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ACAMONTA
Zeitschrift für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg
27. Jahrgang 2020
Zum Geleit
Liebe Leserinnen und Leser,
liebe Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg,
2020 — das Jahr, in dem die Covid-19-Pandemie unsere Welt
in einen Ausnahmezustand versetzte, wird uns als eine Zeit
tiefgreifender Transformationen in Erinnerung bleiben. Die von
der Regierung auferlegten Beschränkungen der individuellen Be-
wegungsfreiheit und der sozialen Kontakte in unterschiedlichen
Intensitäten seit dem Monat März brachten neue Alltagserfah-
rungen und beeinflussten unsere Arbeitswelt in ungeahntem
Ausmaß. Innerhalb kürzester Zeit veränderten sich Arbeitsorte
und -abläufe; es wurde mit neuen Formen der internen und
externen Zusammenarbeit, der Wissensvermittlung und des
-austauschs experimentiert.
Dass die Krise insbesondere als Beschleuniger von Digi-
talisierungsprozessen wirkte, zeigen die neuen Formate und
Formen, die seit Beginn des Sommersemesters 2020 an der
TU Bergakademie Freiberg in der Lehre Einsatz finden. Über
diese neue Phase des Studienbetriebs, damit einhergehende He-
rausforderungen und Auswirkungen geben in der vorliegenden
Ausgabe der ACAMONTA die Beiträge von Prof. Silvia Rogler (ab
S. 79), Yulia Dolganova und Prof. Urs Peuker (ab S. 80) sowie des
Studenten Andreas Müller Auskunft (ab S. 79). Auf den hohen
Stellenwert, den die Digitalisierung auch in Zukunft in Lehre
und Forschung an der TU Bergakademie einnehmen wird, wies
der am 26. Mai 2020 für eine zweite Amtszeit gewählte Rektor
Prof. Klaus-Dieter Barbknecht in seiner Rede zur Investitur, die
bezeichnenderweise in einem Hybrid-Format am 14. Oktober
stattfand, hin (ab S. 6). Ein Beispiel für die fortschreitende Digita-
lisierung in der Forschung wird in dem Beitrag zur Entwicklung
von Digitalisierungsstandards für geowissenschaftliche Samm-
lungsobjekte durch eine ESF-Nachwuchsforschergruppe um Dr.
Ilja Kogan vorgestellt (ab S. 70).
Als Ressourcenuniversität liegt einer der Schwerpunkte in
Forschung und Lehre der TU Bergakademie Freiberg in der
Sensibilisierung des Nachwuchses sowie in der Erarbeitung von
Lösungsansätzen für einen verantwortlichen Umgang mit den
endlichen Ressourcen unserer Erde. Um Antworten auf die damit
verbundenen drängenden Zukunftsfragen zu finden, arbeiten
Wissenschaftler aller Fakultäten unserer Universität vielfach in
interdisziplinären Teams zusammen beziehungsweise stützen
sich auf interinstitutionelle Kooperationen. Letztere werden am
Standort Freiberg insbesondere mit dem Helmholtz-Institut für
Ressourcentechnologie und dem EIT Raw Materials gepflegt
(siehe Beiträge ab S. 22, S. 44 und S. 45).
Neben der Präsentation von aktuellen Forschungsprojekten
aus allen Fakultäten der TU Bergakademie Freiberg liegt ein
Fokus diesmal auf der Ressource „Wasser“, wie Ausführungen zu
Grundwasserressourcen des BGR-Präsidenten Prof. Ralph Watzel
(ab S. 15), zur selektiven Entfernung von Mikroplastik (ab S.
18), zur regenerativen Energiegewinnung aus Grubenwässern
(ab S. 47) oder zu dem von Prof. Traugott Scheytt ins Leben
gerufenen Zentrums der Wasserforschung (ab S. 104) zeigen.
Die Bedeutung, die Stiftungen schon seit Jahren für die Re-
alisierung von Forschungsprojekten an der TU Bergakademie
haben, wird anhand der Vorstellung eines vom BMBF geförderten
FHP -Anschlussprojekts durch Dr. Kevin Keller (ab S. 9) deutlich.
An dieser Stelle sei insbesondere Frau Dr. Krüger gedankt, die
die Herausgabe der ACAMONTA auch in diesem Jahr wieder
finanziell unterstützt.
Die Covid-19-Pandemie brachte nicht nur für die Lehre Ein-
schränkungen, auch der Ausstellungsbetrieb und die Durch-
führung von Jubiläumsveranstaltungen waren betroffen. Trotz
des um mehrere Monate verschobenen Eröffnungstermins kann
der auf der Reichen Zeche angesiedelte „Schauplatz Erz“ der
4. Sächsischen Landesausstellung mit seinen unter- und über-
tägigen Besuchsangeboten als voller Erfolg gewertet werden,
wie aus den Beiträgen von Prof. Helmut Mischo (ab S. 119) und
Prof. Carsten Drebenstedt (ab S. 120) hervorgeht. Für an der
Historie Interessierte sei auf die Ausführungen zu Jubiläen im
Jahr 2020 wie dem 300. Geburtstag des Bergakademie-Gründers
Friedrich Wilhelm von Oppel und „100 Jahre eigenständiges
Promotionsrecht“ von Dr. Andreas Benz (ab S. 157) und Stefanie
Preißler (S. 171) verwiesen. Darüber hinaus finden sich anlässlich
der Fertigstellung des Ensembles Schloßplatzquartier Anmer-
kungen zum Leben und Wirken von Dietrich von Freiberg von
Dr. Norman Pohl (ab S. 166).
Liebe Leserinnen und Leser, für das kommende Jahr wünsche
ich Ihnen gute Gesundheit! Bleiben Sie unserer Universität auch
weiterhin verbunden und haben Sie viel Freude beim Lesen!
Ihre Annett Wulkow Moreira da Silva

Inhalt
ACAMONTA – 27 (2020): Inhalt
Studium
Weiterentwicklung des Studienangebots an der
TU Bergakademie Freiberg (S. Rogler) ............................................... 78
Aufrechterhaltung der Lehre in einer Sondersituation –
Standby-Betrieb einer Universität (S. Rogler) ..................................... 79
Digitalisierung in der Lehre (Y. Dolganova, U. A. Peuker) ........................80
Mein Sommersemester 2020 (A. Müller) ................................................82
Verein Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg:
Corona-Hilfsfonds für Studierende .....................................................83
Teamarbeit lernen – im Team lernen – Gruppenorientiertes Arbeiten
in der Informatik (S. Zug, A. Dietrich, G. Rudolf, J. Treumer) ...............84
Forschungsreisen auf Humboldts Spuren: Entdecke die Vielfalt
der Kleinen Fächer in Freiberg (E. Weißmantel)..................................87
Weihnachtsvorlesungen – nur Spaß oder innovative
Lehrinhaltsvermittlung? (M. Kröger) ..................................................88
Exkursion zu den Lagerstätten des Iberischen Pyritgürtels 2019
(T. Seifert, P. Krolop, B. Fritzke) ........................................................ 89
Universität aktuell
FOUNDress – Das Sensibilisierungsprogramm für (potenzielle)
Gründerinnen an der TU Bergakademie Freiberg
(K. Sopp, I. Schulze) .........................................................................99
Neue Angebote zur Gründungsunterstützung an der
TU Bergakademie Freiberg (A. Uhlmann, J. Grigoleit) .......................100
Transfer zwischen Theorie und Praxis – zu ausgewählten Praxis-
projekten aus den Erfahrungen einer Marketingprofessur
(M. Enke, J. Sachse) ....................................................................... 102
Innovative Schulungsideen für den Rohstoffbereich gesucht!
(W. Zank) ...................................................................................... 103
Kompetenzbündelung im Zentrum für Wasserforschung
(T. Scheytt, J. Grigoleit) .................................................................. 104
20 Jahre Internationales Universitätszentrum (IUZ) (I. Lange) ...............105
Auslandsstudium in der Corona-Zeit (A. Weigl) ..................................... 107
Aktuelle Entwicklungen zum Zentrum für effiziente
Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS) (D. C. Meyer,
B. Abendroth, T. Lemser) ................................................................ 108
Verbesserung der Studienbedingungen an der Technischen
Universität Bergakademie Freiberg – Neubau Bibliothek
und Hörsaalzentrum (J. Then) ......................................................... 110
Kunst am Bau: „Bergparade“ (M. Krenz) .............................................. 112
City – Campus – City: TU Bergakademie Freiberg
(A. Mensing-de Jong, K. Racoń-Leja, P. Kowalski et al.) ................... 113
SilberBoom – 4. sächsische Landesausstellung in Freiberg
(H. Mischo) .................................................................................... 118
Rohstoffbewusstsein stärken – Vom Salz des Lebens
(C. Drebenstedt, K. Kleeberg) .........................................................120
Die Sammlung Siegfried Flach in den Geowissenschaftlichen
Sammlungen (A. Massanek, C. Kehrer, B. Gaitzsch et al.) ................124
Ehrenbürger der TU Bergakademie Freiberg verstorben –
Trauer um Siegfried Flach (Andreas Massanek) ................................128
Die Rettung einer Spezialbibliothek (S. Nagel) ......................................129
Änderungen im Hochschulrat (E. Weißmantel) ...................................... 131
Sächsischer Verdienstorden für Bergassessor
Dr. Achim Middelschulte (R. Schmidt) .............................................131
TU Bergakademie Freiberg ist Mitglied der Europäischen
Universität „Verantwortungsvoll konsumieren und
produzieren“ (C. Drebenstedt) ......................................................... 132
„Eine lebensverändernde Chance“ – Erfahrungen aus zehn Jahren
Kooperation mit dem Irak (M. Junghans, T. Mayer,
A. Kadauw et al.) ...........................................................................133
Geleitwort des Rektors (K.-D. Barbknecht) ............................................... 4
Rektorat TU Bergakademie Freiberg
Rektor bestreitet 2. Amtszeit und neues Prorektorat gewählt
(Pressestelle TU Bergakademie Freiberg/L. Rischer) ............................5
Rede zur Investitur von Rektor Klaus-Dieter Barbknecht
an der TU Bergakademie Freiberg am 14. Oktober 2020 ......................6
Stiftungen
Neue nanostrukturierte Nitrid-Volumenhartstoffe –
Mit Hochdruck an neuen Materialien forschen! (K. Keller) .....................9
Aktuelles über die Stiftung „TU Bergakademie Freiberg“
(M. Klescinska, U. Unger) .................................................................13
Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
Grundwasserressourcen im Licht des globalen Wandels (R. Watzel) .........15
Ein innovatives Erkennungs- und Abscheideverfahren für Mikroplastik
(R. Schwarze, E. Thom, M. Heinrich et al.) ......................................... 18
Organisch modifizierte Tonminerale – zielorientierte Entwicklungen
zur Eliminierung von umweltschädigenden PFAS
(P. Scapan, A. C. Guhl, B. Haist-Gulde et al.) ..................................... 19
Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und
Prozessoptimie (K. Bachmann, L. Pereira et al.) ................................. 22
Mathematische Unsicherheitsquantifizierung (B. Sprungk) ......................26
Der große „Lauschangriff“ (A. Weidner, H. Biermann) ............................30
Zwölf Jahre erfolgreiche Öffentlichkeitsarbeit im SFB 799 –
das Teilprojekt Ö (M. Enke, I. Luther) ................................................34
Energieeffiziente Leistungselektronik
(V. Garbe, S. Seidel, C. Röder, A. Schmid, J. Heitmann) ......................36
Recycling von Li-Ionen-Batterien – eine Herausforderung
für die Aufbereitungstechnik (U. A. Peuker) .......................................39
Start des Verbundvorhabens „ProBaSol – Die Aluminiumbatterie:
Herausforderungen für die industrielle Fertigung“
(H. Stöcker, B. Abendroth, T. Lemser et al.) ....................................... 41
Effiziente Rohstoffaufbereitung mit Hochspannungsimpulsen
(H. Lieberwirth, M. Mezzetti) ............................................................ 42
EIT RawMaterials Projekt „RoStar“ – Entwicklung des Prototyps
einer Feinstmühle (A. Hesse) .............................................................44
Bergbauexploration einmal anders: ein europäisches Projekt,
um neue Werte in den Sektor zu bringen
(M. Kirsch, R. Gloaguen, L. Ajjabou) .................................................45
Regenerative Energiegewinnung aus Grubenwasser
(L. Oppelt, S. Pose, T. Grab et al.) ..................................................... 47
Spillover-Effekte in Energiemärkten – eine empirische Analyse
am Beispiel des australischen Strommarkts (B. Aust) .........................51
Business-to-Business Marketing an der TU Bergakademie Freiberg
(A. Leischnig) ..................................................................................55
Denkmalschutz aus der Perspektive des Rechts (M. Wormit) ...................56
Historischen Gläsern auf der Spur
(A.-V. Bognár, G. Heide, Y. Ramdani et al.) ........................................ 59
Das Erzgebirge vor 320 Millionen Jahren, Migration von
Fledermäusen und mittelalterliche Gräber – Isotope machen
verdeckte Spuren sichtbar (M. Tichomirowa) ......................................64
Roboter für das Wasser der Zukunft
(L. Jarosch, S. Pose, S. Reitmann et al.) .............................................66
„G.O.D.S.“ – eine Nachwuchsforschergruppe entwickelt
Digitalisierungsstandards für geowissenschaftliche
Sammlungsobjekte (I. Kogan, G. Heide) ............................................70
Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen (ARIDuA)
(F. Schreiter, R. Lösch, S. Grehl et al.) ............................................... 73
Inhalt

ACAMONTA – 27 (2020): Inhalt
Abschluss des „Deutsch-Russischen Themenjahres der
Hochschulkooperation und Wissenschaft“ (B. Seidel-Bachmann) ......135
Aus dem Vereinsleben
Aus dem Protokoll der Jahresmitgliederversammlung 2019
(H.-J. Kretzschmar) ........................................................................137
Netzwerk, News und Events – Jahresrückblick des Freiberger
Alumni Netzwerks (FAN) (S. Preißler, C. Bornkampf) .......................139
Die Feststoffchlorierung – Ein neues Verfahren für das
Recycling Seltener Erden (T. Lorenz) ............................................... 141
Intermetallische Phasen und Phasenbildung während der Erstarrung
von Fe-haltigen Al–Si-Legierungen mit Mg, Mn und Cr –
Ein Beitrag zum Recycling von Al–Si-Legierungen (H. Becker) .........143
Zweidimensionale axialsymmetrische Vorwärtsmodellierung für
transient-elektromagnetische Felder mit Finiten Elementen
(C. Schneider, R.-U. Börner, K. Spitzer et al.) ................................... 145
Chemiresistoren aus Goldnanopartikeln vernetzt mit linearen
und zyklischen Molekülen (A. Schweren) .........................................148
Erfahrungen eines Barbarbastipendiaten (R. Muhrez) ...........................150
Für ein Jahr an der Sankt Petersburger Bergbauuniversität (C. Faist) .....151
Kurzbericht zum Field Trip nach Südafrika (M. Poralla) .........................152
Praktikum in Busan, Südkorea (L. Lange) ............................................152
Auf Zinnerkundung im polnischen Isergebirge (H. Lippke) .....................153
Information zur Günter Heinisch-Stiftung (H.-J. Kretzschmar) ................154
Interdisziplinäre Ausbildung angehender Ingenieure –
Das Racetech Racing Team (L. Windler) ..........................................155
Historie
300. Geburtstag von Friedrich Wilhelm von Oppel (A. Benz) .................157
Zum 375. Geburtstag von Hans Carl von Carlowitz, dem
Schöpfer des Begriffs der „Nachhaltigkeit“ (G. Grabow) ...................158
Die geologischen Karten Leopold von Buchs (P. Kühn) .......................... 159
Freiberger Studententage – 1 plus 1 macht 48 (T. Schmalz) .................160
Zum 100. Geburtstag von Professor Hans Jürgen Rösler (W. Pälchen) ....162
Kleine Laudatio für einen Archivar mit Leib und Seele:
Roland Volkmer (N. Pohl) ............................................................... 163
Adolph Mezger – Ein Botschafter Freibergs im Land der aufgehenden Sonne
(P. Hauschild) ................................................................................164
Am Ende des Regenbogens – Anmerkungen zu Dietrich von
Freiberg (N. Pohl) ..........................................................................166
Kabinettausstellung zu Dr. Moritz „Don Mauricio“ Hochschild
(S. Preißler) ........................................................................................ 171
Humboldt als Mineraloge und Geologe in den fränkischen
Fürstentümern Ansbach und Bayreuth (F. Naumann) ........................ 172
Der Freiberger Professor und der Bergakademist im Lichte
der Uniformierung des sächsischen Bergstaates (K. Neumann) .........178
Markgraf Otto von Meißen, sein Silber und seine
Münzstätte Freiberg (T. Arnold, H. Friebe) .......................................183
Chronik 2021 (R. Volkmer)..................................................................185
Personalia
Neuberufungen ab November 2019 ..................................................... 186
Neuer Honorarprofessor für Meeresbergbau (Marine Mining)
an der TU Bergakademie Freiberg (C. Drebenstedt) .......................... 187
Ehrenpromotion Professor Dr. mont. Dipl.-Ing. Peter Moser
(C. Drebenstedt) ............................................................................189
Markscheider Kurt Beyer – zum 100. Geburtstag (J. Fenk) .................... 191
Wir trauern um unsere Vereinsmitglieder .............................................. 192
Nachruf auf Prof. Dr.-Ing. habil. Armin Krauße
(H. Gerhardt, G. P. Rosetz) ............................................................. 192
Nachruf auf den Ehrensenator der TU Bergakademie Freiberg
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Dieter Bilkenroth (C. Drebenstedt) ...........193
Nachruf auf Prof. Dr. Edwin Weber (W. Seichter, R. Pollex, M. Mazik) ....195
Der Isotopengeochemiker Prof. Dr. habil. Joachim Pilot ist
mit 91 Jahren verstorben (M. Tichomirowa) .....................................195
Nachruf für Prof. Dr.-Ing. habil. Gottfried Gneipel (G. Grabow)..............196
Nachruf Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Willmann (J. Kertzscher) ................197
Nachruf für den Ehrensenator Dr.-Ing. habil. Harald Kohlstock
(F. Häfner, D. Stoyan, G. Unland) .................................................... 197
Nachruf für Alt-Oberbürgermeister Konrad Heinze (F. Häfner) ...............199
Nachruf für Prof. Dr. habil. Joachim Hofmann
Klaus Stanek, Christoph Breitkreuz, Jörg Schneider ..........................199
Geburtstage unserer Vereinsmitglieder .................................................200
Autorenverzeichnis .............................................................................. 203
Terminankündigung ............................................................................204
Inhalt
ERRATUM
Das Geburtsdatum von Prof. Roewer wurde in der ACAMONTA 2019, S. 5., fälsch-
lich mit dem 14.12.1935 angegeben.
Richtig ist:
Prof. Dr. Gerhard Roewer wurde
am 14. Dezember 1939 geboren. Wir bedauern diesen Fehler.
Herausgeber:
Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg e. V.,
Rektor der TU Bergakademie Freiberg, Frau Dr. Erika Krüger
Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg e. V. (VFF)
Vorsitzender:
Prof. Hans-Ferdinand Schramm
Geschäftsführer:
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Jürgen Kretzschmar
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Internet: https://tu-freiberg.de/wirtschaft/stiften-foerdern/freunde-foerderer
Jahresbeitrag:
30 EUR Einzelmitglieder; 250 EUR juristische Mitglieder
Redaktionsleitung:
Annett Wulkow Moreira da Silva
Redaktionskollegium:
Prof. Dr. Peter Seidelmann, Dipl.-Slaw. Birgit Seidel-Bachmann,
Prof. Dr. Helmuth Albrecht, Prof. Dr. Ulrich Groß
Rubriken-Titelbilder:
Seite 14: Künstliche Datengenerierung zur Gewinnung von Trainings-
beispielen zum Anlernen einer Künstlichen Intelligenz (Ausschnitt),
© Stefan Reitmann; Seite 98: Neues Hörsaalgebäude Prüferstraße,
Ansicht im Innenhof, Foto: Detlev Müller/TU Bergakademie Freiberg;
S. 136: Gesellschaft der Freunde der Bergakademie Freiberg,
Gründungsaufruf, Universitätsarchiv: GF 21;
Rubriken-Titelbilder:
S. 156: Stufenkabinett im Eingangsbereich des Oppelschen Wohn-
hauses,
©
TU Bergakademie Freiberg
Gestaltung/Satz:
Brita Gelius
Druck:
Erzdruck GmbH, Marienberg
Auflage:
1.300
Die ACAMONTA 2020
kann über folgenden Link abgerufen werden:
https://tu-freiberg.de/wirtschaft/stiften-foerdern/freunde-foerderer/publikationen
Namentlich gekennzeichnete Beiträge
geben nicht unbedingt die Meinung der Herausgeber
und der Redaktion wieder. Keine Haftung für unverlangt eingesandte Manuskripte. Die Autoren
stellen die Beiträge honorarfrei zur Verfügung. Die Autoren sind verantwortlich für die Verwen-
dung namentlich nicht gekennzeichneter Abbildungen in ihren Beiträgen. Auszugsweiser Nach-
druck von Beiträgen bei Angabe von Verfasser und Quelle ist gestattet. Im Sinne der Wünsche von
Autoren und Lesern nach detaillierterer Information hat das Redaktionskollegium eine relativ hohe
Anzahl von Quellenangaben für einzelne Beiträge akzeptiert. Die Art der Literaturzitation wurde
aufgrund der unterschiedlichen Fachgebiete dabei jeweils den Autoren überlassen.
Männliche/weibliche Form:
Aus Gründen der Vereinfachung und besseren Lesbarkeit ist in den
Beiträgen gelegentlich nur die männliche oder die weibliche Form verwendet worden. Wir bitten,
fehlende Doppelnennungen zu entschuldigen.
Autorenverzeichnis:
Aus Gründen des Platzbedarfs werden im Autorenverzeichnis die akademi-
schen Grade der Autoren in vereinfachter Form dargestellt.
© Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg e. V., 2020
ISSN 2193-309X

