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Excerpts from a market letter on graphite.

Nur in german. Info.

Spezialreport Graphen – weitgehend unbekannter (Roh-)Stoff
wächst aus den Kinderschuhen und steht vor großer Zukunft
Mit der RSR-Ausgabe vom 30. April 2014 haben wir sie erstmals in die Welt von Graphit entführt, einem Rohstoff, der zukünftig eine sehr gewichtige Rolle bei sehr vielen High-Tech-Anwendungen spielen wird. Schon jetzt kommt Graphit vor allem überall dort zum Einsatz, wo es darum geht, Energie zu speichern oder großer Hitze zu widerstehen. Dazu werden in den kommenden Jahren große Mengen an Graphit benötigt, die nicht so weiteres aus den bestehenden Minen – vor allem nicht aus China – gewonnen werden können.
Das ist allerdings nur eine Seite der Medaille, denn Graphit ist nicht nur in Reinform inte-ressant, sondern vor allem auch als Weiterentwicklung in Form des Stoffes Graphen. Gra-phen hat nichts mit Geometrie zu tun, denn das, was wir hier behandeln wird Grapheen aus-gesprochen.
Doch was ist eigentlich Graphen? Ganz einfach: es ist das erste Material überhaupt, das man in zweidimensionaler Form herstellen konnte und auch in dieser Form verwenden kann. Klingt verwirrend? – Kein Problem, wir können Aufklärung leisten. Normalerweise besitzt jeder Gegenstand drei Dimensionen, also eine Länge, eine Breite und eine Höhe (wir nennen es im Folgenden „Dicke“). Einzige Ausnahme sind die kleinsten aller bekannten Teilchen, also die Atome. Graphen besitzt als zweidimensionales Material nur eine Länge und eine Breite – nämlich deshalb, weil es nur eine Atomschicht „dick“ ist. Man kann sich das wie eine Art Folie vorstellen. Handelsübliche Folien sind zwar nur wenige hun-dertstel Millimeter dick, allerdings noch lange nicht zweidimensional. Denn in einem Be-reich von mehreren hundertstel Millimetern liegen noch immer tausende von Atomschich-ten übereinander. Bei Graphen ist das nicht so. Es besitzt nur eine einzige Atomschicht. Diese ist wabenförmig, also sechseckig (hexagonal), aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, aber eben nur eine Atomschicht dick.
Was hat Graphen nun mit Graphit zu tun? Eigentlich ganz einfach: Graphit besteht aus mehreren (tausenden bis milliarden) übereinander angeordneten Schichten von Graphen. Bestes Beispiel ist ein so genannter Bleistift, der allerdings nicht aus Blei, son-dern eben aus Millionen übereinander liegen-den Graphen-Schichten besteht.
Rechts Graphit, links Graphen. Der einzige „Unterschied“ besteht darin, dass Graphit aus mehre-ren (vielen) übereinander angeordneten Graphenschich-ten besteht. Graphen ist somit zweidimensional (da nur eine Atomschicht dick), Graphit dreidimensional.
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Spezialreport Graphen: Nobelpreis bereits nach 6 Jahren!
Dass ein Stoff wie Graphen existieren muss, war schon länger bekannt, doch erst 2004 ge-lang es zwei Wissenschaftlern der Universität Manchester, Graphen auch tatsächlich herzu-stellen. Dabei bedienten sie sich recht einfachen Hilfsmitteln. Sie lösten von einem Stück Graphit mit Hilfe eines handelsüblichen Klebestreifens immer mehr Graphen-Schichten ab, bis nur noch eine einzige übrig blieb. Exakt am 22. Oktober 2004 veröffentlichten Konstan-tin Novoselov und Andre Geim ihre Entdeckung im Science Magazine. Nicht einmal 6 Jah-re später erhielten Sie dafür den Nobelpreis für Physik verliehen. Das allein zeigt schon die scheinbare Wichtigkeit dieses oft als „Wunderrohstoff“ bezeichneten Materials.
