Physik Journal 4 / 2014

Die Dimensionen der CMOS-Halbleiterbauelemente gehen derzeit in schnellen Schritten von 28 auf 14 Nanometer herunter. Es ist zwar absehbar, die CMOS-Technologie bis auf 5 Nanometer weiter skalieren zu können, bei einem Abstand der Siliziumatome im Gitter von 0,5 Nanometer liegen dann aber Strukturen vor, die nur noch eine Kantenlänge von zehn Atomen haben. Experten bei Intel halten sogar 3,5 Nano­meter noch für machbar. Damit ist die physikalische Grenze unweigerlich erreicht und die CMOS-Technologie, die mit ihrer Dynamik die rasante Entwicklung der „digitalen Revolution“ mit Internet, Smartphones und Mobil­funk erst möglich gemacht hat, ist endgültig ausgereizt. „Die alte ITRS Roadmap sah die Grenze noch im Jahr 2020, wenn wir jetzt auf 5 oder 3,5 Nanometer gehen, haben wir vielleicht noch bis 2030“, schätzt Gerhard Fettweis vom Institut für Nachrichtentechnik der TU Dresden, der Sprecher des Exzellenzclusters. Daher geht es im cfaed darum, elektronische Systeme aller Art auf anderem Wege voranzutreiben. ...

Mechanische Strukturen mit Größen im Mikrometerbereich finden sich in einer Vielzahl von Sensorikanwendungen. So sind sie in Airbags, Spielkonsolen und Smartphones als Beschleunigungssensoren integriert, eignen sich aber z. B. auch zur Gasdetektion. Noch weit kleinere, nanomechanische Resonatoren [1] sind aufgrund ihrer deutlich geringeren Massen kaum mehr durch Gravitation oder Trägheits­kräfte zu beeinflussen, lassen sich aber weiterhin komplett durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschreiben. Aufgrund der winzigen Rückstellkräfte reagieren sie sehr empfindlich auf viele andere Felder. So eignen sich leitende nano­mechanische Resonatoren als extrem empfindliche Ladungsdetektoren [2]. Die Kombination mit einem winzigen Magneten ermöglicht es, einzelne Elektronen- und nur wenige Kernspins zu detektieren [3]. Außerdem reicht die Massenempfindlichkeit bis in den Yoktogramm-Bereich (10–24 g) [4]. Für solche Sensoren kommen insbesondere nanomechanische Resonatoren hoher Güte infrage, da sie aufgrund ihrer hohen Frequenzen im Megahertz-Bereich eine empfindliche Detektion mit großer Bandbreite erlauben. Solche Resonatoren bilden auch ideale Modellsysteme für Untersuchungen nichtlinearen Verhaltens und Chaos [5]. Darüber hinaus ist es in den letzten Jahren gelungen, mikroskopische mechanische Resonatoren derart weit abzukühlen, dass sie ihren quantenmechanischen Grundzustand erreichen. Damit könnten nanomechanische Modellsysteme sogar dazu dienen, fundamentale Fragen der Quanten­mechanik zu beantworten [6]. ...

Wir können außerordentlich leise Töne wahrnehmen, die sich von den lautesten (nicht hörschädigenden) Tönen um beeindruckende zwölf Größenordnungen in der Schallintensität unterscheiden. Außerdem sind wir in der Lage, Töne auseinanderzuhalten, die sich um weniger als ein Prozent in ihrer Frequenz unterscheiden (der Halbtonabstand zweier Klavier­tas­ten entspricht etwa sechs Prozent). Bemerkenswert ist, dass sich diese Eigenschaften nicht nur in der Aktivität bestimmter Gehirnareale manifes­tieren, sondern schon auf rein mechanischer Ebene in der Hörschnecke, der Cochlea (Abb. 1). Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher trotz vieler Fortschritte noch nicht verstanden [1,  2].

Zu den wichtigsten neueren Erkenntnissen zählt, dass sich das Ohr nicht als passiver Detektor verstehen lässt. Vielmehr zeigen Messungen mit modernsten Methoden, dass es sich bei der Gehörschnecke um einen aktiven Verstärker handelt, d. h. um ein Organ, das Energie benötigt, um seine Empfindlichkeit und Frequenzauflösung aufrecht zu erhalten [4]. Eine erstaunliche Begleiterscheinung der Aktivität ist die mechanische Erzeugung von Tönen im Ohr selbst ohne äußere Schallsignale. Diese otoakustischen Emissionen unterhalb der Hörschwelle lassen sich mit empfindlichen Mikrophonen aufzeichnen und zur medizinischen Diagnostik verwenden. Noch herrscht keine Einigkeit darüber, wie genau der aktive Verstärker im Innenohr implementiert ist. Als erwiesen gilt jedoch, dass ein spezieller Zellentyp einen seiner zentralen Elemente bildet: die Haarzellen, die erstaunliche dynamische Merkmale aufweisen. ...

Unser heutiges Energieversorgungssystem ist in mehrere Spannungsebenen mit unterschiedlichen Aufgaben unterteilt. Hohe Spannungen sind nötig, um große Erzeugungseinheiten und leis­tungsstarke Verbraucher anzuschließen und Energie über große Entfernungen möglichst verlustfrei zu transportieren. Bei niedrigen Spannungen lässt sich Strom kostengünstig und gefahrlos zu den Kunden verteilen. Historisch haben sich in Deutschland und Europa vier Spannungsebenen entwickelt (Abb. 1).

Das europäische Höchstspannungsnetz (oder auch Übertragungsnetz) wird mit einer Spannung von 380 kV betrieben. Auf älteren Trassen sind auch 220 kV üblich. Dieses große Drehstromnetz verbindet beispielsweise Portugal mit Rumänien oder Deutschland mit Griechenland. Die Netzbetreiber der einzelnen Länder überwachen und betreiben dieses Netz. Eine wichtige Betriebskenngröße des Netzes ist die Drehzahl der einspeisenden Generatoren von 50 Umdrehungen pro Sekunde, die der Netzfrequenz von 50 Hz entspricht.

In jeder Sekunde muss exakt so viel Energie in das Netz eingespeist werden wie benötigt („verbraucht“) wird, denn elektrische Energie lässt sich im Netz nicht speichern. Das ist anders als z. B. im Erdgasnetz, in dem die Rohrleitungen einen Speicher darstellen. Ein ungedeckter Bedarf oder eine überschießende Produktion wirken sich im Stromnetz direkt auf die Frequenz aus und verursachen Abweichungen von den 50 Hz. Die momentane Frequenz gibt daher Aufschluss darüber, ob das Energieversorgungssystem synchron und stabil ist [1].