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ACAMONTA – 27 (2020): Inhalt
Universitäten tragen für die Gestaltung von Transformations-
prozessen ein hohes Maß an gesellschaftlicher und wissen-
schaftlicher Verantwortung. Dieser müssen wir uns gerade mit
Blick auf die fortschreitende Technologisierung und dem damit
verbundenen Energie- und Ressourcenbedarf auf der Welt ein-
mal mehr bewusst sein. Denn es liegt an uns, das wachsende
Engagement und das Umdenken im Bereich Klima, Umwelt und
Ressourcen bei der jüngeren Generation, den Studierenden und
Auszubildenden von morgen, zu nutzen und weiter zu fördern.
Wir wissen, dass eine gesunde Umwelt die entscheidende
Voraussetzung für das Leben auf der Erde ist und forschen
deshalb für weniger Abfall, für moderne umweltschonende Ver-
fahren zur Ressourcengewinnung und -verarbeitung sowie für
die Materialien und Werkstoffe der Zukunft. Wir wollen den
zukünftigen Generationen einen gesicherten Wohlstand in einer
gesunden Umwelt ermöglichen und bilden.
Den Vorschlägen der „Fridays for Future“-Bewegung trägt
unsere Hochschule beispielsweise nicht nur heute, sondern schon
seit jeher Rechnung. Seit ihrer Gründung entwickelt die TU
Bergakademie Freiberg im Rahmen ihrer Profillinien Konzep-
te für eine bessere Zukunft und stellt sich den Themen einer
nachhaltigen Stoff- und Energiewirtschaft.
Als die Ressourcenuniversität in Deutschland begreifen wir
an der TU Bergakademie Freiberg Natur, Ressourcen, Material
und Werkstoffe als Grundvoraussetzungen für eine lebenswerte
Zukunft. Daher arbeiten wir gemeinsam mit nationalen und
internationalen Partnern an der Entwicklung modernster Tech-
nologien und Verfahren für eine nachhaltige Nutzung unserer
wertvollen Ressourcen. Dabei stellen sich die Wissenschaftler
und Wissenschaftlerinnen aller sechs Fakultäten nicht nur den
ökologischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, sondern
nehmen zeitgleich die ökonomische Umsetzung für den Wirt-
schafts- und Industriestandort Deutschland in den Blick.
Mit diesem umfassenden Know-how unterstützen wir an
der TU Bergakademie Freiberg nicht nur die Politik als Berater
und die Wirtschaft in Sachsen, Deutschland und weltweit als
Forschungspartner, sondern bilden in zukunftsorientierten und
anwendungsbezogenen Studiengängen gefragte Wirtschafts-,
Natur- und Ingenieurwissenschaftler mit Weitblick und Ge-
wissen aus; und das nicht nur national, sondern international.
Mit 27 Prozent weisen wir im Vergleich zu anderen Univer-
sitäten einen sehr hohen Anteil internationaler Studierender
auf und beschäftigen überdurchschnittlich viele ausländische
Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sowie Professoren
und Professorinnen. Damit trägt die Universität zu einem po-
sitiven Bild von Deutschland und Sachsen bei.
Diese und viele weitere Faktoren machen deutlich, dass die
Technische Universität Bergakademie Freiberg ihre Aufgaben in
Forschung und Lehre erfüllt und das Bild der Universitätsstadt
Freiberg auf verschiedenste Weise positiv prägt.
In der aktuellen ACAMONTA bekommen Sie einen Einblick
in verschiedenste Aspekte von der Geschichte über aktuelle
Forschungsprojekte bis hin zu den immer weiter wachsenden
Studienmöglichkeiten der TU Bergakademie Freiberg.
Ich wünsche Ihnen eine spannende Lektüre.
Prof. Dr. Klaus-Dieter Barbknecht,
Rektor der TU Bergakademie Freiberg
Geleitwort des Rektors

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ACAMONTA – 27 (2020): Ressourcenuniversität TU Bergakademie Freiberg
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2. Amtszeit für Prof. Dr. Barbknecht
Am 26. Mai hat der Erweiterte Senat der TU
Bergakademie Freiberg die Wahl des Rektors
vollzogen. Nach einem Wahlgang stand fest,
dass Prof. Dr. Klaus-Dieter Barbknecht wieder-
gewählt wurde und das Amt für die nächsten
fünf Jahre erneut innehat. Er setzte sich am Ende
mit 61 Stimmen durch. Seine zweite Amtszeit
begann nach der Ernennung durch das SMWK
am 21. Juli 2020, sie endet am 20. Juli 2025.
Wahlberechtigt waren ausschließlich die Mit-
glieder des Erweiterten Senats der Universität.
Dieser besteht aus den stimmberechtigten Mit-
gliedern des Senats sowie den in den Erweiterten
Senat gewählten Vertretern der Hochschullehrer,
der akademischen Mitarbeiter, Studierenden und
sonstigen Mitarbeitern. Von den 95 anwesenden
Mitgliedern des Erweiterten Senats stimmten
61 für Prof. Barbknecht und 34 für Prof. Dre-
benstedt. Beide Kandidaten hatten sich im
Vorfeld universitätsintern vorgestellt und dabei
ihre Ziele und Vorstellungen präsentiert. Nach
der Verkündung des Wahlergebnisses beglück-
wünschten der amtierende Kanzler Jens Then als
Wahlleiter und Prof. Reinhard Schmidt, Hoch-
schulratsvorsitzender und Oberberghauptmann
a. D., und Prof. Dr. Konrad Froitzheim, Veran-
staltungsleiter, den künftigen Rektor. Prof. Dr.
Klaus-Dieter Barbknecht gab in seinem State-
ment die weitere Richtung für die Universität
vor: Zum einen wolle er den eingeschlagenen
erfolgreichen Weg einer gemeinsamen Entwick-
lung der Universität fortsetzen, zum anderen
die Kompetenzen der Universität als eine der
weltweit führenden Ressourcenuniversitäten
weiter ausbauen, um Transformationsprozesse
zu einer lebenswerteren Welt voranzutreiben.
Neue Prorektoren gewählt
Prof. Dr. Swanhild Bernstein, Prof. Dr. Jörg
Matschullat und Prof. Dr. Urs Peuker sind ab
1. November 2020 die neuen Prorektoren der
TU Bergakademie Freiberg. Das entschied der
Senat bei seiner Sitzung am 27. Oktober und
stimmte damit dem Wahlvorschlag des Rektors
zu. Für Prof. Dr. Swanhild Bernstein beginnt die
erste Amtszeit im Rektorat der Bergakademie.
Sie übernimmt das Prorektorat Bildung von
Prof. Dr. Silvia Rogler. Prof. Bernstein lehrt und
forscht seit 2005 am Institut für Angewandte
Analysis. Die Mathematik-Professorin wird im
neuen Rektorat mit der Rahmensetzung zum
Lernen und Lehren vor allem die Umsetzung
des Qualitätsmanagements mit Zertifizierung
und Akkreditierung übernehmen.
Neu gewählt wurde ebenfalls Prof. Dr. Jörg
Matschullat. Er übernimmt das Prorektorat für
Forschung von Prof. Dr. Rudolf Kawalla. Jörg
Matschullat ist Professor für Geochemie und
Geoökologie und Direktor des Interdisziplinären
Ökologischen Zentrums der TU Bergakademie
Freiberg. Für seine Amtszeit hat er sich unter
anderem vorgenommen, die Forschung an Zu-
kunftsthemen vor allem mit Blick auf die glo-
balen Nachhaltigkeitsziele zu stärken, Anreize
für Qualitätssteigerungen zu setzen sowie den
wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern. Der
Senat entschied sich zudem für die Wieder-
wahl von Prof. Dr. Urs Peuker als Prorektor für
Strukturentwicklung. Prof. Peuker ist Direktor
des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik
und Aufbereitungstechnik der TU Bergakademie
Freiberg und Leiter des Freiberger Centers im
EIT RawMaterials. Seit Juni 2018 unterstützt
er bereits das Rektorat als Prorektor. Im Fokus
seiner zweiten Amtszeit stehen vor allem die
Weiterentwicklung der Digitalisierungsstrategie,
die stetige Verbesserung der technischen Infra-
struktur und Weiterbildung der MitarbeiterInnen
im Bereich der digitalen Lehre, ein verbessertes
Datenmanagement für die WissenschaftlerInnen
der Universität und der Ausbau der strategi-
schen Partnerschaften mit außeruniversitären
Forschungseinrichtungen.
Die Amtszeit der neuen Prorektoren beginnt
am 1. November und gilt zunächst bis Juli 2025.
Zum Rektorat gehört neben dem Rektor Prof. Dr.
Klaus-Dieter Barbknecht und den drei Prorek-
toren auch der amtierende Kanzler, Jens Then.
Pressestelle TU Bergakademie Freiberg/Luisa Rischer
Rektorat
Rektor bestreitet 2. Amtszeit und neues Prorektorat gewählt
Der Campus der TU Bergakademie Freiberg im Oktober 2019
© TU Bergakademie Freiberg/Crispin I. Mokry

ACAMONTA – 27 (2020): Ressourcenuniversität TU Bergakademie Freiberg
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Begrüßung
Sehr geehrter Herr Staatsminister Sebastian Gemkow,
sehr geehrter Herr Dr. Werner,
sehr geehrte Altmagnifizenzen, Spektabilitäten, Honorabilis,
Mitglieder des Rektorates,
liebe Kolleginnen und Kollegen,
liebe Gäste hier im Saal und an den Monitoren,
lassen Sie mich bitte zu Beginn darüber meiner Freude Aus-
druck verleihen, dass Sie diesem besonderen Ereignis durch
Ihre Anwesenheit in Präsenz und an den Monitoren die Ehre
erweisen.
In diesen herausfordernden Zeiten einer Pandemie ist das kei-
ne Selbstverständlichkeit. Sie merken an den von uns getroffenen
Hygiene- und Sicherheitsmaßnahmen, die leider in den letzten
Tagen auch zu einer sehr kleinen Präsenzzahl geführt haben,
dass wir — wie auch Sie in Ihren Verantwortungsbereichen — das
Mögliche tun, um Infektionsgefahren zu minimieren. Ich danke
Ihnen ganz besonders, dass Sie heute hier und an den Monitoren
sind und heiße Sie nochmals ganz herzlich willkommen.
Ich möchte meine Gedanken zur kommenden Amtszeit als
Rektor der Technischen Universität Bergakademie Freiberg wie
folgt skizzieren: Ich gliedere meine Ausführungen in zwei Haupt-
punkte um im zweiten Teil in fünf Unterpunkte, zunächst in einer
Betrachtung des Istzustands der Universität und anschließend
in einer Betrachtung der Ziele für die Bergakademie:
1. Istzustand
Die Bergakademie ist weltweit eine der führenden Ressour-
cenuniversitäten und ist mit 255-jähriger Geschichte, heraus-
ragenden wissenschaftlichen Forschungsbereichen, Lehre und
Sammlungen von Weltrang eine Perle der Universitätslandschaft
Deutschlands.
Der Leitgedanke der nachhaltigen Entwicklung sowie die
gestaltende Initiierung und Mitwirkung an Transformations-
prozessen sind Wesenskern der Universität, die entlang der Pro-
zesskette der Rohstoffe als Zentrum der Montanwissenschaften
in Deutschland die verschiedenen Wissenschaftsgebiete von der
Erschließung über die Verarbeitung und Veredlung bis zum
Recycling bearbeitet.
Die wissenschaftliche Exzellenz der Universität in der For-
schung ist durch Projekte der DFG und der EU ausgewiesen. Die
Drittmitteleinnahmen (pro Professor), die seit Jahren im Bereich
der Top 5 der deutschen Universitäten liegen, geben ein Zeugnis
für die hohe Anerkennung der Leistung der ProfessorInnen und
MitarbeiterInnen der TU Bergakademie Freiberg ab. Ebenso er-
fährt die Universität durch die intensiven Investitionen, die der
Freistaat Sachsen und die Bundesrepublik Deutschland derzeit
und in den nächsten Jahren tätigen, eine hohe Anerkennung
ihrer Leistungen.
Die nationale und internationale Verflechtung mit anderen
Wissenschaftseinrichtungen steht auf einer soliden Grundla-
ge und konnte weiter ausgebaut werden. Die Sichtbarkeit der
Universität — u. a. auch in der Politik — hat sich durch die Zu-
sammenarbeit mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen
wie Helmholtz, Fraunhofer, Leibniz, im europäischen Verbund
EIT RawMaterials — Regional Center Freiberg als Europäische
Universität und durch zahlreiche bi- und multilaterale Abkommen
mit anderen Universitäten sowie Maßnahmen der Öffentlich-
keitsarbeit weiter verbessert. Dies trägt zur Internationalisie-
rung bei und hat den Anteil ausländischer Studierender — auch
durch Einführung neuer englischsprachiger Studiengänge — auf
mittlerweile 34,5 Prozent erhöht. Während die internationale At-
traktivität der TU Bergakademie Freiberg deutlich zugenommen
hat, sind die Studierendenzahlen in den letzten Jahren jedoch
stetig zurückgegangen. Mittlerweile zählt die Universität nur
noch etwas mehr als 4.000 Studierende. Die Rückgänge betreffen
alle Fakultäten, wenn auch unterschiedlich intensiv. Demogra-
fische Entwicklungen, eine höhere Mobilität der Studierenden
und ein gesamtgesellschaftlicher Wandel haben zum Schwund
der Studierendenzahlen in Freiberg beigetragen. Hinzu kommt,
dass generell weniger deutsche AbiturientInnen ein natur- oder
ingenieurwissenschaftliches Studium aufnehmen als in früheren
Jahren. Diese Entwicklung steht eigentlich im Widerspruch zum
steigenden Bewusstsein der Jugend hinsichtlich Nachhaltigkeit,
Klimawandel und Umwelt. Denn dem Bewusstsein müsste der
Wille zur tätigen Veränderung inhärent sein, was wiederum
auch die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit den Natur-
und Ingenieurwissenschaften zumindest für einen großen Teil
der Veränderungswilligen voraussetzt. In diesem Sinne ist es
nicht nur wünschenswert, sondern dringend erforderlich, dass
wieder mehr deutsche AbiturientInnen an den technischen Uni-
versitäten und in Freiberg studieren.
Ich möchte gern an dieser Stelle den Mitgliedern der Berg-
akademie wie auch meinen Amtsvorgängern in den Rektoraten
dafür danken, dass wir einen so positiven Statusbericht zur
Universität geben können.
Selbstverständlich ist das Erreichte Ansporn für die weitere
Entwicklung und ich komme deshalb nun zu den Herausforde-
rungen und Zielen der nächsten Jahre:
2. Gestaltung der Zukunft der TU Bergakademie Freiberg
a. Lehre und Studierende
Obwohl die wirtschaftlichen und demografischen Entwick-
lungen auf der Welt dazu beitragen, dass die Ressourcenbe-
wirtschaftung eine noch größere Rolle spielen wird, fehlt es —
wie bereits erwähnt — an deutschen Studierenden, die diese
Herausforderungen durch ein Studium der Natur- und Inge-
nieurwissenschaften aufnehmen wollen. Gleiches gilt für die
drängenden Zukunftsfragen wie Klimawandel und Umweltschutz
und den damit einhergehenden Themen der Energieerzeugung,
-speicherung und des Energieeinsatzes. Hinzu kommt die de-
mografische Entwicklung in Sachsen und in Deutschland, die
auch in den nächsten Jahren auf weniger Studierende schließen
lässt, wobei gleichzeitig insbesondere in Sachsen der Bedarf an
ausgebildeten Geistes- und Lebenswissenschaftlern signifikant
gestiegen ist und entsprechende Studienangebote neu geschaffen
worden sind oder geschaffen werden.
Für die TU Bergakademie Freiberg als nicht nur die älteste
höhere technische Bildungseinrichtung Deutschlands, die auf die
1702 gegründete Stipendienkasse zurückgeht, sondern auch als
die TU mit dem höchsten „MINT-Reinheitsgrad“ in Sachsen wird
damit der Wettbewerb um Studierende nochmals schwieriger.
Rektorat
Rede zur Investitur von Rektor Klaus-Dieter Barbknecht
an der TU Bergakademie Freiberg am 14. Oktober 2020

ACAMONTA – 27 (2020): Ressourcenuniversität TU Bergakademie Freiberg
7
Studienwerbung allein wird hier nicht helfen. Weiter schwin-
denden Studierendenzahlen ist daher mit Maßnahmen exzellen-
ter, moderner Lehre zu begegnen, die als solche auch sichtbar
ist und durch Studienwerbemaßnahmen begleitet wird.
Die demografisch bedingte geringere Studienanfängerquote in
Sachsen muss als Chance für Reformen und Qualitätssteigerung
genutzt werden. Die gemeinsam mit den Fakultäten begonnene
Reform der Studiengänge soll daher fortgesetzt werden. Sie hat
nicht nur eine Verringerung der Anzahl — und damit stärkere
Fokussierung auf das Wesentliche — der derzeit bestehenden
69 Studiengänge, sondern auch eine Modernisierung der an-
gebotenen Inhalte sowie Lehrformen zum Ziel. Vom Ergebnis
her denkend (was muss, was soll, was kann der Absolvent an
Fertigkeiten besitzen) sollen die Lehrkonzepte und Studiengänge
didaktisch überarbeitet und für die in Sachsen verpflichtende
Akkreditierung vorbereitet werden. Den drei vorgenannten An-
forderungsprofilen entsprechend, sollen den Studierenden — auch
im Sinne der Universitas — mehr Wahlmöglichkeiten auch z. B.
im Bereich der Wirtschaftsethik eingeräumt werden. Gleichzeitig
sind die Möglichkeiten und auch Herausforderungen, die — nicht
nur bedingt durch die derzeitige Covid-19-Krise — eine Digita-
lisierung der Lehre mit sich bringt, in die Überlegungen und
anschließende Umsetzung einzubeziehen.
Das Konzept der Hochschulleitung zur Digitalisierung der
Lehre ist vor allem inhaltsgesteuert und soll keinesfalls lediglich
ein „moderner Anstrich für alte Inhalte“ oder ein weiterer Bei-
trag zu digitalen Reizüberflutung Studierender sein. Vielmehr
kommt es darauf an, die Möglichkeiten für die Lehrenden in der
Darstellung und für die Studierenden beim selbstverantwort-
lichen Vor- und Nachbereiten der Lehre sowie des Eigenstudi-
ums zu verbessern. Problem- und objektorientiertes Lehren
und Lernen sowie die Herausbildung von Teameigenschaften
der Studierenden sind Schwerpunkte neuer Lehrmethoden, die
zukünftig verstärkt angegangen werden sollen.
Die vorstehenden Aufgaben sind in Zusammenarbeit mit
den Fakultäten durchzuführen und von der Hochschulleitung
durch entsprechend unterstützende zentrale Maßnahmen sowie
Bereitstellung von personellen und sächlichen Mitteln zu fördern.
Hierzu zählen u. a. unterstützende Maßnahmen der Didaktik
durch Angebotserweiterung des HDS (Hochschuldidaktisches
Zentrum Sachsen), eine zentrale Stelle für die Unterstützung
der Akkreditierung von Studiengängen, der Tag der Lehre und
das jüngst erarbeitete Digitalisierungskonzept der Universität.
Das Lehrangebot der TU Bergakademie Freiberg soll zukünftig
noch stärker Studierende wettbewerbsfähig für die Herausforde-
rungen auch im internationalen Umfeld machen. Wir sind auch
hier der Exzellenz verpflichtet. Hierzu dient die Erweiterung des
Angebots an englischsprachigen oder semienglischsprachigen
Studiengängen. In Zusammenarbeit mit den Fakultäten und
Lehrenden sollen Angebote an englischsprachigen Lehrveran-
staltungen auch in deutschen Studiengängen erhöht werden.
Gleichzeitig soll ein stärkeres Gewicht auf die Vermittlung der
deutschen Sprache für die ausländischen Studierenden gelegt
werden, um diese besser für ein Verbleiben in Deutschland nach
dem Studium vorzubereiten. Die Internationalisierungsstrategie
dient damit auch der Steigerung des Nachwuchspotenzials in
Deutschland.
Durch die Möglichkeiten der individuellen Betreuung der
Studierenden, wie sie an der TU Bergakademie Freiberg beste-
hen, sollen die Erfolgsquoten weiter erhöht werden. Wir schaffen
damit Ausbildungseliten durch einen hohen Förderungsstandard
und exzellente Lehre und nicht durch „Herausprüfen“. Die Ab-
brecherquote ist durch Maßnahmen der Studienberatung weiter
zu senken und gleichzeitig sind Angebote für Studienabbrecher
weiterzuentwickeln, die die vorzeitige Beendigung eines Studi-
ums nicht zu einem Scheitern auf dem Lebensweg werden lassen.
Eine zielgruppenorientierte vorbereitende Studienberatung
mag vordergründig dazu beitragen, dass weniger Studierende
ein Studium an der TU Bergakademie Freiberg beginnen als
anderenorts. Die Verantwortung gegenüber den jungen Men-
schen, die zu uns kommen wollen, verpflichtet die TU jedoch zu
einer angemessenen Beratung der Bewerber hinsichtlich ihrer
Studierfähigkeiten und der Anforderungen, die die Universität
an sie während des Studiums stellt.
Dementsprechend soll auch weiterhin gelten „Qualität vor
Quantität“. Es ist nicht erstrebenswert, zu Gunsten höherer
Studierendenzahlen die Qualität des Studiums zu reduzieren.
b. Forschung
Die Forschung soll auf dem sehr hohen Niveau und in den
bearbeiteten Profillinien verbleiben, aber noch stärker kennt-
lich machen, dass die TU Bergakademie Freiberg sich mit den
Zukunftsfragen der Gesellschaft auseinandersetzt. Hierzu soll
dienen, dass auch in Zukunft mindestens zwei jeweils laufende
SFBs angestrebt werden. Die interdisziplinäre Forschung, die
ein Wesensmerkmal der TU Bergakademie Freiberg ist, soll
durch Bildung von Forschungsclustern und die Zusammenarbeit
mit anderen außeruniversitären Forschungseinrichtungen noch
stärker sichtbar gemacht werden.
Hierzu soll die Hochschulleitung Rahmenbedingungen für
die noch stärkere Vernetzung der Forschenden setzen, die für die
Hochschulöffentlichkeit eine höhere Transparenz der einzelnen
Forschungsgebiete schaffen. Die Weiterentwicklung einer For-
schungsdatenbank wird hierzu ein essenzielles Werkzeug sein.
Im Dialog mit den Forschenden sind die Forschungsgebiete
thematisch zu schärfen. Die Hochschulleitung kann hierzu durch
Stellenzuweisung unterstützend wirken, wenn neue Gebiete
erschlossen werden sollen. So ist anzustreben, dass durch die
Berufung von TT-ProfessorInnen und Nachfolgeberufungen
neue Gebiete aufgebaut werden können. Der hierbei einge-
schlagene Weg, TTP zu nutzen, die Institute im Bereich Glas-
Keramik-Baustoffe durch eine neue Professur „Smarte Gläser“
zu erweitern, die Additive Fertigungstechnologie durch eine
korrespondierende TTP „Nachhaltige Materialien für Additive
Fertigung“ zu stützen etc. soll fortgesetzt werden.
Ein wichtiger Meilenstein für die TU Bergakademie Freiberg
wird in den nächsten Jahren die inhaltliche Untersetzung des
ZeHS werden. Ein im Einvernehmen mit dem Senat zu imple-
mentiertes neues Management- und Führungskonzept soll diese
Untersetzung in der nächsten Phase (nachdem der Bau und die
Geräte 2020 zur Verfügung stehen) weiter gestützt werden.
Die begonnene Zusammenarbeit mit den außeruniversitä-
ren Forschungseinrichtungen soll mit dem Ziel einer stärkeren
Verflechtung fortgesetzt werden. Der Forschungsstandort Frei-
berg soll durch Ansiedlung eines Fraunhofer Instituts und/oder
Leibniz Instituts gestärkt werden.
c. Personalentwicklung
Die begonnene Entwicklung, mehr Frauen im wissenschaft-
lichen Personal zu beschäftigen und diese Stellen möglichst zu
verdauern, soll fortgeführt werden. Damit gewinnen wir ein bis-
her nicht ausgeschöpftes Potenzial hinzu. Neue Flexibilisierung

