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Die Kernlehrpläne im Fach Physik in Deutschland sehen das Thema 3D-Druck (Infokasten) aktuell zwar nicht explizit vor, aber es hat mehrere Anknüpfungspunkte im modernen Schulunterricht. In den Naturwissenschaften ist der offensichtlichste die Herstellung von Experimentiermaterial sowie von haptischen Anschauungs- und Funktionsmodellen. Die Materialkosten sind meist selbst für schulische Maßstäbe sehr gering. So lassen sich oftmals ganze Klassensätze herstellen, um verschiedene Themen und Experimente aus dem Lehrplan abzudecken. Im Internet finden sich viele 3D-Dateien zu unterschiedlichen Themenbereichen – vor allem aus der Mathematik und den Naturwissenschaften –, die meist recht einfach zu drucken sind.

Indem die Lernenden 3D-Objekte z. B. nach Schritt-für-Schritt-Anleitung erstellen, variieren und selbst ausdrucken sowie für Experimente verwenden, können sie neben fachlichen Kompetenzen, Experimentier- und Problemlösefähigkeiten auch Kenntnisse im Umgang mit digitalen Technologien erwerben, die für sehr viele Berufsfelder von Bedeutung sind. Hierzu gehören der Umgang mit komplexen Computerprogrammen, die Programmierung von Maschinen oder die Planung von Prozessen. (...)

Schon im Mittelalter dienten einfache Linsen als eine Art Brille dazu, das Sehvermögen zu korrigieren. Mikroskop-Optiken haben seit Antonie van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert sowie Carl Zeiss und Ernst Abbe im 19. Jahrhundert geholfen, die Mikrowelt zu erschließen und Krankheitserreger zu entdecken. Mit dem holländischen Teleskop entdeckte Galileo Galilei zu Beginn des 17. Jahrhunderts die Jupitermonde und etablierte damit unser heliozentrisches Weltbild. Joseph von Fraunhofer gelang es im 19. Jahrhundert, das erste achromatische Objektiv zu bauen. Carl Zeiss und Ernst Abbe variierten zusammen mit Otto Schott systematisch die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien, um Gläser mit verschiedenen Brechungsindizes und Dispersionen und damit höchst qualitative Mikroskop­objektive für die Medizin herzustellen. 

Das 20. Jahrhundert war ein Jahrhundert des Photons, in dem komplexe Kameraobjektive mit 20 Linsen oder mehr für beste Bilder in sehr großen Distanzen mit Teleobjektiven oder in der Nähe mit Makro- und Weitwinkel­objektiven sorgten. Dank neuer Schleiftechniken gelang es, die Teleskop- und Mikroskopoptiken zu perfektionieren. Nicht nur sphärische Linsen- oder Spiegelformen waren zugelassen, sondern auch Asphären wie Paraboloide, Ellip­soide oder gar Freiformflächen, die nicht zwingend rotationssymmetrisch waren. Dies ermöglichte Teleskope, die bis ins Zentrum der Milchstraße blicken ließen, oder Mikros­kopoptiken für Belichtungsobjektive in der Halbleiter-Litho­graphie. Heutzutage sorgen miniaturisierte Optiken in Smartphones für Fotos, für die vor 20 Jahren noch teure Hochleistungskameras und Objektive nötig waren. Die kleinsten Optiken sind nur wenige Millimeter groß und kommen in den Frontkameras für Selfies zum Einsatz oder in Sensoren für die Gesichtserkennung. (...)

Fast in jedem Haushalt lassen sich heute im Handumdrehen Texte, Bilder oder Fotos ausdrucken. Zukünftig ist aber auch denkbar, dass sich per Knopfdruck mittels 3D-Drucker verschiedenste Gegenstände fabrizieren lassen. Bereits jetzt haben 3D-Drucker einige Bereiche des Alltags erobert und ergänzen beispielsweise den Physik­unterricht, indem sie die kostengünstige Herstellung von Experimentiermaterial erlauben. Auch in der Industrie kommt die additive 3D-Fertigung – wie es korrekt heißt – zum Einsatz, unter anderem zur Herstellung von Prototypen. Der Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O) verfolgt die Vision, eine skalierbare digitale additive 3D-Fertigung von der molekularen bis zur makroskopischen Skala zu etablieren.

Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg erforschen und bearbeiten die gesamte Bandbreite von der Grundlagenforschung über die angewandte Forschung bis hin zu Technologien und Ausgründungen. Vorbild sind biologische Systeme, die Moleküle auf der Nanometerskala zusammensetzen können, um damit gewünschte Funktionen auf der Zell- oder Gewebeebene zu erzielen. Das langfristige Ziel besteht darin, industriell fabrizierte Werkstoffe und lebende Systeme miteinander zu kombinieren und die 3D-Fertigung und -Materialverarbeitung vollständig zu digitalisieren. (...)

Welche Produkte bietet die Nano­scribe GmbH an?
Martin Hermatschweiler: Wir stellen 3D-Drucker her, die drei­dimensionale Strukturen erzeugen – ab etwa 100 nm Größe bis hin zu Volumen im Kubikmillimeter- und Flächen im Quadratzentimeterbereich. Und das bei höchster Auflösung. Basis dafür sind die Laserlithographie sowie speziell entwickelte Fotolacke.
Martin Wegener: Physikalisch steckt die Zwei-Photonen-Absorption dahinter, die schon Maria Goeppert-Mayer in ihrer Doktorarbeit untersucht hat. In meiner Arbeitsgruppe haben wir die Technik ursprünglich entwickelt, um photonische Kristalle herzustellen. Das waren große unhandliche Aufbauten im Labor…
Hermatschweiler: … nicht zu vergleichen mit den Geräten, die wir heute vertreiben.

Wie kamen Sie auf die Idee, dass sich dahinter ein Produkt verstecken könnte?
Wegener: Ich habe 2006 den Carl-Zeiss-Forschungspreis erhalten. Danach wollte die Carl Zeiss AG meine Arbeitsgruppe irgendwie unterstützen. Aus dem Blauen heraus habe ich als konkretes Projekt vorgeschlagen, einen Prototypen für die 3D-Laserlithographie zu entwickeln und vielleicht als Produkt zu vermarkten.

inige Bakterien wie E. coli oder T. Majus erreichen Geschwindigkeiten von 10 oder sogar 100 Körperlängen pro Sekunde. Das schaffen selbst die schnellsten Motorboote kaum. Menschliche Schwimmer bewegen sich bestenfalls mit etwa 1,5 Körperlängen pro Sekunde fort. Doch wie schwimmen Bakterien überhaupt? Die Art, wie Menschen kraulen oder Fische und Muscheln schwimmen, setzt stets Trägheits­effekte voraus. Auf der Größenskala von Bakterien – also wenigen Mikrometern – erzeugt dies keinen Vortrieb. Hier dominieren viskose Kräfte, die mit der linearen Ausdehnung l der Teilchen skalieren. Sie sind um viele Größenordnungen stärker als Trägheitskräfte, die mit der Masse bzw. mit l³ skalieren. Die Flüssigkeit erscheint hierdurch für Bakterien sehr dickflüssig, vergleichbar damit, als müsste ein Mensch durch Honig schwimmen. Ohne Trägheit findet Bewegung nur statt, solange Kräfte wirken. 
In der Konsequenz würde sich eine Muschel nach Schrumpfung auf die Mikroskala nicht mehr fortbewegen. Sie schwimmt, indem sie sich langsam öffnet und schnell wieder schließt, wobei sie Trägkeitseffekte in der Flüssigkeit erzeugt (Abb. 1a). Eine Mikro­muschel würde, abgesehen von Fluktuationen, nur um einen festen Raumpunkt oszillieren, weil sich die wirkenden Kräfte beim Öffnen und Schließen reziprok verhalten. Um bei niedriger Reynolds-Zahl, dem Verhältnis von trägen zu viskosen Kräften, zu schwimmen, braucht es nicht-reziproke Bewegungen („Scallop Theorem“) [1]. (...)

