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Файл:Немецкий язык для магистров технического профиля. Учебное пособие
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Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind
immens. Die künftigen Fortschritte der Nanotechnologie entschei-
den mit über die weitere Entwicklung zukunftsträchtiger Bran-
chen. Die Nanotechnologie erarbeitet die Grundlagen für immer
kleinere Datenspeicher mit immer größerer Speicherkapazität für
hochwirksame Filter zur Abwasseraufbereitung, für photovoltai-
sche Fenster, für Werkstoffe, aus denen sich in der Automobilin-
distrie ultraleichte Motoren und Karosserieteile fertigen lassen,
oder für künstliche Gelenke, die durch organische Nanooberflächen für den menschlichen Körper verträglicher sind.
Die industrielle Eroberung der Nanometer-Dimension hat
bereits eingesetzt. Ähnlich wie in der Informationstechnik geht die
Erforschung der physikalischen Grundlagen und die Entwicklung
und Markteinführung erster Produkte Hand in Hand. In der Elekt-
ronik gehört die nanoskalige Strukturierung bei der Chipherstel-
lung oder bei der Entwicklung neuer Festplatten für Computer
schon heute zum Handwerk. Aber auch für viele andere in
Deutschland wichtige Industriebranchen wie Chemie, Pharma, Au-
tomobilbau, Informationstechnik oder Optik hängt die künftige 7
Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte von der Erschließung des
Nanokosmos ab. Die künftigen Fortschritte der Nanotechnologie
sind entscheidend für die weitere Entwicklung dieser Industriesek-
toren.
Das momentan absehbare Ziel der Nanotechnologie ist die
weitere Miniaturisierung der Halbleiterelektronik und der Optoelektronik sowie die idustrielle Erzeugung neuartiger Werkstoffe
wie z.B. Nanoröhrchen. Untersuchungen bis in den atomaren Bereich sind heute mit dem Elektronenmikroskop oder dem Rasterkraftmikroskop möglich. Mit ihnen lassen sich jedoch auch aktiv
einzelne Nanostrukturen formen. In der Medizin bieten Nanoparti-
kel die Möglichkeit, neuartige Diagnostika und Theurapeutika zu
entwickeln, beispielsweise Kontrastmittel für die bildgebenden
Verfahren der Computer- oder Magnetresonanztomographie sowie
neue Medikamente mit Nanopartikeln.
Eine große Besonderheit der Nanotechnologie ist, dass sie
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ein fachübergreifendes Zusammenspiel vieler, eigentlich spezialisierter Fachgebiete der Naturwissenshaft darstellt. So spielt die
Physik eine wichtige Rolle, allein schon bei der Konstruktion der
Mikroskope zur Untersuchung und vor allem wegen der Gesetze
der Quantenmechanik. Für eine gewünschte Struktur der Materie
und Atomordnung bedient man sich der Chemie.
Zahlreiche Anwendungen betreffen auch Probleme des All-
tags: ein Beispiel dafür ist der Lotuseffekt, der selbstreinigende
Oberflächen ermöglicht. Auch als Schutzanstrich für Karosserien
wird die Nanotechnologie derzeit verwendet. Dabei fungiert ein
nanoskalisches Bindemittel als Alternative zu Chromatschichten
bei der Automobillackierung. Der Schutz vor ultravioletter Strahlung in modernen Sonnencremes besteht auch aus Titandioxid.
Die Wissenschaft ist hier an einem Punkt angelangt, an dem
die Grenzen der verschiedenen Disziplinen verschwimmen, nennt
man Nanotechnologie deswegen auch eine konvergente Technologie. Das Ziel der Entwicklung in der Nanotechnologie ist die digitale, programmierbare Manipulation der Materie auf atomarer
Ebene und die daraus resultierende molekulare Fertigung bzw.
Molekulare Nanotechnologie (MNT).
Schutzbeschichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen einer
Schutzbeschichtung auf einer thermisch beanspruchten Struktur
die mittels kathodischer Funkenverdampfung hergestelltwird.
Zum Schutz von Bauteilen, die hohen Temperaturen ausge-
setzt sind, werden Wärmedämmschichten eingesetzt, um die
Werkstofftemperatur bei Hochtemperaturanwendung zu senken.