ACAMONTA – 27 (2020): Ressourcenuniversität TU Bergakademie Freiberg
8
Rektorat
der Arbeitszeit als auch der Möglichkeit der mobilen Arbeit
können hier unterstützend wirken und sollen erprobt werden.
Es ist gelungen, in die Koalitionsvereinbarung der neuen Säch-
sischen Staatsregierung den Punkt „Entfristung auch für drittmit-
telfinanzierte MitarbeiterInnen“ als Ziel hineinzuschreiben. Die
TU Bergakademie Freiberg muss eine möglichst hohe Quote der
Entfristung (30 bis 40 Prozent) anstreben, denn die Forschung
beruht zunehmend auf der Qualifikation vorhandener langjährig
befristet eingestellter MitarbeiterInnen und deren Kenntnisse
im Umgang mit hochkomplexen Forschungseinrichtungen.
Die vertrauensvolle Zusammenarbeit mit dem Personalrat
zur Weiterentwicklung der Personalentwicklungskonzepte wird
fortgesetzt und dabei der Schwerpunkt der familiengerechten
Hochschule beachtet.
Die Dienstleistungsbereitschaft der MitarbeiterInnen der
zentralen Verwaltung soll durch eine mit den Dekanen der
Universität abgestimmte Evaluierungsordnung für die Verwal-
tung weiter erhöht werden. Hierdurch sollen Innovations- und
Veränderungsbereitschaft der Verwaltung gestärkt werden.
Ein System eines Vorschlagswesens für Innovation in der
Verwaltung soll eingeführt werden und damit ein Anreiz für
die MitarbeiterInnen zu eigenen Ablaufanalysen und Verbes-
serungsvorschlägen geschaffen werden.
Die Universität als eine demokratische Organisation lebt von
der Selbstverantwortung ihrer Mitglieder. Eine von der Basis der
Fakultäten ausgehende Führungs- und Verantwortungsstruk-
tur wird die Leistungsfähigkeit der TU Bergakademie Freiberg
steigern. Es muss daher Ziel der Hochschulleitung bleiben, die
dezentralen Grundstrukturen zu stärken.
d. Regionale Wirksamkeit
Das Maßnahmenkonzept zur Erhöhung der regionalen Wirk-
samkeit ist weiter umzusetzen. Dabei stehen die Zusammenarbeit
mit regionalen Partnern in Wirtschaft, Bildung und Wissenschaft
sowie Gesellschaft und Kultur sowie die Schaffung eines at-
traktiven Umfelds für Studierende und MitarbeiterInnen der TU
Bergakademie Freiberg im Fokus. Innovative Ausgründungen
aus Forschungsergebnissen der Universität werden weiterhin
unterstützt und die dazu vorhandenen Mittel und Konzepte
den neuen Herausforderungen angepasst. Eine Verstärkung
der wissenschaftlichen Kommunikation in die regionale Be-
völkerung hinein ist weiter anzustreben.
e. Finanzierung
Die Verhandlungen zur Zuschussvereinbarung mit dem Frei-
staat Sachsen werden im nächsten Jahr in eine neue Runde gehen
müssen. Auch wenn die Zuschussvereinbarung zunächst bis
2025 gilt, werden Nachverhandlungen zu den tariflich bedingten
Mehrkosten zu führen sein. Auch hinsichtlich der Übernahme
neuer Aufgaben wird eine Nachfinanzierung erforderlich sein.
Darüber hinaus ist mit dem Freistaat Sachsen über die Kos-
tenübernahme eines neuen Ausschreibungsansatzes für ein
gemeinsames ERP System für die sächsischen Hochschulen zu
verhandeln und für die TU Bergakademie Freiberg der Fortgang
in diesem Prozess zu entscheiden.
Das Stiftungsvermögen der Universität konnte in den letzten
Jahren weiter gesteigert werden. Für den Zeitraum der nächsten
fünf Jahre ist eine weitere Steigerung um fünf Millionen Euro
anzustreben.
Die Bautätigkeit an der TU Bergakademie Freiberg ist trotz
der umfänglichen Investitionsmaßnahmen der letzten Jahre noch
nicht abgeschlossen. Weitere Sanierungen und Renovierungen
stehen an. In Zusammenarbeit mit der Stadt Freiberg sind Maß-
nahmen zu ergreifen, die Baugelände für die Bergakademie für
die nächsten Jahrzehnte sichern.
f. Politische Sichtbarkeit der TU Bergakademie Freiberg
Die erreichte Vernetzung der Hochschulleitung mit den
Entscheidungsträgern im Landtag des Freistaates Sachsen, im
SMWKT, BMBF, befreundeten Hochschulen und Forschungsein-
richtungen sowie mit Vertretern fremder Staaten durch z. B.
regelmäßige Parlamentarische Abende, Kommunikationstreffen
mit Botschaftern, Besuche und Einladungen sowie Einzelge-
spräche ist im Interesse der TU Bergakademie Freiberg weiter
zu verstärken.
Abschluss
Sehr geehrte Herren Staatsminister, meine sehr geehrten Damen
und Herren, wir sind in schwierigen Zeiten und müssen uns
neuen Herausforderungen stellen. Ich bin davon überzeugt, das
ist uns allen bewusst. Die Covid-19-Pandemie hat uns allen vor
Augen geführt, wie verletzlich eine vernetzte Welt ist und dass
wir Internationalität und Wissenschaft immer wieder neu denken
müssen. Hochkomplexe Systeme haben ihre großen Vorteile,
sind jedoch verletzlicher als weniger komplexe Systeme. Es
wäre dennoch falsch auf sie zu verzichten, sie tragen zu einer
lebenswerteren Welt bei.
In diesem Sinne: Glück auf für die gute Sache!

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ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen
9
Stiftungen
Warum neue Hartstoffe?
Hartstoffe stellen eine bedeutende Schlüsseltechnologie
für eine Vielzahl von High-Tec-Branchen u. a. im Bereich des
Maschinenbaus und des Bergbaus dar. Vor allem in der Metall-
und Keramikbearbeitung (Sägen, Schneiden, Bohren, Drehen,
Fräsen, Schleifen, Polieren) sowie der Rohstoffgewinnung,
-aufbereitung und -bearbeitung (Tiefbohren, Sägen, Brechen,
Mahlen, Meisseln) kommen in zahlreichen Prozessen Hartstoffe
zum Einsatz — überall da, wo Materialien möglichst lange und
möglichst schnell kontinuierlich bearbeitet werden müssen.
Die Hälfte der dabei eingesetzten Hartstoffe gehört zur Grup-
pe der Hartmetalle (insbesondere WC-Co) und ein Viertel sind
Schnellarbeitsstähle (HSS). Das verbleibende Viertel teilen sich
Keramiken, Cermets (Keramiken mit metallischem Binder), Di-
amant und kubisches Bornitrid (c-BN). Insbesondere die letzten
beiden Hartstoffe — die zwei härtesten bekannten Stoffe — werden
aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften für die Bearbei-
tung besonders harter und zäher Werkstoffe und in Gebieten,
in denen es auf eine hohe Präzision ankommt, eingesetzt.
Aber selbst diese Materialien haben ihre Grenzen: Diamant
verbrennt bei zu hohen Temperaturen bzw. wandelt sich in Graphit
um. Außerdem reagiert Diamant mit Eisen, weshalb er nicht für
die Bearbeitung eisenhaltiger Legierungen eingesetzt werden
kann. Diamant und c-BN werden in der Regel durch einen soge-
nannten Binder zu einem kompakten Körper zusammengefügt,
wobei diese metallischen oder keramischen Binderphasen den
Schwachpunkt des Werkstoffs darstellen und damit den Einsatz
insbesondere bezüglich der erreichten Härten und der maxima-
len Temperatur limitieren. Daneben wird in vielen Prozessen
ein immer höherer Anspruch an die Oberflächenqualität des
bearbeiteten Werkstücks gestellt, wobei die bisherigen zumeist
mikroskaligen Hartstoffe an ihre Grenzen kommen. Darüber
hinaus müssen selbst diese Hochleistungshartstoffe gekühlt
werden, um eine lange Standzeit des Werkzeugs zu gewähr-
leisten und ein vorzeitiges Versagen zu verhindern. Aufgrund
der Zusammensetzung der Kühlflüssigkeiten stellt dies einen
Neue nanostrukturierte Nitrid-Volumenhartstoffe –
Mit Hochdruck an neuen Materialien forschen!
– Die Dr. Erich-Krüger-Stiftung trägt weitere Früchte –
Kevin Keller
zusätzlichen nicht zu vernachlässigenden Umweltaspekt dar.
Ein weiterer Nachteil einer Vielzahl der derzeit eingesetz-
ten Hartstoffe ist, dass sie oftmals die kritischen Rohstoffe
1
Wolfram und Kobalt enthalten. Insbesondere in den weit ver-
breiteten Hartmetallen, aber auch den metallisch gebundenen
Diamant-Hartstoffen (PKD), werden Wolfram und/oder Kobalt
eingesetzt.
2
Aufgrund des wirtschaftlichen Risikos hinsichtlich
der Verfügbarkeit der Rohstoffe, aber auch sozioökonomischer
und ethischer Gesichtspunkte (Kinderarbeit, Einsatz giftiger
und umweltschädlicher Chemikalien) wird eine Umstellung auf
Materialien, die auf kritische Rohstoffe verzichten, angestrebt.
An diesen Punkten setzt die BMBF-Nachwuchsforschergruppe
N
3
V an, mit dem Ziel neue Hartstoffe zu entwickeln, welche die
oben genannten Nachteile nicht besitzen und auf den Einsatz
kritischer Rohstoffe komplett verzichten können.
Das Freiberger Hochdruckforschungszentrum (FHP)
und die bisherige Hartstoff-Forschung
Die beiden Professoren Dr. Gerhard Heide (Institut für Mi-
neralogie) und Dr. Edwin Kroke (Institut für Anorganische
Chemie) forschen seit 2005 an der TU Bergakademie Freiberg
an Hochdruckverfahren mit der Entwicklung neuer Hartstoffe
als einem Schwerpunkt. Es wurden parallel zwei Hochdruck-
Labore aufgebaut: ein Labor für statische Experimente mit ei-
ner 1000-t-Hochdruckpresse sowie das Schockwellenlabor im
Forschungs- und Lehrbergwerk „Reiche Zeche“ für dynamische
Versuche
(Abbildung 1).
1 Rohstoffe, die von hoher ökonomischer Bedeutung sind, bei denen jedoch
kein freier und fairer Zugang auf dem Weltmarkt sowie keine dauerhafte
Versorgung aus Rohstoffquellen innerhalb Europas gegeben ist.
Quelle: Europäische Kommission, https://ec.europa.eu/growth/sectors/
raw-materials/specific-interest/critical_en
2 In 80 Prozent der eingesetzten Werkzeuge in der Metallzerspanung sind
kritische Rohstoffe enthalten. Der jährliche Verbrauch in der Metall- und
Gesteinsbearbeitung beträgt 28.000 t Wolfram und 6.000 t Kobalt. Quelle:
K. Brookes (2001)
„There‘s more to hard materials than tungsten carbide alo-
ne“,
Metal Powder Report 66 (2), S. 36–45
Abb. 1: Labore des Freiberger Hochdruckforschungszentrums (FHP). (a) 1000-t-Hochdruckpresse mit verschiedenen Modulen (Multi-anvil Walker-Modul und Toroid-Modul),
(b) Sprengkammer des untertägigen Schockwellenlabors, errichtet mit Mitteln der Dr.-Erich-Krüger-Stiftung

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ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen
10
Stiftungen
Das Freiberger Hochdruckforschungszentrum (FHP) hat sich
über die letzten 13 Jahre zu einer international angesehenen
Einrichtung der Hochdruckforschung entwickelt. Durch die
methodische Kombination von statischen und dynamischen
Versuchen konnten einzigartige Forschungsvoraussetzungen
geschaffen werden. Durch mehrere Anschlussprojekte und Ko-
operationen mit Firmen hat die Förderung des ursprünglichen
FHP durch die Dr.-Erich-Krüger- Stiftung auch heute noch eine
große Auswirkung. So führten nicht zuletzt die große Expertise
durch thematisch bezogene Projekte und die außergewöhnlichen
Forschungsbedingungen dazu, dass die BMBF-Nachwuchsfor-
schergruppe
Neue nanostrukturierte Nitrid-Volumenhartstoffe
(N
3
V), Laufzeit 2020–2025, durch Dr. Kevin Keller nach einem
mehrstufigen Bewerbungsprozess eingeworben werden konnte.
In den vielen Forschungsprojekten wurden verschiedene
Hochdruckphasen vor allem aus den Elementen Silicium, Alu-
minium, Sauerstoff und Stickstoff (Si-Al-O-N) synthetisiert und
untersucht. An der Herstellung kompakter Hartstoffkörper auf
der Basis von Diamant und c-BN wurde im EU-Forschungsprojekt
Flintstone2020
(Laufzeit 2016–2020) durch die Entwicklung ge-
eigneter keramischer Binder geforscht. Des weiteren wurde ein
besonders harter Werkstoff aus binderlos gesintertem kubischen
Bornitrid mit Nanostruktur (BNNC) entwickelt und in verschie-
denen Anwendungen getestet
(Abbildung 3).
Neue Versuchsmöglichkeiten mit Diamantstempelzellen
Im März dieses Jahres wurde Dr. Sindy Fuhrmann als neue
Juniorprofessorin an die TU Bergakademie Freiberg berufen. Sie
ist hier keine Unbekannte, hat sie doch bei Prof. Gerhard Heide
Mineralogie studiert und ist eine Freiberger Hochdruckforscherin
der ersten Stunde. Nun kommt sie nach einigen Jahren mit viel
Erfahrung im Bereich von Gläsern und amorphen Materialien
zurück nach Freiberg.
Gegenwärtig baut sie ein neues Labor auf, in dem mit Dia-
mantstempelzellen (DAC) extrem hohe Drücke erzeugt werden
können. Obwohl die Probenmengen — selbst im Vergleich zur
oben erwähnten 1000-t-Hochdruckpresse — geradezu winzig
sind (Mikrogramm-Bereich), bietet diese Methode den großen
Vorteil, dass eine Vielzahl an chemisch-physikalisch und struk-
turellen Untersuchungen der Materialien in situ durchgeführt
werden können. Hierdurch lassen sich Phasenumwandlungen
und strukturelle sowie Eigenschaftsänderungen „live“ verfolgen.
Mit dieser Methode wird das Portfolio des FHP stark erweitert:
Alle drei wichtigen Hochdruckforschungsmethoden — großvo-
lumige Pressen, In-situ-Untersuchungen in Diamantstempel-
zellen und dynamische Versuche mit Schockwellen — können
so durchgeführt werden. Damit erlangt Freiberg ein weiteres
Alleinstellungsmerkmal in der Hochdruckforschung.
In einer Reihe von Projekten wurden gemeinsam mit Kollegen
anderer Institute und Fachrichtungen neue Materialien mittels
Hochdrucksynthesen hergestellt, charakterisiert und getestet.
Der Einsatz hoher Drücke (> 1 GPa = 10.000 bar) und hoher
Temperaturen führt bei vielen Stoffen zu einer strukturellen
Umwandlung und damit zur Veränderung der makroskopischen
Eigenschaften. Durch die dichtere Neuanordnung der Atome und
Moleküle können stärkere chemische Bindungen entstehen und
damit härtere Phasen hergestellt werden. So ist es z. B. auch bei
Diamant, dem härtesten bekannten Material (Mohs-Härte 10).
Chemisch gesehen ist der Diamant nur Kohlenstoff — wie auch
das viel weichere Ausgangsmaterial Graphit (Mohs-Härte 1),
das für Bleistiftminen eingesetzt wird. Durch den Einsatz hoher
Drücke (> 13 GPa) und Temperaturen (> 3000 °C) werden die
Kohlenstoffatome des Graphits dazu gezwungen, neue Bindungen
auszubilden, was beispielsweise in einer höheren Dichte und
der extremen Härtesteigerung resultiert.
Einen besonderen Aufwind bekam die Hochdruckforschung
in Freiberg im Jahr 2006 durch die Ausschreibung des ersten
Dr.-Erich-Krüger-Forschungskollegs. Acht Professoren aus vier
Fakultäten stellten ihre Idee zur Entwicklung neuer Materialien
für Tiefbohrungen vor und konnten sich damit gegen die anderen
Vorschläge durchsetzen: das Freiberger Hochdruckforschungs-
zentrum (FHP) war geboren
(Abbildung 2).
Das über sechs Jahre
laufende Projekt (2007–2012) brachte die Wissenschaftler eng
zusammen, um entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu
forschen — angefangen von der Simulation neuer Materialien
(Theoretische Physik), der Synthese und Verdichtung neuer
Materialien (Anorganische Chemie, Mineralogie und Werk-
stoffwissenschaften), der Untersuchung von Struktur-Eigen-
schaftskorrelationen (Werkstoffwissenschaften), dem Test der
Materialien unter extremen Bedingungen (Werkstofftechnik),
der Untersuchung der Prozesse bei der Gesteinsbearbeitung
(Geotechnik), bis hin zum Prototypenbau (Bohrtechnik und
Fluidbergbau). Die Ergebnisse des Projekts waren so vielver-
sprechend, dass ausgewählte Themen in einem Transferprojekt
(2012–2015) weitergeführt wurden. Auch der durch das Projekt
finanzierte Bau des untertägigen Schockwellenlabors, das 2011
in Betrieb genommen werden konnte, ermöglicht neue Dimen-
sionen von Versuchen und schafft damit in der Forschungs-
landschaft einzigartige Bedingungen, neue Materialien durch
Sprengstoffdetonation zu erzeugen. Das Plattieren, Delaminieren,
Sintern, Umformen und auch das Testen sind dadurch ebenso
möglich geworden wie auch die Synthese von Phasen, wie sie
beispielsweise im unteren Erdmantel auftreten.
Abb. 2: Beteiligte Professoren bei der Gründung des Freiberger Hochdruckforschungs-
zentrum (v.l.): Edwin Kroke, Gerhard Heide, Hans-Jürgen Seifert, Matthias Reich,
David Rafaja, Jens Kortus, Lutz Krüger und Heinz Konietzky
Abb. 3: Aus dem am FHP entwickelten Hartstoff BNNC (binderlos gesinterter Bornitrid-
Nanokomposit) hergestellte Prototypen. (a) Wendeschneidplatte zur spanenden Metall-
bearbeitung, (b) Werkzeug zum Drahtziehen mit Ziehstein aus BNNC

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ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen
11
N
3
V – Ziele und Lösungsansatz
In der Nachwuchsforschergruppe N
3
V sollen nun anknüpfend
an die Vorarbeiten neue Hartstoffe mit verbesserter Performance
im Vergleich zu den heute üblichen Materialien entwickelt wer-
den. Die neuen Materialien sollen eine hohe Härte und Zähigkeit
bei gleichzeitig erhöhter thermischer und chemischer Stabilität
besitzen. Dadurch können längere Werkzeugstandzeiten und
bessere Oberflächenqualitäten der zu bearbeitenden Werkstücke
erreicht werden. In einigen Anwendungen soll auf den Einsatz
von Kühlmitteln vollständig verzichtet werden. Insbesondere
die beiden besonders harten Materialien Diamant und mik-
rokristallines c-BN sollen damit in bekannten Anwendungen
substituiert und neue Anwendungsfelder erschlossen werden.
Ein Ziel ist dabei, auf den Einsatz von kritischen Rohstoffen
komplett zu verzichten. Ein besonderer Fokus liegt in dem Projekt
auf der Verdichtung der Hartstoffpulver zu kompakten nano-
strukturierten Körpern, um daraus Werkzeuge verschiedener
Geometrien herzustellen.
Der Lösungsansatz für die Entwicklung neuer Hartstoffe
im Rahmen dieses Vorhabens besteht in der Kombination von
geeigneten Materialien, die eine besondere Mikrostruktur aufwei-
sen und durch Anwendung verschiedener Hochdruck-Verfahren
hergestellt werden können
(Abbildung 4).
Abb. 4: Lösungsansatz zur Entwicklung und Herstellung neuer nanostrukturierter
Nitrid- Volumenhartstoffe
Materialien für die neuen Hartstoffe
Als neue Hartstoffe sollen zum einen Materialien im System
Si-Al-O-N eingesetzt werden. In diesem System sind eine Vielzahl
an Hochdruckphasen bekannt, die bereits erfolgreich mit den
unterschiedlichen Hochdruck-Synthesemethoden hergestellt
wurden.
3
Das kubische Siliciumnitrid in der Spinellstruktur
(
γ
-Si
3
N
4
) zeichnet sich durch eine hohe Härte (34 GPa) und
außerordentliche thermische Stabilität (> 1400 °C) aus.
4
Die im
Jahr 1999 entdeckte Substanz kann inzwischen in hoher Reinheit
mittels statischer Synthese und Schockwellensynthese hergestellt
werden. Strukturell sehr ähnlich sind die
γ
-Sialone. Bei diesen
Verbindungen wird ein Teil der Silicium- und Stickstoffplätze im
3 T. Schlothauer et al. (2012) „Shock Wave Synthesis of Oxygen-bearing
Spinel-type Silicon Nitride
γ
-Si
3
(O,N)
4
in the Pressure Range from 30 to 72
GPa with High Purity“, in: Minerals as Advanced Materials II, Hrsg. S. V.
Krivovichev, Springer Berlin/Heidelberg, S. 389-401; K. Keller et al. (2012)
„Shock Wave Synthesis of Aluminium Nitride with Rocksalt Structure“,
High Pressure Research 32(1), S. 23–29.
4 M. R. Schwarz (2003) „High Pressure Synthesis of Novel Hard Materials:
Spinel-Si
3
N
4
and Derivatives“ Dissertation, TU Darmstadt.
Gitter mit Aluminium und Sauerstoff substituiert. Ein weiteres
sehr interessantes Material ist die Hochdruckphase des Alu-
miniumnitrids in der Kochsalzstruktur (rs-AlN). Im Jahr 2010
konnte dieses Material erstmals durch Schockwellenmethoden
hergestellt werden. Neben einer hohen Härte (ca. 30 GPa) besitzt
es eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass durch passive Kühlung
ein Großteil der bei Bearbeitungsprozessen entstehenden Wärme
abtransportiert werden kann.
5
Das zweite Materialsystem sind Bor-Stickstoffverbindungen
(Bornitrid) und hier besonders Mischungen aus kubischem Bor-
nitrid (c-BN) mit wurtzitischem Bornitrid (w-BN). Beide Phasen
sind mit einer Härte von 50 GPa bzw. 40 GPa sehr hart. Es konnte
gezeigt werden, dass durch die Kombination der verschiedenen
Phasen sowie das gezielte Einstellen des Mikrogefüges besonders
harte und zähe Werkstoffe erzeugt werden können.
6
Insbeson-
dere die Schockwellensynthese eignet sich, um eine Mischung
der beiden Phasen herzustellen, während bei der alternativen
statischen Synthese fast ausschließlich c-BN entsteht.
Struktur der neuen Hartstoffe
Die Mikrostruktur der neuen Hartstoffe wird gezielt einge-
stellt und ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
1. Die zu entwickelnden Werkstoffe werden durch binderfreies
Kompaktieren der Hartstoffpulver hergestellt. Damit werden die
Eigenschaften des Werkstoffs nicht mehr durch die Binderphase
limitiert, sondern lediglich durch die Anordnung und Haftung der
einzelnen Hartstoffkörner. Damit sollen höhere Härten, Warm-
härten und Temperaturstabilitäten erreicht werden.
2. Das Gefüge der neuen Werkstoffe ist nanoskalig, d. h. die
Größe der einzelnen Körner beträgt wenige bis zu 100 Nanome-
ter. Um das Kornwachstum zu verhindern, ist dafür der Einsatz
besonders feiner Ausgangsstoffe und ein besonders rasches
Kompaktieren nötig. Durch die Nanostruktur können Eigen-
schaften verbessert (größere Härte) und eine höhere Präzision
bei der Bearbeitung von Materialien erreicht werden.
3. Durch gezieltes Modifizieren des Gefüges und der Er-
zeugung von Defektstrukturen (Defekt-Engineering) durch
Einbringen von Fremdphasen, der Bildung (semi)kohärenter
Phasengrenzen und modulierter Nanostrukturen (wellenförmige
Gefügeänderungen durch Entmischung) soll Versetzungsgleiten
minimiert und damit die Härte positiv beeinflusst werden.
7
Verfahren zur Herstellung der neuen Hartstoffe
Die Herstellung von Pulvern und kompaktierten Werkstoffen
mit den oben genannten Mikrostrukturmerkmalen wird erst
durch die sinnvolle Kombination verschiedener Hochdruck-
Hochtemperatur-Prozesse möglich
(Abbildung 5):
1. Schocksynthesen von nanoskaligen Pulvern werden mittels
der sogenannten
flyer-plate-
und auch der
flyer-tube-Methode
durchgeführt. Hierbei wirken durch die Kollision einer durch
die Sprengstoffdetonation beschleunigten Flugplatte mit dem
Probenhalter im Probeninneren Drücke bis über 100 Gigapas-
cal (1.000.000 bar) und Temperaturen bis über 5.000 °C. Dabei
5 H. Vollstädt und H. Recht (1991) „Verfahren zur Herstellung von kubi-
schem Aluminiumnitrid“ Patent DD292903A5; K. Keller (2013) „Schock-
wellensynthese und Charakterisierung von Aluminiumnitrid mit Kochsalz-
struktur“, Dissertation, TU Bergakademie Freiberg.
6 D. Rafaja et al. (2008) „Synthesis, microstructure and hardness of bulk
ultrahard BN nanocomposites“ ,J. Mater. Res. 23(4), S. 981–993.
7 D. Rafaja et al. (2012) „Interface Phenomena in (Super)hard Nitride Nano-
composites from Coatings to Bulk Materials“, Chem. Soc. Rev. 41, S. 5081–
8101.
STRUKTUR
MATERIAL
VERFAHREN
Anorganische
Chemie
Mineralogie
Materialwissenschaft
Binderfrei
Nano
Defekte
HP-SiAlONe
cBN/wBN
Schocksynthese
Schockverdichten
Hochdrucksintern
In-situ Hochdrucksintern/-synthese

