübergitter

Wird ein langgestrecktes Piezoelement so von einem durch ein Beugungsgitter und eine Parallelaufweitungsoptik beeinflußten Laserstrahl seitlich bestrahlt wird, daß die effektive Gitterperiode am Piezokristall mit einer Strukturlänge, die durch eine Dotierungs- oder Mischungsüberstruktur (Zr, Ti) entstand, übereinstimmt und die Phase so abgestimmt ist, daß die Lichtschwingung mit den Polarisationen zusammenfällt, kann das Piezoelement zur mechanischen Schwingung angeregt werden. Zu behebende Schwierigkeit ist noch, daß das Piezioelement sich bei mechanischer Auslenkung aus der Phase bewegt. Dies’ könnte später dadurch kompensiert werden, daß man das Piezoelement selbst mehrfach durchstrahlt und es selbst aufgrund seiner extra erstellten Brechungsindexperiodizität als Beugungsgitter nutzt.
 

Direkt lichtgetriebene synthetische Muskeln

Muskeln sind synergisch wirkende biologische Molekularmotoren. Ihr wesentlicher Vorteil gegenüber klassischen Elektromotoren liegt darin, daß sie sich selbst reparieren können. Ihr Nachteil liegt in der Begrenztheit von Kraft und Effizienz und darin, daß sie Kraft (statt wie beim Elektromotor fortlaufend als rotierende Bewegung) nur über ein endliches Intervall eines einzelnen Freiheitsgrades entwickeln können. Vor dem photomechanischen Wandler steht daher der künstliche Molekularmotor, welcher dann mittels molekularer Antennen (evtl. Lichtspeicher) und Lichtwandler zu einem photomechanischen Wandler entwickelt (ausreichender Effizienz) wird.
 
Weitere photomechanische Wandler-Konzepte müssen erforscht werden. Die Aufgabe besteht darin, mithilfe nichtlinearer Effekte eine steuerbare phasensensible Kraft zu generieren.

 

Neue Optik

Die hier zuletzt dargestellten Wandler-„Lösungen“ sind eigentlich Herausforderungen. Zu ihrer Lösung braucht man neue Erkenntnisse und Entwicklungen. Daher muß z. b. eine neuer Optik entwickelt werden. Die neuen Metamaterialien, die es bereits für Mikrowellen Terraherzstrahlung und Infrarot gibt, sind bereits ein kleiner Schritt auf dem Weg.
 

Problemstellung

Was brauchen wir? Will man nicht-brillantes Licht fokussieren, nutzt man Linsen und muß sich für einen Kompromiß zwischen Konvergenz und Strahlenge entscheiden. Das verallgemeinerte Phänomen besteht darin, daß man diffuses Licht nicht bündeln kann, weil der Lichtweg umkehrbar ist. Diese Umkehrbarkeit ist bisher nur bei zirkular polarisiertem Licht mithilfe des Faradyeffektes und einigen anderen optischen Effekten bei kohärentem Licht negierbar gewesen. Der nächste Schritt der Evolution besteht daher logischer Weise darin, farbiges nichtkohärentes Licht, selektiver Spektralität (z. B. höhere Harmonische oder multibandgefiltertes Licht), gleichzeitig in der Strahlweite einzuengen und winkelig zu sortieren, bzw. zu bündeln.
 

Problemlösung

Phasenempfindliche Optik
Eine Lösung diese Problems besteht darin, phasenempfindliche optische Elemente zu entwickeln. Phasenempfindlichkeit kann sich frequenzselektiv auf die Reflexion, und auch auf die optische Weglänge auswirken. Dazu können z. B. leitfähige U- und Omega-förmige Moleküle in optischer Matrix genutzt werden und spezifische sehr dünne Metamaterialien mit dielektrischen Grenzflächen kombiniert werden. Durch Wahl der Dicke und durch zyklische Anordnung zusammen mit mindestens einem dritten neutralen optischen Material können z. B. phasenempfindlich reflektierende Stoffe geschaffen werden. Ebenso sind phasen/frequenz-empfindliche Brechung also Winkelsortierung möglich.