Wärmedämmschichten sind z.B. bei Gasturbinen notwendig, die
sehr hohen Betriebstemperaturen ausgesetztsind. Jedoch wird bei
modernen Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad auf mit Wärme-
dämmschichten beschichteten Heißgasbauteilen, wie z.B. Schau-
feln und Brennkammerteilen, häufig ein Temperaturfeld ausgebil-
det, das es ermöglicht, dass sich im Betrieb Beläge mit Bestandtei-
len wie Kalzium, Magnesium, Aluminium und Silizium ablagern.
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Diese Ablagerungen werden allgemein auch als CMAS bezeichnet, was von den chemischen Symbolen Ca, Mg, Al und Si abgeleitet ist. Diese Beläge oder Teile dieser Beläge können chemisch
mit keramischem Material der Wärmedämmschicht reagieren und /
oder in die Wärmedämmschicht eindringen. Dabei wird die Wär-
medämmschicht im Laufe des Betriebs z.B. der entsprechenden
Gasturbine zerstört. Auch andere Beläge, die sich aus Nickel- oder
Eisen-haltigen Ablagerungen aus Ölverunreinigungen, verschmutzten Leitungen oder Verbindungen aus dem Verdichter bil-
den, können die Wärmedämmschicht durch Versteifung und / oder
Versprödung zerstören.
Herkömmlicherweise wird die Bildung einer CMASFlüssigphase beispielsweise durch Beschichten der Wärmedämm-
schicht mit Aluminiumpartikeln und direkte Wechselwirkung
durch Bildung von höherschmelzenden Phasen vermieden, so dass
kein Schmelzgut in Poren der Wärmedämmschicht eindringen
kann. Diese Art des Beschichtens erfordert in der Regel eine
Nachbehandlung und erfordert mehrere Verfahrensschritte. Es be-
steht damit die Aufgabe, eine Schutzbeschichtung der Wärme-
dämmschicht in möglichst wenigen Schritten aufzutragen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltun-
gen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Anordnen einer Schutzbeschichtung umfassend mindestens eine
Aluminiumoxid-haltige erste Schicht auf einer thermisch beanspruchten Struktur mittels kathodischer Funkenverdampfung, wo-
bei die thermisch beanspruchte Struktur mindestens eine Wärme-
dämmschicht umfasst, mit den Schritten:
1) Bereitstellen der thermisch beanspruchten Struktur in einer
Beschichtungskammer,
2) Bereitstellen eines Targets in der Beschichtungskammer als
Materialquelle für die Schicht, wobei das Target mindestens
Aluminium aufweist,
3) Bereitstellen eines kontrollierten Sauerstoffpartialdrucks in
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der Beschichtungskammer,
4) Zünden eines Funkens, so dass Material vom Target ver-
dampft wird, das sich auf der Außenseite der Wärmedämm-
schicht der thermisch beanspruchten Struktur niederschlägt,
wobei die Schutzbeschichtung als homogene alphaAluminiumoxid-basierende Schicht aufgebracht wird.
Die Bezeichnung Target ist ein dem Fachmann bekannter
Begriff für ein Material, das im besagten Verdampfungsverfahren
teilweise geschmolzen und verdampft wird.
Die Bezeichnung Substrat ist ein dem Fachmann bekannter
Begriff für ein Material, auf dem das verdampfte Targetmaterial
kondensiert und abgelagert wird, so dass eine Schicht auf dem
Substrat abgeschieden wird. Das Substrat wird hier von der besagten Wärmedämmschicht dargestellt.
Die Bezeichnung Schicht bezieht sich hier, wenn nicht ausdrücklich auf etwas anderes bezogen, auf eine Schicht, die Bestandteil der Schutzbeschichtung ist.
Unter einer Aluminiumoxid-basierenden Schicht soll eine
Schicht verstanden werden, die neben Al auch noch weitere Elemente enthalten kann.
Das Verfahren der reaktiven kathodischen Funkenverdampfung (RKFV) ist dem Fachmann bekannt. Im Wesentlichen wird in
dem Verfahren eine Aluminiumoxid-basierende Schicht auf derWärmedämmschicht abgeschieden, wobei das Target verdampft
wird, das in der Funkenverdampfung als Kathode geschaltetist.
Die Verdampfung erfolgt im Vakuum unter kontrolliertem
Sauerstoffpartialdruck bzw. kontrolliertem Sauerstoffgasfluss.