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ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen
12
Stiftungen
wandelt sich das Ausgangsmaterial in die Hochdruckphase in-
nerhalb von einer Mikrosekunde um. Durch ein Upscaling soll
über eine zylinderförmige Versuchsanordnung
(flyer-tube)
die
Synthese von bis zu 50 Gramm Pulver pro Schuss ermöglicht
werden.
2. Durch Hochdrucksintern mit einer Vielstempel-Presse
(engl. multi anvil press) werden die Pulver binderfrei verdich-
tet. Über ein spezielles Modul mit acht Würfeln wird die Kraft
der uniaxialen 1000 t-Presse auf eine in der oktaederförmigen
Hochdruckzelle befindlichen Pulverprobe übertragen und erzeugt
dabei Drücke bis 15 Gigapascal (150.000 bar). Ein spezielles
Heizelement (z. B. aus Graphit oder Metallfolie) erzeugt durch
Stromdurchfluss eine Probentemperatur bis ca. 2.500 °C. Unter
diesen Bedingungen sintern die Körner zu einer kompakten
Masse zusammen. Durch Aufrechterhaltung des Drucks muss
eine spontane Rückumwandlung der metastabilen Hochdruck-
phase in die Normalmodifikation verhindert werden.
3. Eine weitere Methode zur Herstellung dichter, bindermit-
telfreier Körper ist das Schockkompaktieren. Hier kommt es
wie auch bei der Schocksynthese durch Sprengstoffdetonation
zur Erzeugung extrem hoher Drücke und Temperaturen und
damit zur Bildung eines festen Werkstoffs. Diese Methode wur-
de bisher nur für Metalle erfolgreich angewendet und soll nun
auch für die untersuchten Hartstoffpulver entwickelt werden.
Der Vorteil dieser Methode gegenüber dem Hochdrucksintern
ist, dass sehr große Körper hergestellt werden können. Da diese
Methoden nur wenige Mikrosekunden dauern, kommt es zu
nahezu keinem Kornwachstum, sodass ein sehr feinkörniges
(nanoskaliges) Gefüge entsteht.
4. Eine weitere statische Methode vereint die Synthese und
Verdichtung der Hartstoffpulver in einem Schritt. Dafür soll
ebenfalls die 1000-t-Vielstempel-Presse zum Einsatz kommen.
Arbeitsgruppe und Ablauf
Seit April 2020 forscht die interdisziplinäre Gruppe von N
3
V
(Mineralogen, Chemiker, Materialwissenschaftler) an den neuen
Materialien. Im Herbst diesen Jahres wird der erste Doktorand mit
der Verdichtung der Hartstoffpulver mit der 1000-t-Hochdruck-
presse beginnen. Ein zweiter Doktorand wird einige Zeit später
die verdichteten Probenkörper hinsichtlich ihrer Mikrostruktur
detailliert untersuchen und durch gezieltes Struktur-Design
und Anpassung der Herstellungsmethoden die Eigenschaften
noch weiter optimieren.
Begleitet wird das Projekt durch sieben Firmen aus den Be-
reichen Testen, Synthese und Werkzeugherstellung während
der gesamten Projektlaufzeit von fünf Jahren in einem industri-
ellen Beirat. Durch fachliche Beratung und die Herstellung von
Werkzeugprototypen aus eigenen Proben, die dann bei Partnern
realitätsnah getestet werden, soll ein hoher Anwendungsbezug
hergestellt werden. Bei vielversprechenden Ergebnissen kön-
nen die neuen Hartstoffe — zunächst in Kleinserie — produziert
werden. Ein Upscaling der Produktion der Hartstoffpulver in
den industriellen Maßstab durch Schocksynthesen ist ebenso
geplant. Dazu wird ein zylindrischer Versuchsaufbau
(flyer-tube)
entwickelt und getestet.
Danksagung
Der Autor dankt der dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
für die Förderung der Nachwuchsforschergruppe „N
3
V“ im Rahmen des Nachwuchs-
wettbewerb NanoMatFutur. Ein herzlicher Dank gebührt der Dr. Erich-Krüger-
Stiftung für die Finanzierung des 1. Graduiertenkollegs „FHP“ (2007–2012) und
des Transferprojekts „FHP Phase 2“ (2012–2015). Durch die großzügige Förde-
rung konnte die Forschung an neuen Materialien über viele Jahre sowie der Bau des
Schockwellenlabors ermöglicht werden.
Außerdem wird der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung der
Grundlagenforschung im Bereich der Hochdruckverfahren und neuen Materialien
(Großgeräteförderung für die MAP, SPP1181, SPP1236 und FOR 2125) gedankt.
Weiterer Dank für die Förderung von Forschungsprojekten gilt: EU und SMWK
(Landesexzellenzinitiative „ADDE“), Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
(ZIM-Projekt „BNNC als Schneidwerkstoff“, SIGNO-Patentverwertung „Sinterkör-
per aus rs-AlN“) und der Europäischen Union (Horizon2020 „Flintstone2020 – Non-
CRM materials and solutions“).
Die Mitglieder des FHP danken Frau Dr. Erika Krüger ganz besonders herzlich für ihr
stetiges und wohlwollendes Interesse an unseren Arbeiten.
Förderhinweis
Das Vorhaben wird aus Mitteln des Bundes-
ministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF) im Rahmenprogramm „Vom Material
zur Innovation“ gefördert.
(Förderkennzeichen 03XP0262)
tu-freiberg.de/bmbf-nachwuchsforschergruppe-n3v
Kontaktadresse:
Dr. Kevin Keller, Freiberger Hochdruckforschungszentrum (FHP),
Institut für Mineralogie, Brennhausgasse 14, 09599 Freiberg
Presswürfel
Hochdruckzelle
mit Probenkörper
Treibladung
Flugplatte (flyer plate)
Probenpulver
Zünder
Abb. 5: Prinzipskizze der
eingesetzten Hochdruckverfahren
zur Synthese und Verdichtung.
(a) Vielstempelpresse (MAP) zur
Verdichtung und Direktsynthese
neuer Hartstoffe
(b) Flyer-plate (FP) Methode zur
Schocksynthese von Hochdruck-
phasen

ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen
13
Das Stiftungswesen an unserer TU Bergakademie
Freiberg ist mannigfaltig. Im Mittelpunkt dieses
Artikels steht die o. g. Stiftung, die kein statisches
Konstrukt ist, sondern sich seit ihrer Gründung
im Jahr 2002 kontinuierlich weiterentwickelt.
So kam es zuletzt zur Gründung
gleich zweier neuer Stiftungsfonds in-
nerhalb dieser Stiftung, so dass in ihren
Gesamtkorpus nunmehr neun Einzelfonds
eingegliedert sind. Dazu gehören der „Her-
mann Spamer-Stiftungsfonds“ (2005), der
„SolarWorld-Stiftungsfonds für Forschung
und Lehre“ (2007), der Stiftungsfonds „Ur-
sula und Prof. Dr. Wolf-Dieter Schneider“
(2007), der „FME-Stiftungsfonds“ (2008)
sowie der „Bergbau-Institutsfonds“. Neu-
gegründet wurden im Oktober 2017 der
„Christian Grosse Stiftungsfonds für die
Forschung“ und im Oktober 2019 der
„Christa und Dr.- Ing. Peter Letz Stiftungs-
fonds für das Gießereiwesen“.
Gründer des „Christian Grosse Stif-
tungsfonds für die Forschung“ ist Herr
Alfred Christian Grosse. Durch Errich-
tung dieses Fonds möchte Herr Grosse,
der als Unterstützer und Förderer unse-
rer Universität bereits bekannt war, die
wissenschaftliche Lehre und Forschung
an der Bergakademie stärken und zum
Erwerb von Gerätschaften, Werkstoffen
sowie Lehr-, Labor- und Forschungsma-
terialien finanziell beitragen.
Auch der von Herrn Peter Letz ge-
gründete „Christa und Dr.-Ing. Peter
Letz Stiftungsfonds für das Gießereiwe-
sen“ fördert die wissenschaftliche Lehre
und Forschung an unserer Bergakademie,
konkret am Gießerei-Institut.
Parallel zur Zielsetzung der einzelnen
Fonds dient auch die Gesamtstiftung „TU
Bergakademie Freiberg“ der Förderung
von Lehre und Forschung an unserer
Universität. Dies bedeutet aber nicht
nur Förderung der Forschung, sondern
auch der Wissenschaft generell wie auch
der Bildung, der Erziehung und der Stu-
dentenhilfe. So unterstützen die Stiftung
TU Bergakademie Freiberg und die ihr
zugehörigen Einzelfonds gemeinsam Stu-
dierende, diverse Projekte, Institute und
Fakultäten der Bergakademie. Zudem wer-
den mehrere Preise und Auszeichnungen,
die die Bergakademie vergibt, durch die
Stiftung finanziell unterstützt, so etwa
der „Ferdinand-Reich-Preis“ für besondere
Leistungen in Studium und Forschung,
ausgelobt durch die Fakultät für Chemie
und Physik, der „Helmut-Härtig-Preis“ für
besondere Leistungen auf wissenschaft-
lich-technischem oder ökonomischem
Gebiet, ausgeschrieben vom Institut für
Bergbau und Spezialtiefbau sowie der
„Prof. Eckart Flemming–Preis“ für eine
exzellente Diplom-/Master-Arbeit auf den
Gebieten des Gießereiwesens, der Werk-
stofftechnik, der Fertigungsverfahren,
des Maschinenbaus oder des Marketings.
Hinzu kommt die Förderung Studierender
durch jährliche Finanzierung mehrerer
Deutschland-Stipendien. Im Jahr 2019
wurde zudem der Austausch einer Grup-
pe Studierender der Industriearchäologie
und Industriekultur aus dem Institut für
Industriearchäologie, Wissenschafts- und
Technikgeschichte mit der Universität in
Madrid finanziell unterstützt.
Darüber hinaus unterstützt die Stif-
tung das Racetech Racing-Team der
Bergakademie finanziell. Das als Verein
organisierte Racetech Racing-Team ist ein
Zusammenschluss von derzeit über 50 Stu-
dierenden der Bergakademie aus verschie-
denen Studiengängen. Sie eint das Ziel des
eigenverantwortlichen, gemeinsamen und
nicht zuletzt erfolgreichen studentischen
Rennwagenbaus. Die persönliche Weiter-
entwicklung eines jeden Teammitglieds
steht dabei im Vordergrund. Die Akqui-
se von Geldern, die Konstruktion, der
Bau und die Präsentation der jeweils ins
Rennen geschickten Modelle liegen dabei
in der Hand der Vereinsmitglieder. Mit
ihren selbstentwickelten und -gebauten
Rennwagen nimmt das Racetech Racing-
Team regelmäßig an Rennen des inter-
nationalen studentischen Wettbewerbs
„Formula Student“ teil und platziert sich
oftmals auf vorderen Rängen. Aber nicht
nur die gegenwärtig an der Bergakademie
Studierenden gehören zum geförderten
Personenkreis. Auch das jüngere „Pub-
likum“ der Bergakademie Freiberg wird
im Rahmen der jährlich durchgeführten
Kinder- und Junioruniversität durch die
Stiftung gefördert. Hier können Kinder im
Alter zwischen 6 und 14 Jahren bereits ers-
te Erfahrungen und ein Grundwissen in
technischer und naturwissenschaftlicher
Richtung sammeln. Für die Kinder und
ihre Eltern wird jedes Jahr ein spannendes
Programm mit kindergerechten Vorlesun-
gen und Experimenten vorbereitet. Die
jeweils jüngste Teilnehmerin der Kinde-
runiversität erhält einen vom „Hermann
Spamer Stiftungsfonds“ finanzierten
Büchergutschein.
Neben der Stiftung „TU Bergakademie
Freiberg“ haben sich in den Jahren 2019
und 2020 zwei weitere Stiftungen an der
Bergakademie etabliert. Die „Ursula und
Prof. Dr. Wolf-Dieter Schneider Stiftung“
wurde zusätzlich zum Stiftungsfonds „Ur-
sula und Prof. Dr. Wolf-Dieter Schneider“
im Juli 2019 von Prof. Dr.-Ing. Wolf-Dieter
Schneider errichtet. Diese Stiftung fokus-
siert auf anwendungsbezogene Wissen-
schaft und Forschung im Gießereiwesen.
Diese Zielsetzung wird insbesondere
durch Zuschüsse für die Anschaffung
technischer Einrichtungen, Geräte sowie
einschlägiger Literatur, durch Zuschüsse
zu einzelnen Projekten der praxisbezo-
genen Forschung und durch die Vergabe
von Stipendien verwirklicht. In Prof. Dr.-
Ing. Schneider hat die TU Bergakademie
Freiberg einen engagierten und bereits
langjährig aktiven Unterstützer gefunden,
der zudem Vorstandsmitglied des „VFF
der Bergakademie Freiberg“ ist und auch
selbst an der Bergakademie als Honorar-
professor gelehrt hat.
Im November 2019 wurde darüber
hinaus die Stiftung „Christian Grosse
Geschichtsbibliothek“ gegründet. Stif-
tungsgründer ist Herr Alfred Christian
Grosse. Sinn und Zweck der Stiftung ist die
Unterstützung von Lehre und Forschung
an der Freiberger TU durch Erhaltung,
Erwerb und Verfügbarkeit von wissen-
schaftlicher Literatur zur Geschichte, ins-
besondere zur sächsischen Geschichte, für
die Öffentlichkeit. Vor diesem Hintergrund
wird Herr Grosse der TU Bergakademie
Freiberg neben den finanziellen Mitteln
etwa 5.000 Bücher stiften.
Sowohl die „Ursula und Prof. Dr. Wolf-
Dieter Scheider Stiftung“ als auch die
Stiftung „Christian Grosse Geschichts-
bibliothek“ haben den Charakter un-
selbstständiger Stiftungen und stehen
in treuhänderischer Verwaltung der TU.
Durch konstruktive Zusammenarbeit in
den Vorständen der Stiftung, zu denen
natürlich auch die Stiftungsgründer selbst
gehören, konnten in der Vergangenheit
zahlreiche Projekte an der Bergakademie
unterstützt beziehungsweise auch künftig
gefördert werden.
Aktuelles zur Stiftung „TU Bergakademie Freiberg“
Marianna Klescinska, Ulrike Unger

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Stiftungen
14
ACAMONTA – 27 (2020): Stiftungen

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15
ACAMONTA 27 (2020) – Grundwasserressourcen im Licht des globalen Wandels
Die weiter zunehmende Weltbevölkerung in Ver-
bindung mit der wirtschaftlichen Entwicklung in
Schwellenländern und dem Klimawandel führt zu
einem verstärkten Nutzungsdruck auf die natür-
lichen Ressourcen der Erde. Dies hat signifikante
Auswirkungen auf die Grundwasservorkommen,
insbesondere in dicht besiedelten Trockenge-
bieten und Küstenzonen. Eine langfristige und
möglichst nachhaltige Nutzung dieser Lebens-
grundlage erfordert belastbare Prognosewerk-
zeuge und begleitende Monitoring-Technologien,
um Entscheidungsprozesse in Wirtschaft, Politik
und Gesellschaft qualifiziert zu unterstützen.
1
Globaler Wandel:
Globale Megatrends
wie die wachsende Weltbevölkerung,
die wirtschaftliche Entwicklung und
der Wohlstandszuwachs insbesondere
in Schwellenländern in Verbindung mit
der Globalisierung der Wertschöpfungs-
ketten und dem damit wachsenden Be-
darf an Rohstoffen und Energie sowie
der Klimawandel kennzeichnen schon
heute die Entwicklung in weiten Teilen
der Welt. Es ist davon auszugehen, dass
sie künftig noch stärkere Auswirkungen
haben werden. Insbesondere der unver-
änderte Bevölkerungszuwachs wird auch
weiterhin ein erhebliches Moment dieser
Entwicklung sein. Betrug der Zuwachs
der Weltbevölkerung zwischen den Jahren
800 und 1800 rd. 0,5 Mrd. Menschen und
zwischen den Jahren 1800 und 1950 rd. 1,5
Mrd. Menschen, so wird er von den Jahren
1950 bis 2100 auf rd. 8,5 Mrd. Menschen
prognostiziert
2
.
Diese Entwicklungen, die summarisch
auch als
global change
bezeichnet werden,
führen zu einem erheblichen Nutzungs-
druck auf natürliche Ressourcen. Dies gilt
insbesondere für die Grundwasserressour-
cen, dem weltweit größten verfügbaren
Süßwasserspeicher. Er ist die wichtigste
Grundlage der Trinkwasserversorgung
sowie in ariden und semiariden Gebie-
ten die wesentliche Quelle der Bewäs-
serungslandwirtschaft und damit der
Nahrungsversorgung. Die Begrenztheit
nutzbarer Wasservorkommen sowie die
ökonomischen, ökologischen und sozialen
Probleme, die daraus resultieren, sind uns
aus den ariden und semiariden Gebieten
1 Prof. Dr. Ralph Watzel
Präsident der Bundesanstalt für
Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
Stilleweg 2, 30655 Hannover
2 United Nations 2019
der Erde bekannt. Offen ist, wie sich die
Situation in den wasserreichen Regionen
künftig entwickeln wird.
Die Vereinten Nationen haben für eine
globale nachhaltige Entwicklung insge-
samt 17 Entwicklungsziele (Sustainable
Development Goals)
formuliert
3
. Min-
destens die Ziele
Zero Hunger
(2),
Clean
Water and Sanitation
(6) und
Responsible
Consumption and Production
(12) sind
unmittelbar mit der hinreichenden Ver-
fügbarkeit von Wasser verknüpft. Zu den
wesentlichen Zielen geowissenschaftlicher
Forschung und Entwicklung gehören in
diesem Kontext die Unterstützung von
Entscheidungsprozessen in Wirtschaft,
Politik und Gesellschaft, die Beratung auf
höchstmöglichem Niveau auf der Grund-
lage unvoreingenommener und belastba-
rer wissenschaftlicher Informationen, die
Entwicklung und Anwendung geeigneter
Prognosewerkzeuge und Monitoring-Tech-
nologien sowie die Zusammenarbeit in (in-
ter)nationalen Forschungskooperationen.
Blick auf den globalen Grundwasser-
haushalt:
Lediglich etwa drei Prozent des
Wassers auf der Erde ist Süßwasser. Es ver-
teilt sich zu rd. zwei Dritteln auf Gletscher
und polare Eiskappen und zu rund einem
Drittel auf Grundwasservorkommen. Der
Anteil des Oberflächenwassers in Seen,
Sümpfen und Flüssen ist demgegenüber
verschwindend gering. Rezente Wasser-
vorkommen werden im Wesentlichen aus
dem aktuellen Niederschlag gespeist.
Der weltweite Niederschlag lässt sich
auf ungefähr 110.000 km
3
/a abschätzen.
Berücksichtigt man den Wasserbedarf für
den Erhalt natürlicher Ökosysteme, für
anthropogene Ökosysteme, Regenfeldbau,
Weiden und Forstwirtschaft sowie den un-
zugänglichen oberirdischen Abfluss, so
verbleiben rund 13.000 km
3
/a; davon nutzt
der Mensch heute ungefähr 4.500 km
3
/a.
Dieses Wasser ist auf der Erdoberfläche
nicht gleich verteilt. Überschuss im Be-
reich der humiden Klimazonen kompen-
siert nicht Defizite in den Trockengebieten.
Die Anteile von Oberflächen- und Grund-
wasser an der Wassernutzung variieren
regional und saisonal.
Das Wasser wird zu rund 70 % in der
Landwirtschaft, zu 30 % in der Industrie
und zu 10 % in Haushalten, davon etwa 1 %
3 United Nations 2015
als Trinkwasser, genutzt. Eine physische
Wasserknappheit liegt in den Trockenge-
bieten der Erde vor. Davon zu unterschei-
den ist eine ökonomische Wasserknapp-
heit, definiert als die ökonomisch bedingte
Nutzungseinschränkung physikalisch
nutzbarer Wasservorkommen. Diese fin-
det sich im Wesentlichen in zentralafri-
kanischen Ländern sowie in Teilen von
Südamerika und Südostasien. Neben den
quantitativen Aspekten ist natürlich die
Grundwasserbeschaffenheit von Bedeu-
tung. Insbesondere in industrialisierten
Ländern und in Gebieten mit Intensiv-
landwirtschaft sowie in Trockengebieten
und Küstenzonen können bestimmte Kon-
zentrationen von Wasserinhaltsstoffen
die Nutzungsmöglichkeiten der Grund-
wasservorkommen stark einschränken
oder bei entsprechender Aufbereitung
kostenintensiv gestalten.
Das Volumen des Oberflächenwas-
sers lässt sich auf etwa 104.000 km
3
abschätzen. Bei einer Erneuerungsrate
von rund 39.000 km
3
/a ergibt dies eine
mittlere Verweilzeit von weniger als
drei Jahren. Demgegenüber steht ein
abgeschätztes Grundwasservolumen
von ungefähr 10.500.000 km
3
. Bei einer
Erneuerungsrate von rund 3.000 km
3
/a
ergibt sich eine mittlere Verweilzeit von
etwa 3.500 Jahren. Die Erneuerungsraten
definieren die Grenzen einer nachhaltigen
Ressourcenbewirtschaftung. Das verhält-
nismäßig große Volumen der Grundwas-
servorkommen bei gleichzeitig geringer
Erneuerungsrate kann eine scheinbare
Versorgungssicherheit vorspiegeln und die
Gefahr einer Übernutzung im Vergleich
zu den Oberflächengewässern deutlich
erhöhen.
Das
Gravity and Climate Experiment
(GRACE)
der NASA hat die regionale
Veränderung von Wasserspeicher welt-
weit erkundet
4
. Die Auswertungen zeigen
im Trend eine kontinuierliche Abnahme
des gespeicherten Grundwasservolumens
in den wichtigsten Aquifersystemen der
ariden und semiariden Gebiete der Welt
zwischen 2002 und 2016.
Küstenzonen und Trockengebiete:
Küstenzonen stellen im Hinblick auf die
Sicherung der künftigen Wasserversor-
gung eine besondere Herausforderung
4 Famiglietti 2014, Rodell et al. 2018
Grundwasserressourcen im Licht des globalen Wandels
Ralph Watzel
1

