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Perlen der Forschung

Ein Diamant für die Bundeskanzlerin

Diamanten sind für Hightech-Anwendungen ausgesprochen wichtig – etwa für Satelliten oder Laser. Natürliche Diamantkristalle sind dafür meist ungeeignet und sehr teuer. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik wachsen nun hochreine, künstliche Diamanten.

Drei künstlich hergestellte einkristalline Diamanten liegen auf einer grauen Unterlage. Schicht für Schicht wachsen im Fraunhofer IAF makellose, künstlich hergestellte einkristalline Diamanten. Foto: Fraunhofer IAF

Einen Diamanten von 0,5 Karat gab Oliver Ambacher Bundeskanzlerin Angela Merkel im Januar in die Hand – auf der Veranstaltung "Perlen der Forschung". So schön dieser Diamant nach dem Schliff auch geworden ist – sein finanzieller Wert ist schwer zu beurteilen, denn er wurde künstlich hergestellt. Die Schmuckindustrie bevorzugt nach wie vor natürliche Diamanten.

Die "Diamanten-Maschine"

Natürliche Diamanten bestehen aus Kohlenstoff, der vor ungefähr 200 Millionen Jahren unter die Erde gedrückt wurde und bei 1.500 Grad Celsius und 60.000 Atmosphären Druck über mehrere Millionen Jahre gewachsen ist. Über Vulkanausbrüche gelangte er wieder an die Oberfläche.

Der Abbau erfolgt unter teilweise unmenschlichen Bedingungen. Der größte Teil der abgebauten Kristalle ist zudem stark verunreinigt und daher weder für Schmuck noch für industrielle Anwendungen geeignet.

Künstlichen Diamant gibt es seit vielen Jahren. In der Regel ist er jedoch zu klein und zu unrein, um ihn als Schmuckstein oder für den Bau größerer elektronischer Bauelemente zu nutzen. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) hat nun ein neues Verfahren zur Herstellung von Diamant entwickelt.

In einem elliptischen Reaktor wird ein Hochfrequenz-Plasma gezündet. Bei einer Temperatur von 900 Grad entstehen in der Anlage mehrere hundert Diamantkristalle. Die Gasmoleküle aus dem Plasma binden sich an die Diamantoberfläche, so dass der Diamant wächst. Deshalb ist kein extremer Druck für die Produktion notwendig, wie er in der Natur vorkam oder beim Hochdruck-Hochtemperatur-Syntheseverfahren benötigt wird. In drei bis vier Wochen entstehen so Diamantschichten, die beispielsweise für Schmuckanwendungen eingesetzt werden können.

Diamantspitzen für Festplatten

Mikroskopaufnahme magnetischer DiamantspitzenBild vergrößern Winzigste magnetische Diamantspitzen Foto: Fraunhofer IAF

Das Verfahren bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Kristalle gezielt mit Stickstoff zu verunreinigen. So wird Diamant Magnetfeld-empfindlich. Zur Untersuchung dieses Phänomens findet eine enge Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperphysik statt.

Computerfestplatten beispielsweise packen die Informationen immer dichter. Dabei steigt die Rate fehlerhafter Sektoren. Hochreine Magnetfeld-empfindliche Diamantspitzen sind Teil neuartiger Quantensensoren. Mit ihnen lassen sich nanometergenau magnetische Felder auf der Festplatte lesen.

Die Sensoren identifizieren Fehler auf dem Datenträger. Der Lesevorgang der Festplatte kann dann so gesteuert werden, dass diese fehlerhaften Sektoren nicht zur Speicherung oder dem Abruf von Daten verwendet werden. Damit muss eine Festplatte mit einer vertretbaren Zahl von Fehlern nicht ausgesondert werden. Das senkt Ausschussraten und Produktionskosten.

Sendestationen mit Diamanten

Aufnahme von leuchtendem Plasma beim DiamantwachstumBild vergrößern Leuchtendes Plasma beim Diamantwachstum Foto: Fraunhofer IAF

Diamant ist heute von großer Bedeutung für die Herstellung elektronischer Bauelemente. Deutschlandweit gibt es derzeit etwa 70.000 Sendestationen für den Mobilfunk, die noch mit herkömmlicher Technik ausgestattet sind. Diese verbrauchen etwa zwei Milliarden Kilowattstunden. Dies entspricht der jährlich eingespeisten Energie eines kleinen Kohlekraftwerks.

Für den Energiebedarf aller Basisstation weltweit wären etwa 70 Kernkraftwerke nötig. Der größte Teil der elektrischen Energie wird allerdings nicht in Sendeleistung umgewandelt, sondern in Wärme und in die Kühlung der Sendestation.

Durch Leistungstransistoren, in denen Diamant künftig eine große Rolle spielen wird, könnte der Energiebedarf drastisch reduziert werden. Gleichzeitig würden diese Bauelemente die Sendeleistung erhöhen, was aufgrund geforderter immer höherer Übertragungsraten notwendig sein wird.

Wann werden diese Bauelemente zur Verfügung stehen? Das fragte sich auch die Bundeskanzlerin bei der Präsentation des Projekts im Januar. Ambacher geht davon aus, dass dies im Jahr 2020 der Fall sein wird.

Dienstag, 11. April 2017