Das Verfahren ist vorteilhaft, weil es ein Aufbringen einer
homogenen Schutzbeschichtung ermöglicht, da durch das Verdampfen des Materials in Sauerstoffatmosphäre mindestens eine
homogene Schicht als Oxid in nur einem Verfahrensschritt aufge-
brachtwerden kann. Es ist keine zeitaufwändige Nachbehandlung
erforderlich. Gegebenenfalls sind zusätzliche Behandlungen von
Kühlluftbohrungen, die in der Struktur vorhanden sein können, er-
forderlich, bedeuten aber nur einen geringen Aufwand.
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INFORMATIK UND RECHENTECHNIK
Was ist eine Programmiersprache?
Programmiersprachen sind formale Sprachen, mit denen sich
Rechenvorschriften formulieren lassen. Diese Vorschriften können
dann von einem Computer ausgeführt werden.
Die Funktionsweise von formalen Sprachen. Die Gesamt-
heit aller Anweisungen, die in einer bestimmten Programmiersprache geschrieben sind, bezeichnet man als Quellcode. Ein Quellcode lässt sich mit Hilfe eines einfachen Texteditors erstellen. Bei
größeren Projekten setzt man jedoch in der Regel eine Entwicklungsumgebung (IDE) ein, die den Programmierer bei seiner Ent-
wicklungsarbeit unterstützt.
Damit ein Computer die im Quelltext enthaltenen Anwei-
sungen ausführen kann, muss der Code in die Maschinensprache
des jeweiligen Computertyps übersetzt werden. Bei der Maschi-
nensprache handelt es sich um einen Binärcode, der folglich für
Menschen nur schwer lesbar ist. Der Quelltext kann zu verschiedenen Zeitpunkten in die Maschinensprache übersetzt werden.
Zum einen kann die Übersetzung vor der Ausführung des im
Quellcode beschriebenen Programms erfolgen. Hierzu wird ein
sogenannter Compiler verwendet. Wird der Quelltext erst während
der Laufzeit des Programms übersetzt, setzt man einen Just-inTime-bzw. JIT-Compiler oder einen Interpreter ein.
Bei einigen Sprachen – beispielsweise bei Java – wird auch
eine Kombination dieser beiden Verfahren genutzt: Vor der Programmausführung wird der Code in einen Zwischencode übersetzt,
der dann während der Laufzeit des Programms in Maschinencode
überführt wird.
Die Bestandteile von Programmiersprachen
Jede formale Sprache lässt sich anhand verschiedener Informationen genau definieren. Zu diesen Informationen zählen die
Syntax, das Vokabular und der Zeichensatz.
1) Die Syntax einer Programmiersprache ist deren „Gramma-
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tik“. Sie beschreibt sowohl die zulässigen Sprachelemente
als auch, wie diese Sprachelemente zu verwenden sind.
2) Mit dem Vokabular sind reservierte Schlüsselwörter ge-
meint, die folglich nicht als Namen für Variablen oder Funk-
tionen gewählt werden dürfen.
3) Der Zeichensatz einer Programmiersprache besteht in der
Regel aus alphabetischen und numerischen Zeichen sowie
aus Sonderzeichen.
Befehle zur Ein- und Ausgabe von Daten, mit denen das Wie
leistungsfähig eine Programmiersprache ist, wird durch die Mäch-
tigkeit des Befehlssatzes bestimmt. Im Allgemeinen besitzen formale Sprachen mindestens die folgenden Befehle:
1) Programm Informationen entgegennehmen und ausgeben
kann;
2) Befehle zur Deklaration von Variablen und anderen Datenty-
pen wie Feldern, mit welchen Daten (zwischen-)gespeichert
werden können;
3) Funktionen zur Verarbeitung von Zeichenketten (z.B. zur
Verkettung von Zeichenketten
4) mathematische Grundfunktionen (z.B. Addition, Multiplika-
tion);
5) Steueranweisungen wie beispielsweise die bedingte Ausfüh-
rung oder die wiederholte Ausführung bestimmter Programmteile.
Aus der Kombination dieser Grundfunktionen lassen sich
auch komplexere Funktionen erstellen. Einige formale Sprachen
bieten zudem die Möglichkeit, diese höheren Funktionen als sogenannte Bibliothek zu kapseln und somit wiederverwendbar zu machen.
Klassen von Programmiersprachen: Programmierparadigmen
Die ersten höheren Programmiersprachen wurden in den
USA der 1950-er Jahre entwickelt. Die Sprache Fortran wurde
vom Informatiker John Werner Backus im Jahr 1954 entworfen.
Fortran ist inzwischen die älteste noch verwendete formale
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Sprache.