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Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
16
ACAMONTA 27 (2020) – Grundwasserressourcen im Licht des globalen Wandels
dar. Weltweit leben bereits heute etwa
zwei Mrd. Menschen in Küstenzonen,
insbesondere in Großstädten in Süd- und
Südostasien. Die Diskussion um den Mee-
resspiegelanstieg und Extremereignisse
wie der Tsunami im Jahr 2004 weisen
auf die Vulnerabilität von Küstenstädten
hin. Daneben vollzieht sich eine andere
Entwicklung oft und lange unbemerkt.
Intensive Grundwasserentnahmen, Ver-
minderung der Grundwasserneubildung
durch weitgehende Oberflächenversiege-
lung sowie hohe Auflast durch städtische
Bebauung in Verbindung mit setzungs-
empfindlichem Baugrund führen in zahl-
reichen Großstädten in Küstenzonen zu
einer deutlichen Subsidenz. Neben den
negativen Auswirkungen für die Infra-
struktur führen die Grundwasserentnah-
men zu einer Versalzung der küstennahen
Aquifere.
Mit Blick auf die Größe der betroffenen
Flächen stellt die Grundwassernutzung
in ariden und semiariden Gebieten die
größte Herausforderung dar. Die teilweise
sehr bedeutenden Grundwasservorkom-
men wurden überwiegend durch fossile
Neubildung während des Pleistozäns ge-
speist. Rezente Grundwasserneubildungs-
raten lassen sich in der Größenordnung
von 1–3 mm/a abschätzen. Aufgrund des
drängenden Bedarfs werden Grundwas-
servorkommen in ariden Gebieten deshalb
häufig nicht streng nachhaltig genutzt.
Durch eine kontinuierliche Grundwasser-
gewinnung über den Neubildungsraten in
Kombination mit zunehmendem Bedarf
aufgrund der Bevölkerungsentwicklung
zeigt sich die Herausforderung mit Blick
auf die künftige Entwicklung. Eine De-
tailbetrachtung für Jordanien
5
, eines der
wasserärmsten Länder der Welt, doku-
mentiert diese Entwicklung eindrücklich.
Ausblick:
Durch das weitere Bevölke-
rungswachstum, Anpassungen infolge
des Klimawandels und nicht nachhaltiger
Produktion in globalen Wertschöpfungs-
ketten (virtuelles Wasser) wird es einen
5 MWI and BGR 2019
deutlichen Zuwachs des globalen Was-
serbedarfs insbesondere in semiariden
Gebieten geben. Die Stellschrauben auf
der Dargebotsseite sind vielfältig: Ressour-
ceneffizienz in der Beregnungslandwirt-
schaft steigern, Nachernteverluste und
Verschwendung reduzieren, Bewusst-
sein steigern und Konsumgewohnhei-
ten anpassen sowie Wasserverluste in
der Infrastruktur reduzieren. Gleiches
gilt für das Dargebots-Management: an-
thropogener Rückhalt des oberirdischen
Abflusses in Trockengebieten über und
unter der Erdoberfläche, Regenwasser-
sammlung wo klimatisch bedingt möglich,
Fernwasserversorgung wo physikalisch,
wirtschaftlich und politisch realisierbar,
Abwasserrecycling und gezielte Anrei-
cherung im Untergrund und Meer- und
Brackwasserentsalzung.
Welche Stellschrauben in welchem
Umfang und in welchen Teilen der Welt
nutzbar sein werden, ist heute offen. Sie
beziehen sich jedoch im Wesentlichen auf
Maßnahmen und Prozesse die, zumindest
Abb. 1: Episodisch fließendes Rinnsal nach Starkregenereignis in der arabischen Wüste
Quelle: R. Watzel

image
17
ACAMONTA 27 (2020) – Grundwasserressourcen im Licht des globalen Wandels
auf der regionalen Betrachtungsebene,
quantifizierbar und damit prinzipiell
prognosefähig sind. Für die Auswirkun-
gen des Klimawandels im Hinblick auf
die räumliche und zeitliche Verteilung
der Grundwasserneubildung ist dies heute
nur mit Einschränkungen in Form von
Szenarien-Techniken möglich.
Trockengebiete, die in der Wasserver-
sorgung schon heute auf die Nutzung
fossiler Grundwässer angewiesen sind
und die einen deutlich steigenden Bedarf
für die Trinkwasserversorgung und die
Nahrungsmittelproduktion verzeichnen,
weisen den drängendsten Handlungsbe-
darf auf. Hier kann die strategische Explo-
ration tiefer Grundwasservorkommen in
Verbindung mit einer sorgsamen Nutzung
Zeit schaffen, um an den vorstehend auf-
geführten Stellschrauben dauerhaft und
erfolgreich zu drehen. Wichtig ist, dass
die Nutzung dieser sensiblen Grund-
wasservorkommen unter ganzheitlichen
Managementansätzen erfolgt. Zwingend
erforderlich hierfür sind qualifizierte
Prognosewerkzeuge, die auf belastba-
ren Daten sowie einem hinreichenden
Systemverständnis basieren und sach-
gerecht zur Anwendung kommen. Pro-
gnosen über das Aquiferverhalten unter
bestimmten Bewirtschaftungsszenarien
sind mit einem geeigneten Monitoring zu
begleiten, um Fehlentwicklung möglichst
früh erkennen und bestenfalls korrigieren
zu können.
Fazit:
Wir müssen erkennen und akzep-
tieren, dass die Menschheit in bestimm-
ten Teilen der Welt auf dem Weg ist mehr
Grundwasser zu nutzen als verfügbar sein
wird — auch deshalb, weil die Einschrän-
kungen der Oberflächenwassernutzung
häufig zu eine Übernutzung der Grund-
wasservorkommen führt. Grundwasser
wird mehr und mehr zum Schlüsselele-
ment nationaler und internationaler Was-
serversorgungen. Dies erfordert prioritär
das Bedienen der Stellschrauben auf der
Bedarfsseite, insbesondere bei der Nut-
zungseffizienz in der Landwirtschaft. In
Teilen der ariden und semiariden Gebiete
werden auf Dauer alle denkbaren Maßnah-
men auf der Bedarfs- und der Dargebots-
seite erforderlich sein, um die Grundwas-
sernutzung langfristig zu ermöglichen.
Sind diese Spielräume ausgereizt bleibt
die Meerwasserentsalzung als ultima ra-
tio. Um die Grundwasservorkommen in
Küstenzonen und (semi)ariden Gebieten
möglichst nachhaltig zu gestalten ist ein
qualifiziertes Grundwassermanagement
erforderlich. Dies muss auf einer umfas-
senden hydrogeologischen Exploration und
geeigneten Prognosetechniken aufsetzen.
Praktisch sind dabei in vielen Fällen noch
Defizite zu überkommen. Verfügbare In-
formationen über maßgebliche Grundwas-
servorkommen basieren oft auf groben
Annahmen und schwanken teilweise um
Größenordnungen. Grundwassermengen
und Grundwasserbeschaffenheit müssen
einem systematischen und qualifizierten
Monitoring unterworfen werden. Daten
müssen auch grenzüberschreitend trans-
parent und zugänglich sein.
Literatur
− MWI and BGR (Ministry of Water and Irrigati-
on; Bundesanstalt für Geowissenschaften und
Rohstoffe) 2019. Groundwater Resource Assess-
ment of Jordan 2017. Amman, Jordan
− J. S. Famiglietti 2014. The global groundwater
crisis. Nature Climate Change 4, 945-948(2014)
− M. Rodell, J. S. Famiglietti, D. N. Wiese, J. T.
Reager, H. K. Beaudoing, F.W. Landerer & M.-H.
Lo 2018. Emerging trends in global freshwater
availability. Nature 557, 651-659(2018)
− United Nations 2015. Sustainable Develop-
ment Goals — 17 Goals to Transform our World,
http://www.un.org/sustainabledevelopment/
sustainable-development-goals/
United
Nations
2019.
World
Population
Pros-
pects,
The
2019
Revision,
https://population.
un.org/wpp
Abb. 2: Wadi Arab im Nordwesten Jordaniens
Quelle: R. Watzel

image
Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
18
ACAMONTA 27 (2020) – Ein innovatives Erkennungs- und Abscheideverfahren für Mikroplastik
Die Professur für Strömungsmechanik und Strö-
mungsmaschinen und das Institut für Thermische
Verfahrenstechnik, Umwelt- und Naturstoff-
verfahrenstechnik wollen gemeinsam mit zwei
Industrieunternehmen in den nächsten zwei
Jahren eine neue Klärtechnologie zur selektiven
Entfernung von Mikroplastik aus Industrieab-
wasser entwickeln. Die Partner arbeiten hierfür
in einem gemeinsamen ZIM-Kooperationsprojekt
an einer neuartigen Flotationsanlage und einem
In-situ-Nachweisverfahren für Mikroplastik.
12
Eine Flotationsanlage besteht aus ei-
nem Reaktionsgefäß mit Zu- und Ablauf,
einer Belüftungseinheit, einer Dosierein-
heit für Chemikalien, einem Abstreifer,
einer Schwimmschicht und einem Aufnah-
mebecken für das abgetrennte Material.
Herkömmliche Flotationsverfahren eignen
sich allerdings nur bedingt zur Entfer-
nung von Mikroplastik aus dem Abwasser,
da die an den Belüftungsdüsen erzeugten
Blasen um ein Vielfaches größer sind als
die zu entfernenden Teilchen. Die Anlage-
rungswahrscheinlichkeit eines Teilchens
an eine Blase ist dadurch sehr gering und
das Verfahren somit ineffizient. Bei der
rein physikalischen Druckentspannungs-
flotation werden Blasen direkt an den
Mikroplastikteilchen erzeugt, allerdings
müssen dabei teilweise sehr große Kapil-
larspannungen überwunden werden. Die
hierfür notwendigen sehr hohen Drücke
machen auch dieses Verfahren energetisch
ungünstig.
Der innovative Projektansatz beim Flo-
tationsverfahren beruht auf der chemisch
induzierten Blasenbildung direkt auf der
Oberfläche der Mikroplastikteilchen,
Abbil-
dung 1.
Dem Abwasser wird Wasserstoff-
peroxid (H
2
O
2
) zugesetzt, das direkt an
der Oberfläche zu Wasser und Sauerstoff
zerfällt. Für diese Zerfallsreaktion wird
noch ein Katalysator benötigt, beispiels-
weise Natriumhydroxid (NaOH). Der in
der Zerfallsreaktion freigesetzte Sauerstoff
aktiviert und vergrößert Nanobläschen,
die an der Oberfläche der rauen Mikroplas-
tikteilchen anhaften. Die anwachsenden
Blasen führen dann zu einer wesentli-
chen Erhöhung der Auftriebskräfte der
Teilchen-Blase-Cluster. Die Cluster steigen
zur Wasseroberfläche auf, wo sie aufge-
fangen und aus der Flüssigkeit entfernt
werden können. Um die Blasenbildung an
1 Institut für Mechanik und Fluiddynamik
2 Institut für Thermische Verfahrenstechnik,
Naturstoff- und Umweltverfahrenstechnik
den Mikroplastikteilchen zu verstärken,
können auch physikalische Methoden wie
etwa das Druckentspannungsverfahren
zur Beschleunigung der Blasenbildung
und somit zur Beschleunigung des Flota-
tionsprozesses eingesetzt werden.
Voruntersuchungen im Kleinstmaßstab
haben gezeigt, dass mit der beschriebe-
nen Zerfallsreaktion die Blasenbildung
auf Mikroplastikteilchen induziert werden
kann, die wenige Mikrometer bis zu eini-
gen Millimetern groß sind, Abbildung 2.
Daher erwarten die Projektpartner, dass
mit dem Verfahren auch die als besonders
problematisch betrachteten, sehr kleinen
Mikroplastikteilchen mit Größen von we-
nigen Mikrometern aus dem Abwasser
entfernt werden können.
Die Idee zu diesem neuen Abschei-
deverfahren kam den Wissenschaftlern
durch Beobachtungen im Rahmen des Son-
derforschungsbereichs 920. Dort führt ein
ähnlicher Prozess, die reaktive Bildung
von CO-Blasen, zu einer verstärkten Ent-
fernung von nichtmetallischen Einschlüs-
sen aus Stahlschmelzen.
Im Projekt werden die einzelnen
Prozessschritte zunächst an einer Reini-
gungsstrecke im Labormaßstab im De-
tail untersucht. Hierfür wird an der TU
Bergakademie Freiberg eine Laboranlage
mit einem zu reinigenden Wasservolu-
menstrom von bis zu 50 Litern pro Stun-
de installiert. In die Reinigungsstrecke
werden die verschiedenen zu erproben-
den Komponenten, wie etwa Düsen zur
Chemikalienzufuhr und Abräumer zur
Schaumabnahme, integriert. Das Ziel
der Vorstudien an der Laboranlage ist
die Erforschung der Eignung und Güte
der eingesetzten Materialien, der genutz-
ten Chemikalie Wasserstoffperoxid sowie
der gewählten Prozessparameter. In den
Laborversuchen wird Trinkwasser mit
künstlich zugefügter Mikroplastikkon-
tamination als Modellabwasser genutzt.
An der Laboranlage sollen die rele-
vanten Parameter wie Trennungsgrenze,
Volumen, Einwirkzeit und Absetzzeiträu-
me nach der Flotation überprüft werden,
um die getroffenen Einstellungen zu va-
lidieren und die Qualität der reaktiven
Reinigungsstufe und des innovativen
Flotationsverfahrens zu bewerten.
Parallel zu den Experimenten wird
der Prozess in der Reinigungsstrecke
auch mit Computational Fluid Dynamics
(kurz CFD) untersucht. Das CFD-Modell
bildet die komplette Wasserströmung, die
Bewegung der Mikroplastikpartikel im
Wasser, den Transport und Zerfall von
Wasserstoffperoxid in der Strömung, so-
wie die Blasenbildung und die Flotation
der Mikroplastikteilchen ab. Die Simulatio-
nen liefern ergänzende Informationen über
das Anlagenverhalten, insbesondere über
die Wirksamkeit des Flotationsprozesses
in der Reinigungsstrecke.
Die aus experimentellen und nume-
rischen Untersuchungen gewonnenen
Erkenntnisse werden zur Vorbereitung
des Anlagen-Scale-Ups genutzt, bei der die
Laboranlage auf eine Anlage im Industrie-
maßstab mit Wasservolumenströmen von
bis zu 1.000 Litern pro Stunde überführt
wird. Die auf den Industriemaßstab hoch-
skalierte Anlage wird anschließend in eine
geeignete Abwasseraufbereitungsanlage
integriert. Der Anlagenbetrieb und die
Probenahme sollen automatisiert erfolgen,
Ein innovatives Erkennungs- und Abscheideverfahren für Mikroplastik
Rüdiger Schwarze
1
, Emanuel Thom
1
, Martin Heinrich
1
, Miriam Willger
2
, Andreas Bräuer
2
Abb. 1: Funktionsweise des Verfahrens: Dem Abwasser wird Wasserstoffperoxid (H
2
O
2
) zugesetzt. Dieses zerfällt am
Mikroplastikteilchen neben Wasser zu Sauerstoff, der sich als Blase am Teilchen ansammelt. Aufgrund der erhöhten
Auftriebskraft steigt der Teilchen-Blase-Cluster auf.

image
image
image
19
ACAMONTA 27 (2020) – Organisch modifizierte Tonminerale – zielorientierte Entwicklungen zur Eliminierung von umweltschädigenden PFAS
sodass die Prozessführung und auch die
Grenzwertüberwachung gegenüber be-
stehenden Techniken deutlich verbessert
werden und die Reaktionsfähigkeit des
Anlagenbetreibers erhöht wird. An der
hochskalierten Anlage sind umfangreiche
Feldversuche geplant, die eine breite Da-
tengrundlage zur Überprüfung der Leis-
tungsfähigkeit des Reinigungsprozesses
unter Praxisbedingungen sowie zur wei-
teren Verbesserung der Prozessführung
liefern sollen.
Eine weitere wesentliche Innovation im
Projekt ist die Entwicklung eines quantita-
tiven Nachweisverfahrens, das die Mikro-
plastikbeladung in Wasser und Abwasser
in situ
erkennen und auswerten soll. Damit
entfällt die heute übliche Analytik durch
Probennahme und zeitaufwendige
Ex-situ-
Probenaufbereitung im Analyselabor.
Das Nachweisverfahren basiert auf der
stimulierten Raman-Streuung. Dabei wird
die Lichtstreuung an Molekülen stimu-
liert, die (nur) in Kunststoffen enthalten
sind. Die detektierten Streulichtsignale
enthalten Informationen über die Menge
und die Art des Mikroplastiks.
In Kombination mit dem neuartigen
Flotationsverfahren ermöglicht es einen
nachfragegestützten
(on demand)
Einsatz
der Abscheidetechnologie. Die für die reak-
tive Reinigung notwendigen Chemikalien
werden nur bei einer Grenzwertüber-
schreitung der Mikroplastikbeladung
zugegeben. Die Dosierung der Chemika-
lien erfolgt nach Maßgabe der Mikroplas-
tikkonzentration im Abwasser. Dadurch
sollen die Betriebskosten der neuen An-
lagentechnologie möglichst gering gehal-
ten werden. Über einen nachgeschalteten
Detektionssensor kann anschließend auch
die Funktionalität der gesamten Flota-
tionsanlage beurteilt werden. Die innova-
tive Mikroplastik-Sensorik wird zunächst
an der Laboranlage und später in den Feld-
versuchen erprobt.
Das finale Ziel der Partner und des Pro-
jekts ist die Entwicklung eines marktreifen
Prototyps einer Kläranlage, mit der sich
mindestens 95 Prozent der im Wasser di-
spergierten feinen Mikropartikel in einem
Größenbereich bis minimal 5 µm selektiv
aus dem Abwasser entfernen lassen. Das
Verfahren soll kontinuierlich eingesetzt
und zunächst zur Aufreinigung von Was-
sermengen von 50 bis 1.000 l/h verwendet
werden. Nach der erfolgreichen Entwick-
lung des Prototyps soll das neue Flotati-
onsverfahren durch ein weiteres Scale-Up
großtechnisch einsetzbar gemacht werden.
Abb. 2: Nachweis des Verfahrens im Laborversuch. Im linken Bild sind ein Mikroplastikteilchen (rot eingekreist) und
ein Cluster aus Mikroplastikteilchen (blau eingekreist) zu erkennen, die zu Beginn am Boden eines wassergefüllten
Gefäßes liegen. Das rechte Bild zeigt zu einem späteren Zeitpunkt die aufsteigenden Teilchen-Blase-Cluster.
Quelle: TU Bergakademie Freiberg
Einleitung
1
Mit der Stoffgruppe der per- und po-
lyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS,
auch unter PFC bekannt) hat man im All-
tag sehr häufig zu tun: In vielen wasser-
und schmutzabweisenden Beschichtungen
sind diese Verbindungen enthalten. Wäh-
rend sie ihre Funktion ausüben, können
sie sich von der Kleidung und anderen
Gegenständen lösen und so in die Um-
welt gelangen. Problematisch ist hierbei,
dass eine Vielzahl dieser chemischen
Verbindungen nicht biologisch abgebaut
1 Institut für Technische Chemie, Leipziger
Straße 29, 09599 Freiberg; Korrespondenz:
martin.bertau@chemie.tu-freiberg.de
2 DVGW: Technologiezentrum Wasser,
Karlsruher Str. 84, 76139 Karlsruhe
Organisch modifizierte Tonminerale – zielorientierte Entwicklungen
zur Eliminierung von umweltschädigenden PFAS
Paul Scapan
1
, Andrea C. Guhl
1
, Brigitte Haist-Gulde
2
, Frank Sacher
2
, Martin Bertau
1
werden kann und somit lange in der Um-
welt verbleibt. Viele Verbindungen sind
toxisch und stehen im Verdacht Krebs zu
begünstigen oder auszulösen. In Freiberg
wurde auf der Basis von natürlichen Ton-
mineralen ein Material entwickelt, welches
in der Lage ist, diese Schadstoffe effektiv
aus wässrigen Systemen zu entfernen.
Die geochemischen Gegebenheiten
von Dreischicht-Tonmineralen
Die Arbeiten am Institut für Techni-
sche Chemie begannen mit einem un-
gewöhnlichen Gestein: Alginit. Es wird
in einer Lagerstätte in Ungarn abgebaut
und weist eine Reihe technisch interes-
santer Eigenschaften auf, darunter die
Fähigkeit zur Eliminierung hormoneller
Verunreinigungen wie Bisphenol A oder
17β-Estradiol aus Wasser.
[1]
Im Zuge des-
sen gelang es ein mechanistisches Modell
zu entwickeln, welches das Adsorptions-
verhalten für eine ganze Reihe verschie-
dener Umweltschadstoffe einschließlich
Medikamentenrückstände zutreffend be-
schreibt und bis heute gültig ist. Demnach
sind Tonmineral-Organik-Komposite die
Grundlage für die Entfernung von Schad-
stoffen. Die Tonminerale bildeten sich im
Laufe geochemischer Prozesse in der La-
gerstätte, die organischen Komponenten
stammen aus fossilen Überresten von
Algen.
Diese Erkenntnis bildete den Aus-
gangspunkt für die Synthese von synthe-
tischen Tonmineral-Organik-Kompositen