Titelbild

Wasser unter Extrembedingungen

Welche Rolle Wasser in der Dynamik des Inneren von Erde und Planeten sowie in vielen astrophysikalischen Prozessen spielt, ist noch weitgehend unklar. Dies liegt hauptsächlich an der Unzugänglichkeit solcher Orte.
Daher kommt Laborexperimenten, die extreme Bedingungen im Inneren
von Planeten und im Weltall zugänglich machen, eine hohe Bedeutung zu. In Kombination mit modernen Methoden zur Aufklärung der Struktur und Dynamik erlauben diese Methoden, Befunde aus der Ferne zu treffen.

Bild: NASA/JPL-Caltech

Editorial

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Wasser – mehr als ein Molekül

Gerhard Grübel

Inhalt: Physik in unserer Zeit 3/2022

Treffpunkt Forschung

Leicht, leichter, Neutrinos: Teilchenphysik

Enrico Ellinger, Leonard Köllenberger, Lisa Schlüter

Neutrinos sind die häufigsten Materieteilchen im Universum. Aber viele ihrer Eigenschaften wie ihre Masse sind bis heute unbekannt. Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) stellt nun die neuen Ergebnisse der aufwendigsten Massenbestimmung der Geschichte vor: Neutrinos sind leichter als 0,8 eV, was weniger als einem Fünfhunderttausendstel der Elektronenmasse entspricht.

Den Ursprung des Magnetsinns entschlüsseln: Magnetorezeption

M. Renee Bellinger, Uwe Hartmann, Michael Winklhofer

Singvögel und Lachsfische sind die bekanntesten Beispiele von Tieren, die sich bei ihren langen Wanderungen auch am Magnetfeld der Erde orientieren. Der Nachweis von kleinen Clustern aus Magnetit in den Sinneszellen von Lachsfischen weist nun auf hochinteressante evolutionäre Entwicklungen, ausgehend von Archäen, hin.

Tauwetter auf dem Mars: Planetenforschung

Zunehmende Temperaturen auf der Südhalbkugel des Roten Planeten lassen das Eis auf den Dünen schmelzen.

Krebsforschung mit laserbeschleunigten Protonen: Protonentherapie

Florian Kroll, Karl Zeil, Florian-Emanuel Brack, Elke Beyreuther

Durch Hochleistungslaser getriebene Protonenquellen stellen eine interessante Ergänzung zu konventionellen Protonenbeschleunigern dar, insbesondere für die radiobiologische Forschung. Unserem interdisziplinären Forschungsteam ist es erstmals gelungen, eine radiobiologische Kleintierstudie mit laserbeschleunigten Protonen durchzuführen.

Physics News

Artikel

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Wasser in der Erde und in kosmischen Eiswelten: H₂O unter extremen planetarischen Bedingungen

Thomas Loerting, Hanns-Peter Liermann

Welche Rolle Wasser in der Dynamik des Inneren von Erde und Planeten sowie in vielen astrophysikalischen Prozessen spielt, ist noch weitgehend unklar. Dies liegt hauptsächlich an der Unzugänglichkeit solcher Orte. Daher kommt Laborexperimenten, die extreme Bedingungen im Inneren von Planeten und im Weltall zugänglich machen, eine hohe Bedeutung zu. In Kombination mit modernen Methoden zur Aufklärung der Struktur und Dynamik erlauben diese Methoden, Befunde aus der Ferne zu treffen.

Bild: NASA/JPL-Caltech

Open Access

Auf dem Weg zum Replikator: Volumetrischer 3D-Druck

Martin Regehly, Stefan Hecht

„Tee, Earl Grey, heiß!”: In der Science-Fiction-Serie Star Trek produzieren Replikatoren, in Sekundenschnelle und scheinbar aus dem Nichts, Bauteile und Dinge des täglichen Bedarfs. Der Traum, diese Wundermaschinen zu realisieren, inspiriert Wissenschaft und Industrie seit Langem. Konventionelle 3D-Drucker waren der erste Schritt, doch nun ist eine neue Technologie für die schnelle Erzeugung von Objekten direkt im freien Volumen eines Ausgangsmaterials im Entstehen.

Doppelpack für genauere Wetterdaten: Drei Generationen Meteosat-Wettersatelliten

Jörg Asmus

Hagel, Starkwind, Starkniederschläge und Überschwemmungen: Extreme Unwetter werden durch den Klimawandel häufiger. Um sie mit genaueren Wettervorhersagen rechtzeitig erkennen und warnen zu können, benötigt die Meteorologie präzisere Informationen über den Zustand der Atmosphäre. Das ist die Aufgabe der dritten Generation von Meteosat-Wettersatelliten. Der erste Satellit soll im Dezember 2022 gestartet werden.