Was macht Graphen so interessant für die Forschung, vor allem aber aus kommerzi-eller Hinsicht? Was Novoselov und Geim bei ihrem Experiment schnell feststellten, war, dass sich die Zugfestigkeit, genauso wie auch die elektrische – und die Wärme-Leitfähigkeit stetig mit der Anzahl der Graphenschichten steigern, die von einem Graphit-block abgetrennt werden. Den höchsten Wert erreicht man letztendlich, wenn man nur noch eine einzige Graphenschicht übrig hat. Die dabei gemessenen Werte überstiegen alles, was man bis dahin kannte. Denn die elektrische Leitfähigkeit von Graphen übertrifft sogar noch die von Silber. Die Zugfestigkeit von Graphen ist 125-mal höher als die von Stahl. Dabei wiegt Graphen extrem wenig (logisch, es ist ja auch nur eine Atomlage dick). Ein Quadrat-KILOmeter wiegt weit weniger als ein Kilogramm. Gleichzeitig ist es extrem lichtdurchläs-sig (es werden lediglich 2,3% des gesamten Lichtspektrums absorbiert), was es geradezu prädestiniert für Beschichtungen macht.
Soweit sind wir allerdings noch nicht, denn Graphen befindet sich noch immer (hauptsächlich) in der Erforschungsphase. Die Graphen-Forschung boomt allerdings. So wurde bis Ende 2011 bereits an 50 Anwendungsmöglichkeiten geforscht. Ende 2012 wa-ren es bereits 250 mögliche Anwendungsgebiete und aktuell sind es schon über 1.000. Füh-rend bei der Graphen-Forschung sind die USA, China und Südkorea. Die rasche Entwick-lung der Graphen-Forschung macht sich auch an der Anzahl der bereits weltweit einge-reichten Patente fest. Aktuell beläuft sich deren Anzahl auf weit mehr als 10.000, wobei ge-rade große Unternehmen wie IBM, Samsung und Xerox die mit Abstand meisten Patente halten. Gerade Südkorea will sich im Graphen-Bereich stärker engagieren, weswegen die dortige Regierung 350 Mio. USD an For-schungs- und Entwicklungs-Geldern zur
Eine wichtige Eigenschaft des Graphen: Seine Flexibilität!
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Spezialreport Graphen:
Hunderte von Anwendungsmöglichkeiten denkbar
Verfügung gestellt hat. In der EU hinkt man noch etwas hinterher. Und das, obwohl von dort aus die Graphen-Revolution ihren Ausgang nahm. Wobei auch europäische Staaten zu-letzt kräftig aufholen konnten. Das liegt unter anderem daran, dass viele Einzelregierungen, aber auch die EU-Kommission Fördergelder zur Graphen-Erforschung angekündigt bezie-hungsweise bereitgestellt haben. Um den Anschluss an die Asiaten nicht zu verlieren lobte die EU 2010 einen Wettbewerb für zwei Forschungsprojekte aus, die jeweils 1 Mrd. Euro bekommen sollten. Von den insgesamt 26 durch Wissenschaftler eingereichten Vorschlägen wählte die EU-Kommission 2013 die beiden Sieger aus. Einer davon war das Materialfor-schungsprojekt Graphen. Das ganze zeigt den hohen Stellenwert, den man Graphen zuge-steht. In den kommenden 10 Jahren werden insgesamt 126 Forschergruppen in 17 europäi-schen Staaten eine Milliarde Euro an Fördergeldern erhalten. Das Ganze wird zentral gelei-tet, damit dadurch möglichst wenige Überschneidungen zu Stande kommen und jeder mög-lichst ein anderes Anwendungsfeld erarbeitet und erforscht. Eine zentrale Rolle in der euro-päischen Graphen-Forschung dürfte in den kommenden Jahren vor allem die Universität Cambridge spielen, die vor etwas mehr als einem Jahr ein eigenes Graphene Centre ins Le-ben rief. Gefördert wurde das Projekt durch die britische Regierung, die 12 Mio. Pfund zur Verfügung stellte.
Zwischenfazit: Schon nach wenigen Jahren Forschungszeit sind sich alle einig, dass man diesen Stoff unbedingt haben muss und vor allem alles dafür tun sollte, um dabei einen Wissensvorsprung zu generieren. Denn klar ist auch: 99% aller erforschten Stoffe werden niemals Milliarden an Fördergeldern für ihre weitere Entwicklung erhalten.
Was sich aus Graphen alles herstellen bzw. in welchen Bereichen es sich verwenden lässt:
? Solarzellen: Neueste Forschungen haben ergeben, dass Graphen bis zu 1.000-mal leit-fähiger ist als das bisher in Solarzellen eingesetzte Silizium. Es gibt zwar vor allem in der Dünnschichttechnologie bereits wirkungsvollere Materialen (als Silizium) auf In-dium- und Gallium-Basis, allerdings sind diese sehr teuer. Graphen könnte den Preis für Solarzellen derart drücken, dass die Energiewende doch noch zu einem Erfolg wird. Und: Dadurch, dass Graphen durchsichtig ist, könnte man es zur Stromerzeu-gung sogar einfach auf Fensterglas aufbringen.