image
Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
20
ACAMONTA 27 (2020) – Organisch modifizierte Tonminerale – zielorientierte Entwicklungen zur Eliminierung von umweltschädigenden PFAS
mit maßgeschneiderten Eigenschaften
für den Einsatz als Adsorbenzien. Hier-
bei dienten Dreischicht-Tonminerale wie
Montmorillonit als Basiskomponente. Die-
ser Typ Tonmineral hat den Vorteil, dass
die Schichtstruktur im Zwischenschicht-
bereich negative Ladungen aufweist. Die
natürliche negative Ladung im Kristall-
gitter resultiert aus der unvollständigen
Absättigung mit positiv geladenen Metall-
ionen. Für den technischen Einsatz ist das
eine interessante Eigenschaft, denn sie
ermöglicht den erleichterten Austausch
von Metallionen und Säureprotonen. In der
Natur sind die positiven Gegenionen oft
Natrium, Magnesium oder Calcium. Das
Interessante daran ist, dass der Abstand
der negativ geladenen Schichten im Kris-
tallgitter einen Mindestwert aufweisen
muss, um die Metallkationen einzulagern.
Denn man kann sich genau diese Eigen-
schaft zunutze machen, indem organische
Verbindungen in die Zwischenschicht
eingebracht werden, die dem Tonmineral
besondere Eigenschaften verleihen. Der
notwendige Anker dafür ist eine positive
Ammoniumgruppe, die den organischen
Teil fest im Kristallgitter verankert.
Diese Kationenaustauschreaktion ist
schematisch in
Abbildung 1
dargestellt.
Das Kation des Moleküls Hexadecyltri-
methylammoniumbromid (CTAB) wur-
de in die Zwischenschicht eingebracht.
Dabei verdrängt es durch verschiedene
Wechselwirkungen Wasser und positiv
geladene Kationen. In der Folge ist nun
ein Großteil der Zwischenschicht vom
Kation Hexadecyltrimethylammonium
(CTA) belegt und über elektrostatische
Wechselwirkungen an die negativ gela-
dene Schicht gebunden. Damit ändern sich
grundlegende Eigenschaften des Tones:
das zuvor ausgeprägte Quellverhalten des
Dreischicht-Tonminerals ist kaum noch zu
finden. Dies kann unter anderem damit be-
gründet werden, dass die Zwischenschicht
stark organisch, vereinfachend gesagt fett-
liebend bzw. wasserabweisend, geprägt ist
und sich somit weniger Wassermoleküle in
diesem Bereich einlagern lassen. Zugleich
bewirkt das CTA-Molekül eine Weitung
des Zwischenschichtabstands, wie ent-
sprechende röntgendiffraktometrische
Messungen zeigen. Aufgrund der Modifi-
zierungen des Tonminerals (englisch:
clay)
mit dem organischen Tensid CTA werden
diese Materialien
Organoclay
genannt. In
vorangegangenen Untersuchungen wurde
bereits gezeigt, dass viele unterschiedli-
che Schadstoffe entfernt werden können:
Pestizide, Herbizide, Antibiotika und
Phenolderivate sind nur einige Beispiele.
Im Rahmen einer Masterarbeit am Institut
für Technische Chemie in Kooperation mit
dem DVGW (Deutscher Verein des Gas-
und Wasserfaches — Technologiezentrum
Wasser) wurde das Konzept weiterverfolgt
und zielgerichtet auf die Entfernung von
per- und polyfluorierten Verbindungen
angewandt.
Per- und polyfluorierte
Alkylsubstanzen – ständige
Wegbegleiter im Alltag
Bei per- und polyfluorierten Alkylsubs-
tanzen handelt es sich um Verbindungen,
bei denen alle Wasserstoffatome im Mole-
kül entweder teilweise (poly-) oder voll-
ständig (perfluoriert) durch Fluoratome
ersetzt worden sind. Hergestellt werden
können sie beispielsweise im Simons-Pro-
zess durch elektrochemische Umsetzung
einer Lösung mit Carbon-, Sulfonsäuren
oder tertiären Amiden mit wasserfreier
Flusssäure.
[2]
Das Hauptmerkmal dieser
chemischen Verbindungen ist die gerin-
ge Fähigkeit zur Wechselwirkung mit
anderen Substanzen. Darauf beruht ihre
Verwendung als Wasser- und Schmutzab-
weiser, Antihaftbeschichtung u. a.
[3]
Diese
Verbindungsklasse umfasst über 4.700
verschiedene Moleküle einschließlich flu-
orhaltiger Polymere wie Polytetrafluor-
ethylen PTFE (Teflon
®
) oder Polyvinylflu-
orid PVF. Der Verbraucher findet solche
per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen
(PFAS) in Regenjacken, Einmalbechern
oder Pizzakartons. Sie wurden ebenfalls
in Feuerlöschschäumen eingesetzt. Laut
einer Studie des Umweltbundesamts
produzieren 27 Unternehmen weltweit
45 t/a PFAS, hauptsächlich für wasser-
und schmutzabweisende Applikationen.
[4]
Die zahlreichen Derivate lassen sich
abhängig von den funktionellen Gruppen
in mehrere Unterkategorien aufteilen:
perfluorierte Carbon- und Sulfonsäuren,
Fluortelomere und Fluorpolymere sind
dabei die wichtigsten Vertreter.
Perfluorierte Carbon- und Sulfonsäu-
ren, die bekanntesten Vertreter der PFAS,
weisen in Wasser geladene Kopfgruppen
(Carboxy- bzw. Sulfonylgruppe) sowie ei-
nen hydrophoben Kohlenstoff-Fluor-Rest
auf. Sie werden demnach als Tenside
klassifiziert. Darunter zählen wichtige
Derivate der perfluorierten Carbon- und
Sulfonsäuren mit vier, sechs oder acht
Kohlenstoffatomen. Wichtige Vertreter
sind in
Abbildung 2
dargestellt.
Viele dieser Verbindungen liegen auf-
grund des starken Elektronenzugs der
C-F-Bindungen in Wasser deprotoniert vor
und weisen somit eine gute Wasserlöslich-
keit auf. Mit sinkender Kettenlänge nimmt
der Einfluss der geladenen Kopfgruppe
zu, sodass die Derivate in wässrigen Lö-
sungen sehr mobil sind.
Die C-F-Bindungen fallen unter die
stärksten chemischen Bindungen und
sind daher einem mikrobiellen Abbau
kaum zugänglich. Insbesondere bei den
polyfluorierten Verbindungen wird in
aquatischen Systemen vorrangig der
nicht-fluorierte Teil angegriffen. Entspre-
chend erfolgt dieser Abbau solange, bis
das Molekül nur noch Kohlenstoff-Fluor-
Bindungen aufweist (sogenannte Dead-
End-Produkte).
[5]
Diese Verbindungen sind
persistent, d. h., sie werden nicht weiter
abgebaut und reichern sich somit über
die Zeit in der Umwelt an. Problematisch
ist die gleichzeitige starke Akkumula-
tion in Organismen, insbesondere in deren
Fettgewebe und über die Nahrungskette
Abbb. 1: Kationenaustauschreaktion eines 3:1-Tonminerals durch Alkylammoniumionen

image
21
ACAMONTA 27 (2020) – Organisch modifizierte Tonminerale – zielorientierte Entwicklungen zur Eliminierung von umweltschädigenden PFAS
schließlich auch im Menschen. Langket-
tige Derivate, wie Perfluoroctansulfon-
säure bzw. Perfluoroctansäure weisen
Halbwertszeiten im menschlichen Blut
von über dreieinhalb Jahren auf, sodass
selbst bei längerem Kontakt mit gerin-
gen Konzentrationen erhebliche Mengen
der Schadstoffe im Körper akkumuliert
werden.
[6]
In zahlreichen Untersuchun-
gen wurde festgestellt, dass viele PFAS
zudem toxisch sind und krebserregende
sowie erbgutverändernde Eigenschaften
aufweisen. Mit hoher Gewissheit besteht
ein konkreter Zusammenhang zu erhöhten
Cholesterinwerten, Schilddrüsenerkran-
kungen sowie Nieren- und Hodenkrebs.
[7]
Auf diese Erkenntnisse hin haben verschie-
dene politische Institutionen reagiert und
die Produktion einiger PFAS beschränkt
oder untersagt. Die Herstellung von Perflu-
oroctansulfonsäure
(Abbildung 2)
wurde
2006 EU-weit verboten, die von Perfluor-
octansäure 2020. Für Perfluorhexansul-
fonsäure ergab sich eine Einstufung als
Substance of Very High Concern (SVHC)
gemäß der aktuellen REACH-Verordnung.
Perfluorbutansulfonsäure wurde dieses
Jahr in die Kandidatenliste der
SVHC
auf-
genommen.
[8]
Diese vier Vertreter zeigen,
dass aufgrund zunehmender Erkenntnisse
zu dieser Stoffgruppe ein restriktiveres
Vorgehen seitens der Legislative erfolgt.
Insbesondere die in
Abbildung 2
dargestell-
ten PFAS sind umfassend untersucht und
in ihren persistenten, bioakkumulieren-
den und toxischen Eigenschaften erfasst.
Weitere Vertreter der PFAS-Gruppe ver-
halten sich ähnlich, sodass davon ausge-
gangen werden kann, dass die Liste der
persistenten Umweltschadstoffe zeitnah
um weitere Derivate erweitert werden
wird. Eine umfängliche Untersuchung
bei allen über 4.700 Verbindungen der
Stoffklasse würde Jahrzehnte in Anspruch
nehmen. Daher wird eine einfache und
kostengünstige Lösung benötigt, die sich
zuverlässig zur Entfernung der gesamten
Stoffgruppe aus verschiedensten Umwelt-
kompartimenten eignet.
Schadstoffreduktion durch
organisch-modifizierte Tonminerale
Für einige PFAS existieren bereits
gesetzliche Vorgaben für Trink- und Ab-
wasser sowie fließende Gewässer, die in-
des mancherorts überschritten werden.
Schadensfälle wie auch der Einsatz von
speziellen Feuerlöschschäumen können
dazu beitragen, dass sich hohe Konzentra-
tionen im Boden ausbilden. Zur Minimie-
rung der Schadstoffkonzentrationen muss
die Nutzung und Produktion von PFAS
gesenkt werden. Bei erhöhten Belastungen
von zur Trinkwassergewinnung genutz-
ten Wässern oder Industrieabwässern
mit PFAS kann beispielsweise Aktivkohle
eingesetzt werden. Abhängig von der Ad-
sorbierbarkeit des vorliegenden Störstoffs
kann der Einsatz hoher spezifischer Ak-
tivkohlemengen erforderlich sein. Dieses
Verfahren ist mit rund 2.000 €/t Aktiv-
kohle sehr kostenintensiv.
[9]
Im direkten
ökonomischen Vergleich ist Bentonit, ein
Gestein mit hohem Montmorillonit-Anteil,
im Vorteil: Es ist mit rund 100 €/t zwan-
zigmal günstiger.
[10]
In eigenen Arbeiten
wurde Montmorillonit mit CTA modifiziert
(CTA-Organoclay) und unterschiedliche
wässrige Systeme untersucht, denen acht
verschiedene PFAS zugesetzt worden
waren. Zum Vergleich wurden entspre-
chende Untersuchungen mit Bentonit
durchgeführt. In weiteren Versuchen er-
folgte eine Variation der Konzentration
des Adsorbens, der Schadstoffe, der Kon-
taktzeit sowie der Wassermatrix. Anhand
von flüssigchromatographischen Konzen-
trationsmessungen an der HPLC-MS/MS
konnten die jeweiligen PFAS-Gehalte in
den Lösungen vor und nach Kontaktierung
ermittelt werden. Beispielhaft sind die Eli-
minationsraten für die PFAS-Einzelstoffe
in der Karlsruher Trinkwassermatrix bei
Einsatz von 30 mg/L Adsorbens und einer
Kontaktzeit von vier Stunden, wie in
Abbil-
dung 3
dargestellt. Die PFAS-Einzelstoffe
wurden der Matrix zugegeben und lagen
jeweils in einer Ausgangskonzentration
von 50 µg/L vor.
Es zeigte sich, dass der CTA-Organoclay
im Kontakt mit einer 50 µg/L PFAS-Lösung
drei der acht Moleküle (PFOA, PFHxS
und PFOS) mit über 50 % Abreicherung
zuverlässig entfernt. Insbesondere diese
Derivate sind stärker reguliert und als
toxikologisch relevanter eingestuft. Sie
werden trotz länger bestehendem Verbot
aufgrund ihrer Persistenz immer wieder
in Flüssen und anderen Umweltbereichen
Abb. 2: Wichtige Vertreter perfluorierter Substanzen
PFBA PFPA PFHxA PFHpA PFOA PFBS PFHxS PFOS
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Entfernung in %
PFAS-Derivate
Bentonit
CTA-Organoclay
Kontaktzeit 4 h in
50
g/L PFAS-Lösung,
Einsatz 30 mg/L Adsorbens
PFBA: Perfluorbuttersäure
PFPA: Perfluorpentansäure
PFHxA: Perfluorhexansäure
PFHpA: Perfluorheptansäure
PFOA: Perfluoroctansäure
PFBS: Perfluorbutansulfonsäure
PFHxS: Perfluorhexansulfonsäure
PFOS: Perfluoroctansulfonsäure
Abb. 3: Entfernungsraten für PFAS bei Einsatz von Bentonit und CTA-Organoclay

Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
22
ACAMONTA 27 (2020) – Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und Prozessoptimierung
Zusammenfassung
Der moderne Bergbausektor steht vor
gewaltigen technischen Herausforde-
rungen. Dazu zählen der Rückgang von
Erzgehalten, der zunehmende Umgang
mit komplexen Mineralparagenesen und
sehr feinen Korngrößen aber auch einer
steigenden Erzvariabilität. Mit Hilfe geo-
metallurgischer Modelle versucht die Berg-
bauindustrie diese Herausforderungen zu
bewältigen und das Verhalten des Erzes
während des Abbaus, der Aufbereitung
und der Verhüttung quantitativ vorherzu-
sagen. Um hier einen Beitrag zu leisten,
wird am Standort Freiberg seit 2008 geo-
metallurgische Kernkompetenz aufgebaut.
Diese Entwicklung wurde mit der Grün-
dung des Helmholtz-Instituts Freiberg
für Ressourcentechnologie (HIF), einer
gemeinsamen Gründung des Helmholtz-
Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR)
und der TU Bergakademie Freiberg (TU
BAF) im Jahr 2011, stark beschleunigt.
Aus diesem Grund zählt Freiberg heute
weltweit zu den wichtigsten Forschungs-
und Entwicklungsstandorten der Geo-
metallurgie. In diesem Artikel werfen
wir einen Blick auf den aktuellen Stand
der Entwicklungen, mit Fokus auf zwei
sehr erfolgreiche Projekte im Bereich der
geometallurgischen Modellierung, sowohl
primärer als auch sekundärer Rohstoffe.
Einführung
Als Geometallurgie bezeichnet man
eine Forschungsrichtung, welche eine
Integration von Geowissenschaften, Berg-
bauingenieurwesen, Mineralaufbereitung,
extraktiver Metallurgie und Umweltwis-
senschaften anstrebt. Das ultimative Ziel
dieser interdisziplinären Forschung ist es,
ein digitales Modell bzw. einen virtuellen
Zwilling
(virtual twin)
zu erzeugen, in dem
Erzkörper, Bergwerk, Aufbereitungsan-
lage und Hüttenbetrieb gemeinsam dar-
gestellt und vernetzt werden. So werden
Prozesse optimiert und die Gesamteffizi-
enz von Rohstoffprojekten gesteigert; die
Verbindung zwischen den verschiedenen
Teilen dieses ganzheitlichen digitalen Mo-
dells wird durch geeignete mathematische
Modelle ermöglicht.
1
Damit ordnet sich
die Geometallurgie also zwischen Geowis-
senschaften und rohstoffbezogenen Inge-
nieurswissenschaften ein. Sie zielt zum
Beispiel darauf ab, die Ressourceneffizienz
zu erhöhen sowie den Energieverbrauch
und das technische Risiko des Bergbau-
betriebs zu verringern
2
. Auf diese Weise
ist es möglich, den ökonomischen Wert
eines Erzkörpers zu maximieren und
gleichzeitig das technische Risiko und
die Umweltbelastung zu minimieren.
Die Rohstoffgewinnung und -verarbei-
tung wird so integraler Bestandteil ei-
ner nachhaltigen Entwicklung, indem
sichergestellt wird, dass alle Phasen der
Gewinnung aus technischer und ökologi-
scher Sicht optimiert sind. Während der
1 van den Boogaart und Tolosana-Delgado 2018
2 Gu et al. 2014
Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und Prozessoptimierung
Kai Bachmann, Lucas Pereira, Raimon Tolosana-Delgado, Gerald van den Boogaart, Jens Gutzmer
in in relevanten Mengen gefunden.
[11]
Außerdem haften langkettige Moleküle
stärker am Adsorbens als kurzkettige
Verbindungen
(s. a. Abbildung 3).
Ver-
stärkt wird dieser Effekt bei Vorliegen
einer Sulfonsäuregruppe. Bentonit weist
für alle Verbindungen ein ähnlich hohes
Entfernungsvermögen von rund 40 % auf.
Ein Einfluss von funktioneller Gruppe oder
Kettenlänge wurde bei diesem Adsorbens
bislang nicht beobachtet. Somit liegt in
Form organisch modifizierter Bentonite
ein leistungsfähiges System zur Entfer-
nung fluorierter Umweltkontaminanten
vor. Folgeuntersuchungen haben nun zum
Ziel, diesen Wert durch Modifikationen
der organischen Ammoniumkomponente
sowie verfahrenstechnischer Anpassun-
gen weiter zu verbessern.
Zusammenfassung
Die bislang in der Öffentlichkeit kaum
wahrgenommenen Organoclays sind sehr
gut geeignet, PFAS-Konzentrationen in
belasteten Wässern zu senken und die
Schadstoffe zu entfernen. Insbesondere
die toxikologisch relevanten, langketti-
gen Derivate werden effektiv eliminiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt,
dass insbesondere hydrophobe Wech-
selwirkungen bei der Adsorption von
enormer Bedeutung sind. Wirtschaftlich
bedeutsam ist die Eignung des wesentlich
kostengünstigeren Ausgangsmaterials
Bentonit für diese Zwecke. Bevor Orga-
noclays industriell in der Abwasserrei-
nigung eingesetzt werden können, be-
darf es noch weiterer Untersuchungen.
Insbesondere werden Entfernungsraten
zu optimieren sein. Dafür ist ein tiefer-
gehendes mechanistisches Verständnis
der auf molekularer Ebene ablaufenden
Prozesse unabdingbar. Die erfolgreiche
Entwicklung eines Modells für das un-
gleich kompliziertere System Alginit lässt
begründeten Optimismus zu, dass diese
Systeme in naher Zukunft vermehrt zur
Anwendung kommen werden. Zudem ist
der Einsatz anderer Modifikatoren geplant,
um auch kurzkettige Derivate stärker in
den Fokus zu nehmen.
Danksagung
Paul Scapan dankt der Arbeitsgruppe Technologie
und Wirtschaftlichkeit im DVGW: Technologiezentrum
Wasser für die Unterstützung seiner Masterarbeit.
Literatur
1 R. Tröbs, A. C. Guhl, M. Bertau, Chem. Unse-
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schung, Gesundheitsschutz 2009, 52, 878.
7 Europäische Umweltagentur, Emerging che-
mical risks in Europe — PFAS, 2019.
8 a) Registrierung, Bewertung, Zulassung und
Beschränkung chemischer Stoffe (REACH).
Verordnung (EG) Nr. 1907/2006, 2006; b)
Amtsblatt der Europäischen Union, Verord-
nungen L 150, 2017; c) European Chemicals
Agency ECHA, Inclusion of substances of
very high concern in the Candidate List for
eventual inclusion in Annex XIV.
9
J. Janda, F. T. Lange, M. Riegel, Weitergehende
Erfassung von PFC-Quellen im Einzugsbe-
reich von Wasserwerken und Entfernung von
kurzkettigen, persistenten PFC, Bonn, 2017.
10 U.S. Geological Survey USGS, Mineral Com-
modity Summaries (D. N. West), Clays. 2020,
2020.
11 D. Melles, S. Effkemann, E. Bartelt, Ab-
schlussbericht zur Untersuchung von Fischen
in der niedersächsischen Ochtum auf Perflu-
orierte Alkylsubstanzen (PFAS) in 2019, Cux-
haven, 2019.