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Produktives Klangchaos: Rauschen in Musik und Medizin

Leopold Mathelitsch, Ivo Verovnik

Bei Musik und Sprache denkt man automatisch an harmonische Klänge. Rauschen ist jedoch ebenfalls ein essentieller Bestandteil, insbesondere beim Sprechen. Es wird sogar medizinisch genutzt. (Foto: © Adobe stock)

Kondo-Mania: Der Kondo-Effekt in verschiedenen Materialklassen

Stefan Kirchner, Silke Bühler-Paschen

Vor knapp 90 Jahren wurde der Kondo-Effekt erstmals experimentell beobachtet. Es dauerte 30 Jahre, bis eine theoretische Erklärung gelang. Heute ist Kondo-Physik akueller denn je.

Magazin

Die Entdeckung der solaren Neutrinos: Vor 50 Jahren

Kai Zuber

Der erste Nachweis solarer Neutrinos vor 50 Jahren sorgte für ein Rätsel.

Visualisierung von Messdaten eigener Sensormodule mit phyphox: Smarte Physik

Dominik Dorsel, Sebastian Staacks, Heidrun Heinke, Christoph Stampfer, Jochen Kuhn, Thomas Wilhelm

Die Arduino-Bibliothek phyphoxBLE ermöglicht die einfache Übertragung und Darstellung der mit selbst erstellten Sensormodulen gewonnenen Messdaten auf ein Smartphone. Ein Beispiel sind die hier vorgestellten CO₂-Monitore. Sie können zur Raumluftüberwachung während einer Pandemie eingesetzt werden, aber auch für naturwissenschaftliche Experimente.

Historisches Rätsel

Die diskrete Wissenschaft vom Magneten: Historisches Rätsel

Andreas Loos

Sein Modell des Magnetismus wird zu einer wissenschaftlichen Erfolgsgeschichte, ohne dass er dies über viele Jahre lang mitbekommt.

Treffpunkt TV

Plancks „Akt der Verzweiflung“
Physik & Literatur

Klaus Mecke

Wie wird wissenschaftlich über etwas geschrieben, das nicht in das Weltbild passt?

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Vorschau auf Heft 4/2022

Titelbild: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

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Editorial

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Dreieinhalb Jahrzehnte ViP: Rück-, Ein- und Ausblicke im „Volume 35“

Lisa Kleinen

• Pages: 3
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Inhalt: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 4-5
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Magazin

News: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 6-13
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Forschung: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 14-22
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Personen: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 23-25
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Vakuum

Pumping stations for today's steel degassing requirements: Energy-efficient solutions for demanding process conditions

Ingo Heitz,  Moritz Boller

This article focuses on the vacuum equipment used in vacuum degassing (VD) and vacuum oxygen decarburization (VOD) processes. Despite harsh process conditions caused by outgassing and the process gases themselves, there are various pumping principles and designs of vacuum pumps that can be used. Through clever pump selection there is an opportunity to realize substantial energy and operating resource savings on the vacuum pumping side. Last but not least, a new pump series will be presented that further contributes to cost reduction through higher efficiency.

• Pages: 26-31
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Dünne Schichten

Vakuumdeponierte dünne Schichten polarisieren: TFPs mit Sonderfunktionen eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten

René Sattler

Außergewöhnliche Anwendungen erfordern außergewöhnliche Lösungen. Mit Fachwissen und den technischen Möglichkeiten von heute lassen sich im Bereich der Dünnfilmpolarisatoren auch komplexe Schichtdesigns umsetzen, mit denen sich Funktionalitäten und Anwendungsbereiche erschließen, die für diese Optiken bisher überhaupt nicht in Betracht gezogen wurden – zum Beispiel als „Leuchtkraftverstärker“ in Projektoren oder als „Effizienz-Boost“ beim Erzeugen von frequenzverdoppelten Laserstrahlen.