1959 entwickelte der Logiker John McCarthy die Sprache
LISP. Im gleichen Jahr wurde mit COBOL eine Programmierspra-
che für kommerzielle Anwendungen vorgestellt. Diese und die
weiteren Sprachen, die in den folgenden Jahrzehnten entwickelt
wurden, lassen sich in Klassen unterteilen.
Diese Klassen werden als Programmierparadigmen bezeich-
net. Zu den bekanntesten Paradigmen zählen die imperative, die
funktionale und die objektorientierte Programmierung. Für alle Paradigmen gilt, dass der Aufbau eines Computerprogrammes strukturiert sein muss. Das Programm muss also in Teilprogramme zer-
legt werden können.
Die imperative Programmierung: Das älteste Programmierparadigma. Bei der imperativen Programmierung besteht ein
Computerprogramm aus einer Folge von Anweisungen, die genau
vorgibt, zu welchem Zeitpunkt was vom Rechner getan werden
soll. Um die Befehlsausführung zu steuern, werden bestimmte
Kontrollstrukturen wie Schleifen oder Verzweigungen verwendet.
Die imperative Programmierung ist das am längsten bekannte Pa-
radigma. Zu ihm gehören formale Sprachen wie FORTRAN,
ALGOL, Pascal, Cobol, C und die von Google-Mitarbeitern entwickelte Sprache Go.
Die funktionale Programmierung: Computerprogramme
als Funktionen. Bei der funktionalen Programmierung bestehen
die Computerprogramme ausschließlich aus Funktionen die – wie
in der Mathematik – zu Funktionen höherer Ordnung verknüpft
werden können. Auch das Programm selbst ist eine Funktion.
Seinen Ursprung hat das Programmierparadigma in der akademischen Forschung der 1930er Jahre. Damals arbeiteten verschiedene Wissenschaftler am sogenannten Lambda-Kalkül. Dabei
handelt es sich um eine formale, mathematische Sprache, mit der
sich Funktionen untersuchen lassen. Das Lambda-Kalkül wurde
zur theoretischen Grundlage der funktionalen Programmierung. Zu
den bekanntesten funktionalen Sprachen zählen LISP, Haskell und
Scheme.
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Die objektorientierte Programmierung: Objekte stehen
im Mittelpunkt. Objektorientierte Sprachen wie Python, Java, Ja-
vascript oder C++ fassen Computerprogramme als System von kooperierenden Objekten auf. Ein Objekt zeichnet sich dadurch aus,
dass es einer übergeordneten Kategorie (Klasse) angehört, bestimmte Eigenschaften (Attribute) besitzt und ihm verschiedene
Methoden zugeordnet sind. Außerdem muss es in der Lage sein,
Nachrichten an andere Objekte zu senden und von diesen zu empfangen.
Ein beliebtes Beispiel hierfür: Es gibt eine Klasse „Pkw“, die
den grundlegenden Pkw-Bauplan definiert, beispielsweise vier
Reifen, ein Lenkrad und andere, allen Pkw gemeinsame Eigenschaften. Nach diesem Bauplan lässt sich ein spezielles PkwExemplar (das Objekt) konstruieren, das eigene Attribute wie Far-
be oder Höchstgeschwindigkeit besitzt. Die Geschwindigkeit lässt
sich durch die Methoden „beschleunigen“ oder „bremsen“ variie-
ren. Das Objekt Pkw muss auch Objekte anderer Klassen einbinden können; die Pkw-Sitze beispielsweise sind zwar grundlegend
gleich, aber ihrerseits durch Material und andere Eigenschaften de-
finiert. Die Eigenschaft „Sitzposition“ lässt sich durch Methoden
wie „vorschieben“ oder „hochpumpen“ verändern.
Programmiert man objektorientiert, dann werden – im Gegensatz den sonstigen Programmierparadigmen – Daten und Anweisungen nicht voneinander getrennt deklariert; vielmehr werden
Daten und Befehle zu einer Einheit zusammengefasst, um so die
Organisationsstrukturen der realen Welt besser nachbilden zu können.
Was ist C?
Die Programmiersprache C stammt aus den 1970-ern, ist
aber auch heute noch weit verbreitet: Sie bietet hohe Performance,
arbeitet maschinennah und funktioniert mit minimalen Ressourcen
auf den unterschiedlichsten Plattformen.
Neben der reinen Anwendungsentwicklung findet C bei der
Erstellung von kompletten Betriebssystemen und einzelnen sys
temnahem Komponenten Verwendung. Außerdem wird die Spra-
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che häufig für Embedded Systems genutzt.