23
ACAMONTA 27 (2020) – Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und Prozessoptimierung
grundlegende geometallurgische Ansatz
nicht neu ist, ermöglichten schnelle Fort-
schritte bei Mess- und Analysetechnologi-
en und eine exponentielle Verbesserung
der Rechenleistung viele Konzepte erst
jetzt in der Realität. Insbesondere die
Verfügbarkeit quantitativer Daten für
die mineralogischen und mikrostruktu-
rellen Eigenschaften von Erzen aus der
Rasterelektronenmikroskop-basierten
Bildanalyse hat in den letzten 15 Jahren
einen wichtigen Schlüssel für den Erfolg
der Geometallurgie im Bergbau geliefert.
3
Heute gibt es bereits eine Vielzahl von geo-
metallurgischen Modellen, die abhängig
vom Rohstoff- und Erztyp, dem Aufberei-
tungskreislauf, dem Abbaustadium und
der Größe der Mine sind.
4
Viele dieser
Ressourcenmodelle
5
nutzen allerdings
nur sehr wenige Primäreigenschaften,
im Wesentlichen die Konzentration der
Wertelemente bzw. chemische Zusammen-
setzung. Nur diese Daten sind in einem
ausreichend dichten räumlichen Gitter
zu angemessenen Kosten vorhanden, um
räumliche Interpolationen zu ermöglichen.
Um Geometallurgie hingegen als
ganzheitlichen, quantitativen Ansatz
implementieren zu können, akquirieren,
aggregieren und kommunizieren geome-
tallurgische Programme alle konkreten
Daten. Diese sind erforderlich, um die (1)
Eigenschaften des Erzkörpers räumlich
aufzulösen
(geometallurgisches Modell des
Erzkörpers)
sowie (2) alle gewinnungs-
und aufbereitungsrelevanten Parameter
zu erfassen und in einem quantitativen
Vorhersagemodell abzubilden (geometallur-
gisches Modell des Aufbereitungskreislaufs).
Prädiktive geometallurgische Modelle
sagen daher nicht nur die Qualität von
Konzentraten und Rückständen sowie die
metallurgische Gesamtleistung voraus. In
einem industriellen geometallurgischen
Programm können die gewonnenen zu-
sätzlichen Informationen auch verwendet
werden, um den Aufbereitungsprozess
und die Qualitäten der Produktionsströme
mit Hilfe partikelbasierter Datenströme
anzupassen, und so die Anforderungen
der Umweltgesetzgebung und eines ver-
änderlichen globalen Markts zu gewähr-
leisten. Dies geschieht zum Beispiel durch
eine effektivere Nutzung der Ressourcen
oder die Fähigkeit, größere Mengen von
Erz geringerer Qualität mit geringeren
3 Gu et al. 2014
4 Boisvert et al. 2013, Dominy und O’Connor
2016 und darin enthaltene Referenzen, Bach-
mann et al. 2020
5 z. B. King und MacDonald 2016
Umweltauswirkungen zu verarbeiten.
Durch die ganzheitliche Nutzung der
gewonnenen Daten können außerdem,
je nach Marktsituation, zusätzliche Ko-
oder auch Beiprodukte gewonnen oder ein
verbesserter Umgang mit Schadelementen
implementiert werden.
Im Folgenden werden beispielhaft zwei
geometallurgische Modelle vorgestellt, die
in den letzten Jahren unter Federführung
des HIF und in enger Zusammenarbeit
mit der TU BAF entwickelt wurden. Diese
beiden Modelle decken unterschiedliche
Aspekte der Wertschöpfungskette ab. Zum
einen ist das ein geometallurgisches Mo-
dell der Thaba Mine in Südafrika, welches
im Rahmen des BMBF-geförderten CLIENT
I-Projektes „Angewandte Mineralogie für
Ressourceneffizienz von Platinmetallen
(AMREP)“ entstand. Das zweite Modell
beschäftigt sich mit der Aufbereitung von
Sekundärrohstoffen und wird im Moment
im Rahmen des BMBF-geförderten CLIENT
II-Projektes „Gewinnung von SE-Metallen
und -verbindungen aus Flotationsrück-
ständen des Karbonatit-Komplexes Ca-
talão/Goias (MoCa)“ entwickelt.
Das CLIENT I-Projekt AMREP
Zusammen mit deutschen und südafri-
kanischen Partnern wurde ein prädiktives
geometallurgisches Modell für die Thaba
Chromium Mine im westlichen Bushveld
Komplex in Südafrika entwickelt. Die
Thaba Mine baut verschiedene Lagen
von Chromitit ab, ein Erz welches zum
erheblichen Teil aus dem Erzmineral Chro-
mit besteht. Als Quelle des Stahlveredlers
Chrom ist das Mineral essentiell für die
globale Stahlindustrie. Ziel der Studie war
es, neben Chrom auch weitere Wertelemen-
te insbesondere Platingruppenmetalle, wie
Platin und Palladium, zu gewinnen. Dabei
fokussiert sich das geometallurgische Mo-
dell auf die Chromititlagen der sogenann-
ten Lower Group und Middle Group (LG
und MG) Chromitite und hierbei wiederum
auf das LG-6, LG-6A, MG-1 und MG-2,
welche zu den Zielhorizonten der Mine
für einen möglichen Abbau im Tage-, wie
auch Tiefbau gehören.
Um die geologische und geochemische
Architektur der Thaba Mine zu verste-
hen und als Grundlage eines prädiktiven
geometallurgischen Modells zu nutzen,
verwendete das Projektteam einen um-
fangreichen Datensatz bestehend aus
Bohrkernprofilen und geochemischen
Analysendaten, um ein 3D-Blockmodell
zu erstellen.
6
Die geochemischen Analysen
ermöglichten eine umfassende statistische
Auswertung, um die Variabilität innerhalb
und zwischen den untersuchten Chromi-
titlagen zu bewerten und den Datensatz
in verschiedene geochemische Gruppen
aufzuteilen.
7
Das Projektteam lokalisierte
diese Gruppen dann innerhalb des 3D-Mo-
dells und definierte räumliche Domänen.
Die Chromitite der Thaba Mine können
demnach in drei verschiedene geochemi-
sche Domänen unterteilt werden. Zum ei-
nen gibt es eine ausgedehnte oberflächen-
nahe, verwitterte und oxidierte Domäne.
Des Weiteren gibt es eine Domäne, die
vorrangig Merkmale einer hydrotherma-
len Alteration zeigt, also Verwitterung
durch heiße Fluide. Diese Domäne tritt
unterhalb der Tiefe der modernen Ver-
witterung auf, jedoch in offensichtlicher
Nähe zu Verwerfungen, Störungen und
einem lokal bedeutenden transgressiven
Dunitkörper. Die dritte Domäne besteht
aus Erzen, die am wenigsten von postmag-
matischen Alterationsprozessen betroffen
sind. Diese Domäne befindet sich vor allem
im Zentrum der Störungsblöcke unterhalb
der von Verwitterung betroffenen Zone.
Zur detaillierten Charakterisierung
der Mineralparagenesen in den Chromitit-
erzen wurden ausgewählte Bohrkern-
proben der Zielhorizonte umfassend
mit verschiedenen Analysemethoden,
wie zum Beispiel der Mineral Libera-
tion Analysis (MLA) und einer Elekt-
ronenstrahlmikrosonde untersucht.
8
Basierend auf den Ergebnissen der
detaillierten Untersuchungen wurden
zwei unterschiedliche Mineralparagane-
sen definiert: die erste Paragenese bzw.
Mineralvergesellschaftung ist reich an
Platingruppenelement(PGE)-sulfiden
und enthält variable Anteile von Malanit/
Cuprorhodsit sowie PGE-Legierungen mit
Fe und Sn. Chalkopyrit und Pentlandit
sowie Pyrit und untergeordneter Millerit/
Violarit dominieren die assoziierten Bunt-
metallsulfide. Magmatischer Orthopyro-
xen und Plagioklas sind die wichtigsten
assoziierten Silikate. Die zweite Parage-
nese ist reich an PGE-Sulfarseniden und
-Arseniden sowie PGE-Antimoniden und
-Bismuthiden, die vor allem mit Pentlandit
und kobaltreichem Pentlandit assoziiert
sind. Diese Paragenese ist auch durch
signifikante Anteile von Alterationsmi-
neralien wie Talk, Serpentin und/oder
Karbonaten gekennzeichnet, die eng mit
6 Gerhards und Menzel 2019
7 Bachmann et al. 2019
8 Bachmann et al. 2018

Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
24
ACAMONTA 27 (2020) – Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und Prozessoptimierung
den Platingruppenmineralen assoziiert
sind. Die statistische Auswertung zeigt,
dass die beiden Mineralparagenesen nicht
auf unterschiedliche Chromititlagen zu-
rückgeführt werden können, sondern
den Einfluss hydrothermaler Alteration
dokumentieren.
Wir konnten im Anschluss unsere Er-
fahrungen der detaillierten mineralogi-
schen Untersuchungen an den Chromitit-
lagen auf einen umfangreichen Datensatz
übertragen, der ähnliche mineralogische
Daten für das nicht oberflächennahe,
verwitterte Erz der Lagerstätte enthielt
9
.
Somit war es uns möglich, durch statis-
tische Auswertung sieben verschiedene
Erztypen zu identifizieren, die anschlie-
ßend durch Aufbereitungstests des Bohr-
kernmaterials validiert wurden. Zusätzlich
führten wir metallurgische Tests für meh-
rere Großproben der verwitterten Domäne
durch. Darüber hinaus verknüpften wir
chemische und mineralogische Daten, um
den Erfolg der Aufbereitungstests zu kon-
trollieren und die Ergebnisse detailliert
zu evaluieren.
Das prädiktive geometallurgische Mo-
dell zielt darauf ab, die Aufbereitbarkeit
von PGE als Nebenprodukt der Chromitge-
winnung darzustellen und zu evaluieren.
In diesem Zusammenhang betrachten wir
die verwitterten Erze als eine großräumi-
ge Domäne, die nicht weiter ortsaufgelöst
angesehen wird, da die Chromiterze aus
dieser oxidierten Zone durchweg sehr
geringe PGE-Ausbeuten aufweisen. Jeder
Versuch, PGE durch Flotation aus dieser
Zone zu gewinnen, stellt eine sehr große
Herausforderung dar. Bei unverwitterten
Erzen wurde ein sehr viel komplexerer
Ansatz verfolgt. Zur Erstellung des Mo-
dells wurden dabei die folgenden Schritte
durchgeführt:
− Erstellen eines Vorhersagemodells
für die Gewinnbarkeit von PGE als
Funktion der chemischen Zusam-
mensetzung des Chromititerzes, das
heißt Entwicklung eines chemischen
Fingerabdrucks für die Gewinnbar-
keit von PGE aus dem Erz;
− Durchführen einer geostatistischen
Modellierung des geochemischen
Datensatzes, das heißt Interpolation
durch Cokriging und
− Kombinieren der Schritte (i) und (ii),
um ein ortsaufgelöstes geometallur-
gisches Modell zu erzeugen, das das
Potenzial zur Gewinnung von PGE
durch Flotation vorhersagen kann.
9 Bachmann et al 2020
Das daraus resultierende ortsaufgelös-
te prädiktive geometallurgische Modell
des Erzkörpers der Thaba Mine zeigt das
PGE-Verarbeitungspotenzial in Form von
Wahrscheinlichkeiten und beinhaltet
daher Unsicherheiten
(Abbildung 1).
Die
Modellierung beruht dabei auf einem
umfangreichen Datensatz, der in Zukunft
erweiterbar ist, um die statistischen Un-
sicherheiten weiter zu verringern. Die
meisten der modellierten Parameter leiten
sich dabei von den Haupteigenschaften
des Erzes ab, zum Beispiel die mineralo-
gische Zusammensetzung und Mineralpa-
ragenese, Dichte — kombiniert mit einem
Minimum an empirischen Aufbereitungs-
tests. Dies ermöglicht auch in Zukunft eine
flexible Anwendung auf Haupt- und Be-
gleitprodukte bis hin zu Schadelementen
und stellt daher die Grundlage für einen
ganzheitlichen Modellierungsansatz dar.
Das CLIENT II-Projekt MoCa
Nach China liegen die größten Selten-
erdreserven in Brasilien und Vietnam, wo-
bei die Reserven in Brasilien in der Regel
an ultramafische Alkalikarbonitkomplexe
gebunden sind. Eine der wichtigsten Al-
kalikarbonatitkomplexe liegt in Catalão
im Bundesstaat Goiás und besteht aus den
Catalão I und II Lagerstätten. Im Moment
wird die Lagerstätte Catalão I vor allem
aufgrund des sehr hohen Apatitgehaltes
für die Herstellung von Düngemitteln ab-
gebaut. Die Halden werden dann erneut
aufbereitet, um daraus Pyrochlor für die
Produktion von Ferroniob zu gewinnen.
In Catalão II wird ausschließlich Pyrochlor
gewonnen.
Die Erze beider Lagerstätten besitzen
eine hohe Konzentration an Seltenerd-
mineralen, die im Moment allerdings
nicht aufbereitet und deshalb in großen
Haldenkörpern abgelagert werden. Ziel
von MoCa ist es daher, das Extraktions-
potenzial von Seltenen Erden sowohl
aus Rückständen aus der aktuellen
Produktion als auch aus abgelagerten
Rückständen am Standort Catalão zu
untersuchen und mit Hilfe geometall-
urgischer Ansätze eine ganzheitliche Ge-
winnung aller enthaltenen Wertminerale
zu ermöglichen. Um dies zu erreichen,
ist eine detaillierte und umfassende mi-
neralogische und chemische Charakte-
risierung des Erzes notwendig. Dafür
wurde eine umfassende Beprobung der
Nb-Verarbeitungsanlage zum besseren
Verständnis des Verhaltens der Selten
Erdelement (SEE)-Mineralien durchge-
führt
(Abbildung 2A).
Die dabei gewonnenen Proben werden
für das nachstehend erläuterte partikelba-
sierte Vorhersagemodell eingesetzt. Die
Resultate dienen der Erstellung eines inno-
vativen, benutzerunabhängigen, partikel-
basierten Aufbereitungsmodells, um das
Verhalten des Erzes in der Aufbereitung
vorhersagen und optimieren zu können.
Die benötigten Werkzeuge für die um-
fangreiche Datenanalyse werden dafür in
der Open-source Plattform R
10
entwickelt
und getestet. Die Methode berechnet die
Austragswahrscheinlichkeiten für jedes
Partikel in einer Probe mithilfe eines
Lasso-regularisierten logistischen Re-
gressionsmodells
11
und kann auf jeden
Separationsprozess angewendet werden.
Es ist keine A-priori-Variablenauswahl er-
forderlich, da die Lasso-Regularisierung
einen Korrekturfaktor verwendet, um
die Koeffizienten für nicht beitragende
Variablen auf Null zu setzen, wodurch
die Koeffizienten für die verbleibenden
Prädiktoren zuverlässiger geschätzt wer-
den. Darüber hinaus enthält die Methode
einen Schritt zur Anpassung der A-priori-
Wahrscheinlichkeit des Modells im Sinne
der Bayes’chen Statistik, um die geolo-
gische Variabilität über die Lagerstätte
hinweg zu berücksichtigen.
12
Das Verfahren kann auf einzelne
Trennschritte oder auf ganze Ketten und
Netzwerke von Trenneinheiten angewen-
det werden, sofern keine Zerkleinerungs-
einheit enthalten ist. Diese Einschränkung
bezieht sich auf die Tatsache, dass die
Zerkleinerung die Partikelgrundgesamt-
heit verändert, d. h., die physikalischen
Eigenschaften der Partikel ändern sich
erheblich, insbesondere Größe, Zusam-
mensetzung und Aufschlussgrad.
Die Effizienz der Methode konnte im
Niob-Aufbereitungskreislauf der Boa
Vista Aufbereitungsanlage demons-
triert werden. Die Anlage besteht aus
drei Flotations- und einem magnetischen
Trennkreis. Das Aufgabegut der ersten
Aufbereitungseinheit, jedes Zwischenpro-
dukt sowie die endgültigen Rückstände
und das Konzentrat wurden beprobt
(Abbil-
dung 2A).
Die Proben wurden getrocknet,
in Epoxidharzblöcke eingebettet, geschlif-
fen, poliert und mit Hilfe der MLA analy-
siert. Für jede Einheit in der Anlage wurde
ein Prozessmodell unter Verwendung der
jeweiligen Konzentrat- und Rückstands-
proben trainiert. Der Anlagenbetrieb
wurde mit Bootstrap-Methoden simuliert,
10 R Core Team 2016
11 Hastie et al. 2015
12 Pereira et al. 2020

image
image
25
ACAMONTA 27 (2020) – Prädiktive Geometallurgie in Freiberg – von „Virtual Twins“ und Prozessoptimierung
indem in jedem trainierten Vorhersage-
modell nacheinander 1000-mal eine
virtuell erstellte Probe des Aufgabeguts
verarbeitet wurde. Die vorhergesagte Mas-
se und Mineralzusammensetzung jedes
Zwischenprodukts und des endgültigen
Niobkonzentrats in jedem Bootstrap-Lauf
wurden mit Ergebnissen verglichen, die
auf tatsächlich in der Anlage beobachte-
ten Werten beruhen.
Abbildung 2B
zeigt
Bootstrap-Boxplots der Vorhersagefehler
im relativen Maßstab. Die vorhergesagten
Produktwerte stimmen sehr gut mit den
in der Anlage beobachteten Ergebnissen
überein. Sie demonstrieren die Effizienz
der Methode bei der Rekonstruktion ei-
ner vollständigen Verarbeitungsanlage
mit verschiedenen Trennprozessen auf
Abb. 1: Geometallur-
gische Karte des
LG-6-Chromitits.
Das PGE-Aufberei-
tungspotenzial wird
als Wahrscheinlichkeit,
zu einer Domäne mit
hohem Anreicherungs-
potenzial zu gehören,
angezeigt. Daher
stellen grünliche Farben
Bereiche mit hohem
Potenzial dar. Rote
Farben weisen ein ge-
ringes Potenzial für die
PGE-Aufbereitung auf.
Graue Bereiche weisen
eine große Unsicherheit
auf – in der Regel
aufgrund geringer
Proben-/Datendichte. Zusätzlich werden die Probenahmestellen (die in Aufbereitungstests verwendet wurden) und die
entsprechenden Testergebnisse als farbige Kreise für das LG-6 angezeigt. Die oxidierte Zone ist dunkelgrau dargestellt.
Abb. 2: (A) Vereinfachtes Flussdiagramm der untersuchten Aufbereitungsanlage mit Probenahmestellen.
(B) Natürliches logarithmisches Verhältnis zwischen der vorhergesagten und der tatsächlichen Zusammensetzung und Masse jedes Produktstroms in der Aufbereitungsanlage.

Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
26
ACAMONTA 27 (2020) – Mathematische Unsicherheitsquantifizierung
Einzelpartikelebene und unter Berück-
sichtigung ihrer Unsicherheiten.
Derzeit versuchen die Projektpartner,
für die Abraumströme der Nb-Produktion
einen wirtschaftlichen Aufbereitungspro-
zess für SEE zu erarbeiten. Das Verfahren
soll für die gesamte Nb + SEE-Produktion
eingesetzt werden und ist in der Lage das
Potenzial zur Herstellung eines Niob- und
Seltenerdkonzentrates im industriellen
Maßstab zu bewerten.
Fazit
Die beiden hier vorgestellten Modelle
können sowohl für primäre als auch se-
kundäre Ressourcen angewendet werden
und decken unterschiedliche Bereiche der
Wertschöpfungskette ab. Das Modell der
Thaba Mine stellt das geometallurgische
Modell eines Erzkörpers dar, in diesem
Fall für die Gewinnung von PGE als Bei-
produkt. Im MoCa-Projekt wird an geo-
metallurgischen Modellen für komplexe
industrielle Aufbereitungsprozesse ge-
arbeitet, sowohl für Ferroniob als auch
Seltene Erden. Beide Arten von geome-
tallurgischen Modellen folgen Ansätzen,
die in Zukunft zusammengeführt werden.
Bei dieser Zusammenführung und Ergän-
zung stehen drei große Themen im Fokus:
1. Die Modellierung und Vorhersage von
Zerkleinerungseffekten sowie 2. die Im-
plementierung und Erweiterung des geo-
metallurgischen Ansatzes in den Bereich
der Metallurgie. Der 3. Themenkomplex
umfasst die Zusammenführung der
einzelnen Modelle in ein Modell der ge-
samten Wertschöpfungskette, von der
Bergwerksplanung bis hin zur Verhüt-
tung des eigentlichen Wertmetalls. Dies
erfordert eine Kombination der einzelnen
Modelle zu einem Gesamtmodell über
mehrere Zeit- und Raumskalen hinweg
und daher einen schnellen und effektiven
Informationsfluss zwischen den einzel-
nen Teilen der industriellen Wertschöp-
fungskette. Mit Hilfe von zusätzlichen
Feedback-Loops von Daten, die während
der Abbauphase akquiriert werden, ist
dann eine kontinuierliche Aktualisierung
des Lagerstätten- und Aufbereitungsmo-
dells möglich — idealerweise mit immer
genaueren Vorhersagen und sinkender
Unsicherheit. Diese verbesserten Vorhersa-
gen haben einen sehr großen Einfluss auf
die Bergbau- und Produktionsplanung.
13
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key challenge for mathematical geosciences. In
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ger, Cham.:673–686.
Mathematische Modelle haben heutzutage in
zahlreichen Anwendungsbereichen in Natur,
Technik und Gesellschaft Einzug gehalten. Ein
stetes Wachstum der verfügbaren Rechenleistung
sowie die Weiterentwicklung und Verfeinerung
numerischer Verfahren erlauben dabei zuneh-
mend die Simulation komplexerer Modelle.
1
Eine sinnvolle Prognose auf Basis sol-
cher Modelle setzt allerdings nicht nur
deren hinreichend gute Berechenbarkeit
voraus, auch eine entsprechend genaue
Kenntnis aller (entscheidenden) Modellpa-
rameter bzw. -koeffizienten ist dazu erfor-
derlich. Dies ist in der Praxis keinesfalls
immer gegeben: Materialparameter wie
Leitfähigkeiten oder Bruchfestigkeiten
1 Fakultät für Mathematik und Informatik,
Prüferstr. 9, 09599 Freiberg,
Bjoern.Sprungk@math.tu-freiberg.de
können bei heterogenen Materialien oder
Fehleinschlüssen stark schwanken, äu-
ßere Einflüsse (Belastungen, Zu- und
Abflüsse, etc.) variieren ggf. unvorherseh-
bar, und Initialzustände sind evtl. nicht
exakt erfassbar. Möchte man auf Basis
nur ungenau bekannter Modellparame-
ter trotzdem eine vernünftige Prognose
erstellen, so sollte diese Unsicherheit im
Ergebnis quantifiziert werden, z. B. durch
eine entsprechend berechnete Breite an
Prognosen. Die Notwendigkeit einer trans-
parenten Einbeziehung von Unsicherhei-
ten in modellbasierten Vorhersagen wur-
de erst kürzlich in einem gemeinsamen
Kommentar von 22 Autoren im Journal
Nature
im Hinblick auf die Modellierung
der Entwicklung der COVID-19-Pandemie
betont.
2
Die mathematische Unsicherheits-
quantifizierung (UQ), ein noch relativ
junges Spezialgebiet der angewandten
Mathematik bzw. des wissenschaftlichen
Rechnens, beschäftigt sich mit genau die-
ser Problematik.
Nun sind die mathematische Beschrei-
bung und Berechnung von Unsicherheiten
natürlich von jeher eine der Aufgaben der
Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik.
Die Neuheit der jungen Teildisziplin der
UQ liegt zum einen in der Komplexität
der betrachteten mathematischen Modelle,
dies sind z. B. häufig partielle Differen-
tialgleichungen, und zum anderen in der
Verwendung und Entwicklung spezieller
numerischer Approximationsmethoden,
welche eine praktikable Abschätzung, z. B.
der Lösungen komplizierter Differential-
gleichungen mit unsicheren Koeffizienten,
2 A. Saltelli et al.: „Five ways to ensure that
models serve society: a manifesto“ Nature 582,
482–484 (2020)
Mathematische Unsicherheitsquantifizierung
Björn Sprungk
1

