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22.12.2011 pte/Rudolf Felser

Selbstheilende Elektronik soll Schrott vermeiden

Dank einer Entwicklung der University of Illinois könnte Hardware in Zukunft deutlich langlebiger werden und damit Unmengen an teurem Elektroschrott einsparen.

Das Team rund um Luftfahrttechniker Scott White hat ein System entwickelt, das Brüche in Schaltkreisen selbständig und schnell "heilen" kann. Dazu kommen Mikrokapseln zum Einsatz, die mit flüssigem Metall gefüllt sind.

Ein großes Problem für Chip-Schaltkreise sind oft Temperaturschwankungen im Inneren des Gerätes, in dem sie arbeiten. Diese führen auf Dauer oft zur Beschädigung des leitenden Materials. Dabei reicht die Unterbrechung der Leitfähigkeit an einer einzigen Stelle oft aus, um die gesamte Funktionalität lahmzulegen.

Die Wissenschaftler haben nun ihre Forschungsresultate im "Advanced Materials"-Journal publiziert. Co-Autor und Chemiker Jeffrey Moore erklärt: "Wir haben das System vereinfacht. Statt ständige Kontrollmechanismen oder Sensoren einzubauen, haben wir ein Material entwickelt, welches das Problem direkt beseitigt."

"Normalerweise gibt es keinen großen Spielraum für manuelle Reparaturen. Manchmal kommt man gar nicht an die betroffene Stelle heran, denn ein Multi-Layer-Chip lässt sich nicht ohne weiteres öffnen", hält der Entwickler fest. Besonders bei Militäreinsätzen und bei Weltraummissionen ist der einfache Austausch kaputter Hardware schlichtweg nicht möglich, was schwere Folgen nach sich ziehen kann.

Das Erfinderteam hat als Lösung nun Mikrokapseln mit einem Durchmesser von zehn Mikrometer in eine Goldlinie eingebettet, welche als Schaltkreis fungiert. Beim Auftreten eines Bruchs bersten die Kapseln in der Umgebung auf und geben ihren Inhalt frei, der aus flüssigem Metall besteht. Damit füllt sich der entstandene Graben und der Schaltkreises ist in wenigen Mikrosekunden wieder operativ. Selbst mit einer geringen Anzahl an Kapseln gelang es in neun von zehn Fällen 99 Prozent der ursprünglichen Leitkapazität wiederherzustellen.

Ein ähnliches Verfahren war bereits bei der Erfindung selbstheilender Materialien auf Polymer-Basis im Einsatz, das ebenfalls an der University of Illinois entwickelt wurde.

Der "Heilungsprozess" hat darüber hinaus den Vorteil, dass er autonom und lokal arbeitet. Lediglich die Kapseln am Ort des Bruchs öffnen sich. Eine Intervention oder Diagnostik Seitens des Hardwarenutzers ist nicht erforderlich, in den meisten Fällen dürfte er von Schaden und Reparatur nichts bemerken.

Nun wollen die Forscher sich der Weiterentwicklung und Verbesserung der Erfindung widmen. Besonderes Interesse haben sie daran, die Anwendungen auch für Batterien tauglich zu machen, um deren Sicherheit und Langlebigkeit zu erhöhen. Das Projekt wird von zahlreichen Institutionen gefördert, darunter befinden sich das U.S. Department of Energy, das Office of Science und das Beckman Institute for Advanced Science and Technology. (pte)

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