? Transistoren: Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Graphen will man sich auch in der Computer-Technologie zunutze machen. Graphen kann elektrische Impulse nicht nur schneller, sondern auch weniger störungsanfällig weiterleiten. IBM hat bereits ei-nen Transistor mit einer Taktfrequenz von mehr als 150 Gigahertz entwickelt. Stan-dard sind normalerweise 10 Gigahertz.
? Wärmeableitung bzw. Kühlung: Bleiben wir bei Computern oder zumindest bei elektrischen Geräten. Ein Hauptproblem von Computern, Servern und anderen Gerä-ten ist, dass ein Teil der benötigten Energie auf die Kühlung der Geräte entfällt. Dem könnte Graphen mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit jetzt entgegenwirken. Dies gilt vor allem auch für den Bereich der Elektromobilität, wo man mit Hilfe von Graphen und der damit verbundenen Wärmeableitung so viel Energie einsparen könnte, dass man diese für den eigentlichen Zweck von Lithium-Ionen-Batterien verwenden kann: Dem Vorankommen. Es könnte damit also die Reichweite entsprechender Fahrzeuge extrem verlängert werden. Auch zur Beschichtung der Elektroden in Lithium-Ionen-
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Das Material befindet sich noch im Erforschungs-Status
Batterien sollte sich Graphen eignen. Dazu arbeiten Forschungsgruppen gerade daran, Metalloxidteilchen in Graphenhüllen zu verpacken und damit die Effizienz der Elekt-roden zu erhöhen.
? Stahlhärtung bzw. Stahlersatz: Bleiben wir bei Fahrzeugen und schauen wir uns die Möglichkeiten für den Karosseriebau an. Stahl, der mit Graphen beschichtet ist, ist nahezu unendlich gegen Umwelteinflüsse geschützt. Das heißt auch gegen Wind und Wetter und damit gegen Rost oder andere Formen von Korrosion. In manchen Fällen ließe sich Stahl sogar gänzlich durch Graphen ersetzen. Der Vorteil liegt auf der Hand: (Viel) geringeres Gewicht und damit wiederum eine höhere Reichweite.
? Entsalzung von Meerwasser: Mehrere Universitäten haben in Modellen bereits nach-gewiesen, dass sich Meerwasser ganz einfach durch den Einsatz von Graphenfiltern entsalzen lassen könnte. Der Grund: Die hexagonale Wabenstruktur von Graphen ist nachweislich wasserdurchlässig. Der Rest des Salzwassers, also vor allem das Salz, aber auch viele andere unerwünschte Stoffe, können diese Barriere aber nicht passie-ren. Ein großer Fortschritt auf dem Weg zum Trinkwasser für alle.
? Nanoröhrchen: Kommen wir zum medizinischen Bereich. Graphen ist derart dünn, dass es sich in gebogener Form als eine Art Nanoröhrchen im menschlichen Körper verbauen ließe. Es könnte so die in Kritik geratenen herkömmlichen Nanoröhrchen, die häufig vom Körper abgestoßen werden, ersetzen.
? Beschichtung: Stellen Sie sich vor, Sie beschichten Schiffsrümpfe mit Graphen. Algen und andere unerwünschte Substanzen würden einfach davon abgleiten und hätten kei-ne Chance darauf, den Schiffsrumpf zu schädigen. Gleicher Effekt bei Autoscheiben: Eine Art Abperl- (oder auch Lotus-)Effekt sorgt dafür, dass kein Schmutzpartikel mehr auf der Scheibe verbleibt. Ein Schock für die Hersteller von Scheibenwischern.
? Glasfaserersatz: Die hohe Leitfähigkeit führt unter Umständen sogar dazu, dass Gra-phen herkömmliche Glasfaserkabel unnötig macht.
? Dämmmaterial: Die Uni Bayreuth konnte im vergangenen Jahr einen Dämmstoff auf Graphen-Basis entwickeln, der unter anderem die Poren des Polystyrolschaums auf ein Viertel ihrer ursprünglichen Größe reduzieren ließ. Die darin eingeschlossenen Gasmoleküle besitzen somit eine geringere Bewegungsfreiheit und übertragen dadurch weniger Wärme. Zudem absorbiert Graphen Infrarotstrahlung, was den Wär-meverlust in Räumen zusätzlich reduziert.
? Katalysatoren: Forscher haben bereits einen Katalysator für Brennstoffzellen aus stickstoffdotiertem Graphen hergestellt.