Weitere Lösungen liegen in der gezielten Gradientenbildung anisotroper Eigenschaften optischer Materialien. Insbesondere die Refraktion an gebogenen inneren Gradientenflächen in Kombination mit anisotropen Eigenschaften führt hier zum Erfolg.

Hat man Lösungen, mit denen sich definiert spektral teilselektiertes Licht mithilfe von phasenemfindlichen optischen Elementen zu kohärentem Licht verarbeiten läßt, kann man weißes Licht spektral aufspalten und (unterschiedlichen Zwecken zuführen) die Phase präparieren und dann vollständig verwerten. Mit solcher Technologie lassen sich dann auch extrem phasenempfindliche Anwendungen, wie optomechanische Wandler (der primitiveren Art) herstellen.
 

Die Bedeutung der zyklischen Anordnung

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beinhaltet einen wenig beachteten Ausdruck: „(k)eine periodisch arbeitende Maschine“. Dieser Ausdruck ist deswegen von Bedeutung, weil man in spektral eingeschränkten Szenarien mithilfe von stochastisch arbeitenden Maschinen auf mikroskopischer Ebene durchaus gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen kann. Dieses zeigt sich klar bei Quantenratschen, biologischen Transportvorgängen in eingeschränkten Dimensionen (beide räumlich zyklisch) und Molekularmotoren (stochastische Arbeitsweise).
Offenbar kann man Energie spektral nicht sortieren, wenn man mit einer vorgegebenen Frequenz arbeitet.
Für uns gibt es das Problem elektromagnetische Wellen, die sehr klein sind, hinsichtlich Richtung, Bündelung, Wellenlänge und Phase zu verarbeiten. Lösungen kann es nur geben, wenn es eine räumliche Periode gibt. Bisher wurden nur alternierende Variationen (zwei Zustände oder wegsymmetrische Variation) benutzt, um spektrale Effekte zu erreichen (Interferrometer (Mesoebene) oder Atomgittergitter (Angströmebene)) Wenn man optisch Eigenschaften jedoch zyklisch (z. B. kontinuierlich) und #f5000b;">zyklisch heißt zwischen mindestens drei Zuständen variiert, erreicht man viel mehr.
Je nach Art der zyklisch variierten Eigenschaft, können Weißlichtstrahlen durch Reflexion oder Brechung in unterschiedliche Bänder aufgespalten und spektral verarbeitet werden.
Spektrale Verarbeitung heißt, daß eine Energisortierung stattfinden kann. Es kann ein wellenlängenabhängiger Richtungssog konstruiert werden.
Das Prinzip der zyklischen Anordnung soll (da entwicklungs- und klimarelevant) nicht für Patente genutzt werden!
 

Impulsproblem bleibt noch zu lösen

Das Problem der tief inelastischen Impulserzeugung besteht weiterhin. Die Lösungen mithilfe von Licht beispielsweise eine Schiebetür zu öffnen, können sehr vielfältig sein. Die Anfänge photomechanischer Wandler werden sicherlich mit Vibrationen arbeiten und am Anfang relativ ineffizient sein. Langfristig führt an mesoskopischen und molekularen Maschinen kein Weg vorbei. Solche Maschinen müssen, da sie nicht leben, fehlertolerant und strukturell homöostatisch konstruiert sein.

 

Zusammenfassung

Die radikale Reduktion von Kupfer in der Industriegesellschaft ist möglich, braucht aber etwas Zeit für die Umsetzung. Vorerst ist Kupfer in Motoren, Generatoren und Transformatoren, Sendeantennen und anderen elektrisch hoch beanspruchten Teilen, sowie bei einigen Wärmeleitern unersetzbar.

[Evariste]

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