• Pages: 32-34
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Vakuum

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3D-Druck für Hochvakuumanwendungen: Herstellung und Test von Komponenten sowie Rezipienten mit funktionalem Design

Christian Wolf,  Martin Prechtl,  René Bauer,  Michael Dinkel,  Fabian Beck,  Leopold Franz,  Viktor Neumeyer

Anlässlich unseres Jubiläums präsentieren wir von den Lesern unserer Online-Ausgabe besonders geschätzte Beiträge erneut im Druck. Hier:

Die 3D-Druck-Technologie hat den Sprung von einer hobbymäßigen Privatanwendung in den industriellen Fertigungsbereich geschafft. Auf Grund wachsender Zuverlässigkeit der Drucker und zunehmender Material-diversität, insbesondere im Metallbereich, sind in den kommenden Jahren Steigerungsraten im zweistelligen Prozentbereich möglich.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung von Bauteilen mittels 3D-Drucks für einen Einsatz im Hochvakuum. Es werden unterschiedliche Komponenten realisiert und auf ihre Vakuumtauglichkeit untersucht.

Wie in dieser Arbeit zudem gezeigt, können herkömmlich hergestellte Standardkomponenten mit gedruckten Teilen vakuumdicht verschweißt werden, was eine kostengünstige Fertigung komplexerer Komponenten wie z. B. einer Vakuumkammer ermöglicht. Darüber hinaus lassen sich funktionale Komponenten bereits im Herstellungsprozess verwirklichen. Die Integration eines Systems aus Strömungskanälen direkt in die Wandung einer Vakuumkammer ist nur ein Beispiel hierfür. Damit lässt sich dieser Rezipient beim Evakuieren ausheizen und im späteren Betrieb effektiv kühlen.

• Pages: 35-39
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Vacuum metrology and its impact on research and industry: From state of the art measurements to future trends

Karl Jousten

To mark our anniversary, we are presenting articles that have been particularly appreciated by readers of our online edition once again in print. Here:

By accurate vacuum measurement, it is possible to control processes in industry, to ensure the necessary environmental conditions for many experiments in science and research and to support the commercial relationship between manufacturers and users of vacuum equipment. The main task of vacuum metrology, the science of vacuum measurement, is to provide traceability of vacuum measurements to the SI. In recent years, also the characterization of vacuum by partial pressure analysis and outgassing rate measurement, and the dynamics of vacuum measurement became an issue for vacuum metrology.

• Pages: 40-46
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Magazin

Termine: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 47
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Bezugsquellen: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 48-50
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Index/Impressum: Vakuum in Forschung und Praxis 1/2023

• Pages: 51
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Bildinformation ist ganz natürlich in der elektro­magnetischen Strahlung verschlüsselt. In künstlichen neuronalen Netzwerken (KNN) wird diese Bildinformation gemessen und anschließend in digitale Signale für eine elektronische Auswertung umgewandelt. Diffraktive neuronale Netzwerke (DNN) nutzen das Licht als Rechenmedium und können so von all seinen Freiheitsgraden ­Gebrauch machen, bevor die Intensitätsverteilung gemessen wird. Durch gezieltes Modulieren der Wellenfronten verarbeiten sie Bild­information in Lichtgeschwindigkeit.

Digitale vs. diffraktive neuronale Netzwerke

Um das Problem greifbar zu machen, richten wir den Blick auf eine konkrete Anwendung, die Objekterkennung. Das mag vielleicht auf den ersten Blick trivial erscheinen, doch auch ein scheinbar simples Problem kann überraschend komplex sein. So zum Beispiel die knifflige Herausforderung, einen haarigen Hund von einem Wischmopp zu unterscheiden. Bei einem digitalen Lösungsansatz mit einem künstlichen neuronalen Netz startet der Prozess damit, dass das Licht der vorhandenen Szene mit einer Kamera aufgenommen und in Pixeln diskretisiert gemessen wird (Abb. 1). Der Rechner verarbeitet diese digitalisierten Daten sequenziell und ordnet jeder möglichen Kategorie (hier Hund oder Wischmopp) eine Zahl zu. Schließlich gibt er für jede Kategorie eine Zahl aus. Gewonnen hat die Kate­gorie mit dem höchsten Wert. (...)