In diesen Bereichen ist C wegen seiner hohen Geschwindig-
keit und geringen Größe enorm weit verbreitet. So ist es möglich,
komplexe Anwendungen auf minimaler Hardware effizient und
stabil auszuführen. Die Programmiersprache C ist auch deshalb
noch immer so weit verbreitet, weil sie auf praktisch jeder Platt-
form funktioniert. Wer plattformunabhängige Software schreiben
möchte, erreicht mit C-Programmen ein sehr breites Publikum.
Übersichtlicher Sprachumfang. Der aktuellste C-Standard
kommt mit 44 Schlüsselwörtern aus, ursprünglich waren es sogar
nur 32. Zum Vergleich: C++ kennt inzwischen über 60, C# gar 79
reservierte Schlüsselworte. Gerade für Einsteiger gilt C als relativ
leicht zu erlernen, weil die wenigen Schlüsselworte insgesamt
nicht zu stark abstrahieren.
Moderne Hochsprachen wirken meist komfortabler und leis-
tungsfähiger, da sie für viele gängige Operationen bequeme
Sprachmittel bereitstellen. In C lassen sich diese Operationen
ebenso gut realisieren – mit dem Unterschied, dass man die Details
selbst programmiert.
Eine mögliche Gefahr ist, dass große Programme schnell un-
übersichtlich werden können. Der Entwickler hat große Freiheiten
beim Programmieren mit C und bestimmt weitestgehend selbst,
wie sauber und nachvollziehbar der Code geschrieben wird.
Manuelle Speicherverwaltung. C ist eine Programmiersprache, bei der sich Programmierer selbst um die dynamische
Speicherverwaltung im Heap kümmern müssen. Zusammenhängender Speicher wird nach Bedarf alloziert und per Zeiger auf die
Startadresse eines Speicherblocks wird später auf den Inhalt zuge-
griffen. Zudem kann über die Speicheradresse unmittelbar in den
Speicher eingegriffen werden. So können die Inhalte direkt manipuliert werden.
Auch unzulässige Operationen sind möglich: Durch verse-
hentlich überschriebene Speicherbereiche können können Informa-
tionen verloren gehen oder das Programm abstürzen. Von Haus
aus bietet C zudem keinen Garbage Collector. Die Speicherberei-
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nigung, also das Freigeben nicht mehr benötigter Speicherbereiche, muss ebenfalls gezielt gesteuert werden.
Softwareentwickler sind beim Programmieren mit C insgesamt sehr aktiv an der Nutzung des Speichers beteiligt. Wer mit C
effizient programmieren will, muss also Aufbau und Funktionsweise des Speichers verstehen – oder externe Bibliotheken einbin-
den, die sich um die Speicherverwaltung kümmern.
Objektorientierte Programmierung nur auf Umwegen. C
ist an sich keine objektorientierte Programmiersprache und bringt
daher keine native Unterstützung für Objektorientierung mit. Wer
unbedingt in C objektorientiert arbeiten möchte, kann sich jedoch
selbst um die korrekte Implementierung von Klassen, Kapselung,
Abstraktion, Vererbung und Polymorphie kümmern.
Mögliche Anwendungsfälle hierfür sind zum Beispiel kom-
plexe Programme für Plattformen, die wegen limitierter Hardware
oder fehlender Unterstützung schlicht kein Ausweichen auf ob-
jektorientierte Programmiersprachen wie C++ oder Objective-C
zulassen.
C als Basis für andere Programmiersprachen. Höhere
Programmiersprachen werden häufig in einen Zwischencode über-
setzt, bevor sie vom Compiler verarbeitet werden. So kann die
Programmiersprache an sich in einer Form angeboten werden, die
für Menschen leicht nachvollziehbar und bequem ist. Für Compiler
wäre dieser Code zu umständlich. Das würde unter anderem die
Performance dramatisch senken.
Wird der Code jedoch in einen Zwischencode abstrahiert,
kann der Compiler effizient damit umgehen. Da C sehr performant
und maschinennah ist, wird die Sprache häufig für den Zwischen-
code verwendet, sprich C spielt auch beim Entwickeln höherer
Programmiersprachen und im Compilerbau noch heute eine wichtige Rolle.
Python (Programmiersprache)
Python ist eine universelle, üblicherweise interpretierte hö-
here Programmiersprache. Sie hat den Anspruch, einen gut lesbaren, knappen Programmierstil zu fördern. So werden beispielswei-
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