? Spezialanzüge: Graphen arbeitet in einem Temperaturbereich von -269 Grad Celsius bis zu +130 Grad Celsius nahezu unverändert, was einen Einsatz im Weltraum und möglicherweise auch im Erdinneren möglich macht. Zudem ist es extrem biegsam, weswegen sich Graphenverbindungen in Kleidung einnähen lassen. Der selbst kom-munizierende Anzug oder gar eine Art ultraleichter Körperpanzer werden so mehr und mehr zur Realität.
Die Liste der oben genannten Anwendungsbereiche ließe sich noch beliebig um mehrere hundert Punkte erweitern. Regelrechte Banalitäten wie „Plastik“-Tüten aus Graphen haben wir dabei noch gar nicht genannt. Graphen wirkt nämlich aseptisch, es kann deshalb auch als Desinfektionsmittel für Wunden oder zum Abdecken entsprechender Hautverletzungen (wie eine Art Pflaster) eingesetzt werden. Daraus ließen sich Tüten herstellen, die Lebens-mittel viel länger haltbar machen würden.
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Graphen: Die Kommerzialisierung bietet hohe Profite
Herstellung von Graphen: Momentan noch nicht in großem industriellen Maßstab möglich. Es gibt mehrere Unternehmen, die bereits Graphenfolien in einer Größenordnung von einem Quadratmeter herstellen können, mehr aber bisher noch nicht. Dabei bedient man sich natürlich längst nicht mehr dem Klebefilm-Trick von Novolesov und Geim aus dem Jahr 2004. Das Gros der Graphen-Herstellung findet mittlerweile im Chemielabor statt. Zur Herstellung von größeren Graphenstrukturen spielt dabei Benzol eine wichtige Rolle. Ohne jetzt groß auf Details eingehen zu wollen, können wir Ihnen sagen, dass die Produkt-palette von Monat zu Monat mehr wächst. Diese reicht von Graphen-Oxiden über beschich-tete Kupferfolien und Graphen-Nanotubes bis hin zu Beschichtungen für carbonfaserver-stärkte Flugzeugrümpfe.
Um die (nächsten) Anwendungsmöglichkeiten zur Serienreife zu bringen benötigt es noch etwa zwei Jahre. Dennoch sind wir der Meinung, dass sich die Graphenrevoluti-on nicht mehr aufhalten lassen wird. Dabei dürfte vor allem die EU weiterhin auf die Tube drücken. Denn immerhin hat sie den Ausgangsrohstoff Graphit als kritisches Material ein-gestuft. Man könnte somit zumindest technisch gesehen einen Gegenpol zu den Nationen zu schaffen, die über die benötigten Rohstoffe verfügen. Somit bildet die oben genannte För-derung, die zudem von einer zentralen, wissenschaftlichen (und nicht politischen Stelle) aus koordiniert wird, einen ungeheuren Katalysator für die Entwicklung von Graphen-Anwen-dungsmöglichkeiten in Europa.
Wir gehen stark davon aus, dass sich Graphen – zusammen mit Graphit – zu einem, wenn nicht sogar DEM entscheidenden Rohstoff-Faktor des laufenden Jahrhunderts aufschwingen wird. Ähnlich wie beispielsweise die Einführung von Kunststoff Mitte des 20. Jahrhunderts sollte Graphen in Zukunft nicht mehr aus dem menschlichen Alltag wegzudenken sein. Es winken dabei ähnliche Gewinne, wie sie Bayer, DuPont und andere auf Öl basierende Stoff-Hersteller im vergangenen Jahrhundert einfuhren.
Wir glauben ebenso nicht daran, dass Graphen sich nicht durchsetzen wird, denn eines scheint mittlerweile glasklar festzustehen: Seine überragenden Eigenschaften, die sonst nur (wenn überhaupt) unterschiedliche Materialien für sich allein gewährleisten können, nicht aber in Kombination, machen Graphen aller Voraussicht nach zu dem Wundermaterial als das es immer bezeichnet wird. Seine überragenden Eigenschaften in gehäufter Form und seine schier universelle Einsetzbarkeit schützen Graphen vor möglichen entgegengesetzten Interessen verschiedener Industriezweige oder Lobbygruppen. Seine Bandbreite an theore-tisch möglichen und teilweise bereits nachgewiesenen Einsatzmöglichkeiten wird es davor schützen, dass es wieder in irgendeiner Schublade verschwindet, wie etwa der Elektromotor vor 100 Jahren.