image
ACAMONTA 27 (2020) – Mathematische Unsicherheitsquantifizierung
27
erst ermöglichen. Insbesondere arbeitet man in der UQ an der
Schnittstelle der mathematischen Analysis, der numerischen
Mathematik bzw. des wissenschaftlichen Rechnens sowie der
angewandten Stochastik.
Zur Modellierung von Unsicherheiten gibt es neben probabilis-
tischen noch weitere Ansätze. So werden in Anwendungen gern
auch Fuzzy-Mengen zur Beschreibung ungenauer Kenngrößen
eingesetzt. Fuzzy-Methoden, insbesondere Fuzzy-Statistik, wur-
den seinerzeit an der Bergakademie von Prof. Hans Bandemer
und Prof. Wolfgang Näther erforscht, und in jüngerer Zeit im
Rahmen der UQ z. B. im DFG-Schwerpunktprogramm 1886 un-
tersucht. Wir werden uns im Weiteren auf den stochastischen
Zugang zur UQ beschränken und diesen an einem Beispiel
kennenlernen.
Ein Beispielproblem
Unsicherheiten und Risiken sind insbesondere in der Planung
und Zertifizierung von Endlagern für radioaktiven Abfall zu
beachten und abzuschätzen. Ein wichtiges Szenario ist dabei
ein Ernstfall, bei dem trotz aller Vorkehrungen dennoch (z. B.
durch Unfälle) radioaktive Materialien das Endlager verlassen
und die Umgebung kontaminieren. Wie schnell so etwas pas-
sieren kann, zeigt ein Vorfall im tiefengeologischen Endlager
„Waste Isolation Pilot Plant“ (WIPP) in New Mexico (USA) aus
dem Jahr 2014: Damals wurde die Versiegelung eines Behälters
mit radioaktiven Abfall gesprengt und radioaktive Strahlung
freigesetzt, da beim Befüllen versehentlich das falsche (orga-
nische) Katzenstreu zum Aufsaugen der flüssigen Abfallstoffe
genutzt wurde. Das WIPP-Endlager liegt ca. 655 Meter unter der
Erdoberfläche in einer Salzformation. Oberhalb davon verläuft
jedoch eine dünne grundwasserleitende Schicht. Ein wichtiger
Punkt in der Genehmigung und Rezertifizierung dieses Endla-
gers ist die Abschätzung der Zeit, in der entwichene radioaktive
Partikel durch das Grundwasser bis an den Rand eines definier-
ten Sicherheitsbereichs um das Endlager herum transportiert
werden. Diese soll hinreichend lang sein (10 000 Jahre).
Zur mathematischen Beschreibung des Grundwassertrans-
ports nutzen wir eine leichte Vereinfachung des Modells aus
dem WIPP-Rezertifizierungsreport von 2014 und berechnen das
hydraulische Potential
p
im Aquifer durch die aus dem Darcy-
Gesetz folgende partielle Differentialgleichung (PDE)
—∇ ·
(
e
u(x)
p(x
)
= 0.
Hierbei bezeichnet
u(x)
den Logarithmus der hydraulischen Leitfä-
higkeit des Aquifers am Ortspunkt
x
. Die zugehörigen Randbedin-
gungen zur PDE seien hier der Einfachkeit halber weggelassen.
Weiterhin wird die PDE vereinfacht als Modell im Zweidimensio-
nalen betrachtet, da die Schichtdicke im Vergleich zur Gebietsgrö-
ße sehr gering ist. Der Grundwassertransport selbst wird als ge-
wöhnliche Differentialgleichung (ODE) gemäß des Strömungsfelds
q
(x)
=
–e
u(x)
p(x)
beschrieben — molekulare Diffusionseffekte
seien hier ebenfalls vernachlässigt. Zur Berechnung des Parti-
keltransports ist somit zunächst die PDE für
p
zu lösen und damit
dann die ODE mit dem entsprechenden
q
. Der entscheidende Mo-
dellkoeffizient in diesen Gleichungen ist die log-Leitfähigkeit
u.
Bezüglich dieser stehen jedoch nur 62 Messungen aus verschie-
denen Bohrlöchern zur Verfügung (Stand: 2014), welche sich
auf ein Gebiet von ca. 20 mal 30 Kilometern um das Endlager
herum verteilen (sowie ca. 40 Messungen des hydraulischen
Potenzials, welchen wir später mehr Aufmerksamkeit widmen
werden). In Anbetracht dieser geringen Informationsdichte über
diesen wichtigen Modellparameter ist eine einzelne Simulation
bzw. Vorhersage der Transportzeit nicht gerechtfertigt. Viel-
mehr muss die Unwissenheit über den Modellkoeffizienten
u
in der Prognose mit einfließen und die sich daraus ergebende
Unsicherheit bzgl. der Transportzeit quantifiziert werden. Man
beachte, dass experimentelle Zugänge (z. B. mittels Tracern) hier
aufgrund der geringen Leitfähigkeit nicht praktikabel sind und
somit nur eine numerische Simulation verknüpft mit UQ verbleibt.
Beschreibung der Unsicherheit
und Monte-Carlo-Simulation
Die begrenzte Kenntnis der ortsabhängigen log-Leitfähigkeit
u(x)
beschreiben wir probabilistisch, indem wir
u
als ein Zufalls-
feld modellieren. D. h., für jeden Ortspunkt
x
ist
u(x)
eine Zufalls-
variable, deren Varianz Auskunft über unsere Unsicherheit bzgl.
des Wertes
u(x)
gibt. Eine gängige Annahme ist hierbei, dass
u
ein Gaußsches Zufallsfeld ist, sprich
u(x)
einer Normalverteilung
folgt. Analog zum univariaten Fall ist die Verteilung der gesam-
ten zufälligen Funktion
u
dabei eindeutig durch die Wahl der
Mittelwerts- und Kovarianzfunktion festgelegt. Diese können mit
Hilfe geostatistischer Verfahren aus den gegebenen 62 Messdaten
der Leitfähigkeit geschätzt werden, siehe
Abbildung 1.
Setzt man
das zufällige log-Leitfähigkeitsfeld
u
nun in die PDE ein, erhält
man als Lösung ein zufälliges hydraulisches Potenzial
p
und
analog einen zufälligen Grundwasserfluss
q
. Diese sind zwar
wieder Zufallsfelder, aber in der Regel keine Gaußschen mehr.
Aus diesen resultiert schließlich eine zufällige Transportzeit
der Radionuklide von der Position des Endlagers bis zum Rande
des WIPP-Gebiets. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Trans-
portzeit beschreibt dabei die Unsicherheit in unserer Prognose
für diesen Wert aufgrund der beschränkten, unvollständigen
Information über die entscheidende Modellgröße
u
und stellt
somit eine ehrlichere Vorhersage dar als eine einzelne Simulation
des Partikelpfads. Um diese Verteilung zu berechnen und zur
Entscheidungsfindung zu nutzen, kann als einfachste Methode
eine Monte-Carlo-Simulation genutzt werden. Dazu erzeugen wir
viele Realisierungen des zufälligen log-Leitfähigkeitsfeldes ge-
mäß der angenommen, unseren Wissenstand repräsentierenden
Verteilung für
u
, lösen für diese jeweils die PDE und ODE für den
Grundwassertransport und erhalten somit eine Stichprobe der
zufälligen Transportzeit.
Diese führt zu einer empirisch geschätzten Verteilungsfunktion
bzw. -dichte, siehe auch
Abbildung 2.
Abbildung 1: Geschätzter punktweiser Mittelwert und punktweise Varianz der
ungenau bekannten log-Leitfähigkeit. Die kreisförmigen Punkte markieren Ort und
Wert der Messungen, die schwarz-gestrichelten Linien umranden das Gebiet zur
numerischen Lösung der PDE (groß) sowie das WIPP-Gebiet (klein).

image
image
image
ACAMONTA 27 (2020) – Mathematische Unsicherheitsquantifizierung
Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
28
Zur Erzeugung der zufälligen log-Leitfähigkeitsfelder kann dabei
eine geeignete Reihendarstellung von zufälligen Funktionen,
die Karhunen-Loève-Entwicklung (KLE), genutzt werden:
u
(
x
) =
u
0
(
x
) + ∑
ξ
n
u
n
(
x
).
Dabei bezeichnet
u
0
die Mittelwertfunktion und
u
n
für
n
≥1 die
n
-te Eigenfunktion des Kovarianzoperators des Gaußschen Zu-
fallsfeldes
u
. Dies sind jeweils deterministische Funktionen von
x
. Der Zufall in der KLE steckt ausschließlich in den Koeffizienten
ξ
n
, welche hier reellwertige, stochastisch unabhängige, normal-
verteilte Zufallsgrößen sind. Es können dann Realisierungen
dieser normalverteilten Koeffizienten
ξ
= (
ξ
1
,
ξ
2
,
ξ
3
,
…) gezogen und
damit gemäß der (abgebrochenen) obigen Reihendarstellung
zufällige log-Leitfähigkeitsfelder
u
generiert werden. Das ge-
samte Monte-Carlo-Verfahren ist in
Abbildung 3
skizziert, dabei
sind die zufällig erzeugte Leitfähigkeit
u(x)
, der entsprechende
berechnete Verlauf des hydraulischen Potenzials
p(x)
sowie der
resultierende Partikelpfad (rot) grafisch dargestellt und die je-
weilige Zeit bis zum Erreichen des Randes des WIPP-Gebietes
(kleines, schwarzumrandetes Quadrat) angegeben.
Der Rechenaufwand der Monte-Carlo-Simulation bemisst sich
dabei vor allem an der Anzahl der zu lösenden PDEs — die
Lösung der ODE bzw. die anderen Schritte in
Abbildung 3
sind
vergleichsweise günstig. Um eine hinreichende Genauigkeit der
so empirisch geschätzten Verteilungsfunktion zu gewährleisten,
z. B. um einen absoluten Fehler in der Verteilungsfunktion von
maximal 0.01 mit hoher Wahrscheinlichkeit (bzgl. der zufällig
erzeugten Stichprobe) zu erhalten, sind in etwa 20 000 Simulati-
onen bzw. PDE-Lösungen nötig. Für die einfache PDE in unserem
Fall ist dies zwar problemlos möglich, doch für komplexere
PDE-Modelle kann dies schnell zu teuer werden.
Effiziente UQ mittels hochdimensionaler Approximation
Die Reihendarstellung bzw. KLE von Zufallsfeldern ermög-
licht es, das Modell mit zufälligen Koeffizienten
u
alternativ als
ein Modell mit dem hochdimensionalen (zufälligen) Parameter
ξ
= (
ξ
1
,
ξ
2
,
ξ
3
,
…) anzusehen. Insbesondere können wir die Ab-
bildung, welche dem Koeffizientenvektor
ξ
die entsprechende
Lösung der PDE bzw. Transportzeit zuordnet, mit gängigen
mathematischen Methoden untersuchen und approximieren.
Hierbei handelt es sich um eine Abbildung vom euklidischen
Raum
R
N
(für den abgebrochenen Koeffizientenvektor
ξ
mit
N
Komponenten) in einen geeigneten Funktionenraum (für das
ortsabhängige Potenzial
p
). In der Tat kann gezeigt werden, dass
das hydraulische Potenzial
p
sehr gutartig (nämlich analytisch
bzw. holomorph) von
ξ
abhängt, siehe z. B. Ernst & Sprungk
(2014). Diese glatte Abhängigkeit erlaubt eine Approximation
dieser Abbildung durch multivariate Polynome in
ξ
(mit Wer-
ten im Funktionenraum), welche selbst z. B. durch multivariate
Interpolation bestimmt werden können. Aufgrund der hohen
Dimension bzw. der großen Anzahl
N
der verwendeten Ko-
effizienten
ξ
n
sind allerdings ausgedünnte Interpolationsgitter
zu nutzen. Sonst würde die Anzahl der Interpolationsknoten
schnell die Zahl der Monte-Carlo-Simulationen übersteigen — ein
volles Interpolationsgitter mit nur drei Knoten pro Richtung hat
in zehn Dimensionen bereits fast 60 000 Knoten und damit den
dreifachen Aufwand der Monte-Carlo-Methode. Dünne Interpo-
lationsverfahren für hochdimensionale Probleme basieren auf
einer Idee des russischen Mathematikers Sergei A. Smolyak
(1963) und nutzen gleichzeitig nur in wenigen Dimensionen
viele Knoten, siehe
Abbildung 4.
Abb. 4: Vergleich eines vollen Interpolationsgitters mit 17 Knoten pro Richtung und
eines entsprechenden ausgedünnten Gitters nach der Konstruktion von Smolyak
Mit Hilfe dieser dünnen Interpolationsgitter und den daraus
berechneten polynomiellen Approximationen an die Parame-
terabhängigkeit der PDE kann eine effizientere UQ gewähr-
leistet werden. Für das WIPP-Problem nutzen wir ein dünnes
Gitter mit nur 241 Interpolationsknoten (in zehn Dimensionen)
und ersetzen mit dem entsprechenden polynomiellen Surrogat
das Lösen der PDE an den 20 000 zufälligen Werten für
ξ
aus
der Monte-Carlo-Methode. Die ODE wird nachfolgend wieder
numerisch gelöst und der Grundwassertransport mittels der
Approximation von
p
berechnet. Man nennt diesen speziellen
Surrogatansatz auch Kollokationsmethode. Wir erhalten dabei
mit den nur 241 Interpolationsknoten bzw. PDE-Lösungen eine
Abb. 3: Darstellung der Monte-Carlo-Simulation zur Unsicherheitsquantifizierung für
das WIPP-Grundwassertransportproblem. Zahlenwerte und Grafiken sind tatsächlichen
Simulationen entnommen. Die rote Linie markiert den berechneten Partikelpfad.
Abb. 2: Vergleich der aus
jeweils 20 000 Werten
geschätzten Verteilungsdich-
ten der Transportzeit
t
exit
der
Radionuklide unter Verwen-
dung der direkten Monte-
Carlo-Simulation sowie mit
Hilfe der kostengünstigeren
Kollokationsmethode

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image
image
ACAMONTA 27 (2020) – Mathematische Unsicherheitsquantifizierung
29
sehr gute Näherung des Surrogats an die direkte Simulation,
siehe Abbildung 5.
Insbesondere ist das Ergebnis der UQ für
die zu ermittelnde Transportzeit, genauer deren (empirisch
geschätzte) Wahrscheinlichkeitsverteilung, unter Verwendung
der polynomiellen Kollokation nicht nur optisch ununterscheid-
bar von der kostenintensiveren Monte-Carlo-Simulation, siehe
Abbildung 2.
Auch ein statistischer Verteilungstest zeigt, dass
zwischen den beiden empirischen Verteilungen kein signifi-
kanter Unterschied besteht. Allerdings konnten wir mittels
der Kollokationsmethode die Rechenkosten der UQ um ca. 99 %
reduzieren (241 PDE-Lösungen gegenüber 20 000). Bei der Ver-
wendung solcher polynomieller Approximationsverfahren ist
jedoch stets die Glattheit der entsprechenden Abhängigkeit vom
Parameter
ξ
zu beachten. So hängt die Transportzeit
t
exit
selbst
nicht glatt (im Allgemeinen sogar nicht stetig) von
ξ
bzw.
u
ab.
Eine entsprechende polynomielle Kollokation für die Abbildung
von
ξ
zu
t
exit
würde zu keinen sinnvollen Ergebnissen führen.
Abb. 5: Vergleich der direkten Simulation und der Simulation unter Nutzung polyno-
mieller Approximation der
ξ
-
bzw. Parameterabhängigkeit der PDE-Lösung anhand von
241 Interpolationsknoten (jeweils für 10-dimensionale
ξ
)
Inverse Probleme und Reduktion der Unsicherheit
Neben dem reinen Vorwärtsproblem bzw. der Unsicherheits-
propagation (wie wirkt sich die Unsicherheit in den Modellpara-
metern auf die Modellvorhersage aus?) sind auch inverse Proble-
me wichtige Bestandteile der UQ. Hier gilt es, aus zusätzlichen,
indirekten Informationen wie z. B. Messungen des hydraulischen
Potenzials
p
Rückschlüsse auf die ungenau bekannten Modell-
parameter wie die hydraulische log-Leitfähigkeit
u
zu ziehen
und so die Unsicherheit über diese zu reduzieren. Dazu wird der
Bayessche Zugang zu inversen Problemen genutzt: die anfangs
angenommene Wahrscheinlichkeitsverteilung für
u
bzw.
ξ
wird
durch die neuen Messdaten
p
des hydraulischen Potenzials
p
aktualisiert, und zwar gemäß des Satzes von Bayes für bedingte
Wahrscheinlichkeiten bzw. Wahrscheinlichkeitsdichten:
π
(
ξ
p
)
,
L
(
p
ξ
)
π
(
ξ
).
Hier bezeichnet
π
die Dichte der a-priori Verteilung für
ξ
(beim
WIPP-Problem eine Normalverteilung) und
π
(
·
p
) die Dichte der
bedingten bzw. a-posteriori Verteilung von
ξ
für die gegebenen
Messdaten
p
des Potenzials
p
. Die Funktion
L
(
p
ξ
) ist dabei die
Likelihood für die beobachteten Daten
p
für ein fest vorgegebenes
ξ
und beinhaltet neben der Auswertung des PDE-Modells für
eben jenes
ξ
weiterhin ein statistisches Messfehlermodell für
die gemessenen Daten (oft ebenfalls eine Normalverteilung).
Die a-posteriori Verteilung stellt die Lösung des Bayesschen
inversen Problems dar und bietet im Vergleich zu klassischen
Ansätzen für inverse Probleme mehr als nur eine einzelne Re-
konstruktion eines Leitfähigkeitsfelds
u.
Diese Verteilung ist
typischerweise kompliziert, und Realisierungen daraus, z. B. für
eine Monte-Carlo-Simulation, sind im Allgemeinen nicht direkt
generierbar. Man kann nur approximativ aus dieser Verteilung
Stichproben ziehen z. B. mit Hilfe von Markowketten-Monte-
Carlo-Methoden (MCMC-Methoden). Diese konstruieren mittels
des Metropolis-Hastings-Algorithmus eine Markowkette, die
die gewünschte Verteilung als Grenzverteilung besitzt. Aus
einem hinreichend langen Pfad der Markowkette erhält man
dann annährend Realisierungen aus der a-posteriori Vertei-
lung, siehe
Abbildung 6
für eine Illustration. Die Einbindung
indirekter Daten über Bayessche Inferenz und Markowketten-
Monte-Carlo-Simulation bedeutet somit einen rechentechnischen
Mehraufwand, der sich allerdings lohnen kann. Hierzu sind in
Abbildung 7
jeweils 100 simulierte Partikelpfade für das WIPP-
Grundwasserproblem aus der a-priori Verteilung für
u
bzw.
ξ
sowie aus deren a-posteriori Verteilung nach Einbindung der
ca. 40 verfügbaren Messdaten des hydraulischen Potenzials zu
sehen. Man erkennt eine deutliche Reduzierung der Unsicherheit
in der Prognose.
Abb. 6: Pfad einer Markowkette (blau) zur
Erzeugung von Realisierungen gemäß
der dargestellten Zielwahrscheinlichkeits-
dichte (grün)
Abb. 7: Vergleich der unsicheren Vorhersage von Partikelpfaden für das WIPP-Grund-
wasserproblem nur auf Basis der verfügbaren Leitfähigkeitsmessungen (prior) sowie
nach Einbeziehung der ebenfalls verfügbaren Messdaten des hydraulischen Potenzials
(posterior). Im Hintergrund ist die Triangulation des Finite-Elemente-Ansatzes zur
numerischen Lösung der PDE zu sehen.
Die Entwicklung und Analyse effizienter Verfahren zur UQ,
sowohl Surrogatmethoden für die Unsicherheitspropagation als
auch MCMC- und weitere Samplingverfahren für hochdimensi-
onale Bayessche inverse Probleme, sind aktuelle Forschungsge-
genstände der Juniorprofessur „Angewandte Mathematik“. Dabei
stehen insbesondere die Untersuchung des Konvergenzverhaltens
sowie der Dimensionsunabhängigkeit der Algorithmen im Fokus.
Desweiteren werden auch Verfahren zur Datenassimilation in
dynamischen Systemen wie der Ensemble-Kalman-Filter unter
Gesichtspunkten der UQ studiert. Eine weitere Ausrichtung stellt
die Übertragung der entwickelten Methoden und Ansätze zur
Quantifizierung von Unsicherheiten im maschinellen Lernen
dar: Wie gut sollte man z. B. der Prognose bzw. Entscheidung
einer KI vertrauen können?

image
Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
30
ACAMONTA 27 (2020) – Der große „Lauschangriff“
Literatur
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liptic partial differential equations with random input data. SIAM J. Numer.
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Ernst, O. und Cliffe, K. A.: Uncertainty quantification 2012: probabilistic UQ
for PDEs with random data: a case study. SIAM News, vol. 45, 2012.
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data — the lognormal case. In: J. Garcke und D. Pflüger (Hrsg.) Sparse Grids
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tion. Springer, Cham, 2017.
Rudolf, D. und Sprungk, B.: On a generalization of the preconditioned Crank-Ni-
colson Metropolis algorithm. Found. Comput. Math. 18, pp. 309–343, 2018.
Stuart, A. M.: Inverse problems: A Bayesian perspective. Acta Numerica, 19,
pp. 451–559, 2010.
Pssst! Können Sie es hören? Nicht? Aber wir
wissen es: Sie ist ständig in Bewegung – die
Erdkruste mit ihren tektonischen Platten. Und es
gibt jemanden, der ganz genau zuhört und jede
ungewöhnliche Bewegung wie beispielsweise
Erdbeben, Vulkanausbrüche, induzierte Beben,
Sprengungen und registriert: der Seismologe
bzw. sein entsprechend dafür ausgestattetes
Messinstrument, der Seismograph.
1
Der Seismograph kann Bodenerschütte-
rungen infolge von Erdbeben und anderen
seismischen Wellen als eine Verschiebung
im Zeitverlauf messen. Wie funktioniert
das? Der Seismograph besteht aus einer an
einer Federaufhängung gelagerten Masse.
Bei einer Bodenbewegung überträgt sich die
entstehende Schwingung auf das Gehäuse
des Messinstruments, während die Masse
aufgrund ihrer Trägheit in Ruhe verbleibt.
Die Folge ist eine Relativbewegung zwi-
schen Gehäuse und Masse, die in Form
eines Amplitudensignals über der Zeit auf-
gezeichnet wird und somit Informationen
über die Intensität der Bodenerschütterung
liefert. Anhand der Höhe der Amplitude
des Signals eines seismischen Ereignisses
kann die Intensität des Ereignisses ermittelt
werden. Da viele Seismographen auf der
Welt verteilt die seismischen Aktivitäten
registrieren, ist auch eine Lokalisierung
des Ereignisses möglich.
Ähnliches können wir auch in ande-
ren Bereichen nutzen. So können wir
beispielsweise„zuhören“, wie sich Be-
tonkonstruktionen, Brücken oder Druck-
behälter im Verlaufe ihrer Nutzungszeit
verändern. Auch im Bereich der Mate-
rialwissenschaft und Werkstofftechnik
können wir untersuchen, was in einem
Werkstoff passiert und wie er sich verän-
dert, wenn wir ihn einer äußeren Bean-
spruchung aussetzen, d. h. z. B. an einem
Metall ziehen oder drücken. In einigen
1 PD Dr.-Ing. habil. Anja Weidner, Institut für
Werkstofftechnik (IWT), Gustav-Zeuner-Str. 5,
09599 Freiberg, weidner@ww.tu-freiberg.de,
Tel: +49-3731-39-2124
Der große „Lauschangriff“
Anja Weidner
1
, Horst Biermann
Fällen können diese Prozesse so „laut“
sein, dass man sie mit dem bloßen Ohr
wahrnehmen kann. Dies ist z. B. als das so-
genannte „Zinngeschrei“ bekannt. Nimmt
man beispielsweise einen dünnen Zinn-
stab und zieht an diesem oder biegt ihn
hin und her, kann man dabei ein leichtes
Knistern vernehmen. Doch was sind die
Ursachen? Das sind Prozesse im Zinn, die
mit hoher Geschwindigkeit ablaufen und
bei denen dabei spontan ein hoher Betrag
an elastischer Energie freigesetzt wird.
Um die entstehenden Signale nicht nur zu
hören, sondern auch quantitativ auswerten
zu können, werden hier entsprechende
Sensoren direkt auf der Oberfläche der
zu untersuchenden Objekte angebracht.
Diese Messmethodik trägt den Namen
Schallemissionsanalyse. Zwischen den
seismischen Signalen und den Signa-
len der Schallemissionsanalyse gibt es
neben einigen Gemeinsamkeiten auch
einen signifikanten Unterschied
(Abbil-
dung 1).
Während seismische Ereignisse
wie Erdbeben vorwiegend im Niederfre-
quenzbereich (< 1 Hz) stattfinden, liegen
die Signale der Schallemissionsanalyse im
Hochfrequenzbereich zwischen 1 kHz und
1 MHz. Seismische Signale und Signale
der Schallemissionsanalyse sind exem-
plarisch in
Abbildung 1b bzw. 1c
darge-
stellt. Generell sind beide Signale ähnlich
in ihrem Erscheinungsbild, aber deutlich
unterschiedlich in der Zeitskala. Während
das seismische Signal eines Erdbebens
einige Minuten umfassen kann, finden die
Ereignisse bei der Schallemissionsanalyse
im Bereich von Mikrosekunden statt.
Das Verfahren der Schallemissions-
messungen ist ein passives Verfahren der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit
einem hohen Potenzial zur Charakterisie-
rung sowohl von Schädigungs- als auch
Verformungsmechanismen in Werkstof-
fen. Besondere Vorteile dieses Verfahrens
sind u. a. die hohe Zeitauflösung und der
integrale Messcharakter, d. h. dass die
Informationen aus dem gesamten unter
Prüfung stehenden Volumen stammen und
nicht wie bei mikroskopischen Verfahren
auf zweidimensionale Oberflächeninfor-
mationen beschränkt sind. Quellen für
Schallemissionssignale sind dabei Prozes-
se, die bei Beanspruchung eines Werk-
stoffs/Bauteils besonders schnell ablaufen
und bei denen ein großer Betrag an elas-
tischer Energie spontan freigesetzt wird.
Diese Energie breitet sich im Material-
volumen in Form von elastischen Wellen
aus und führt zu Oberflächenverschie-
bungen, die im Bereich von 10
-14
m lie-
gen können. Werden geeignete Sensoren
(z. B. Piezo-Sensoren) auf der Oberfläche
angebracht, können diese Oberflächenver-
schiebungen in elektrische Signale um-
gewandelt werden. Diese Signale können
dann nachverstärkt, gefiltert und aufge-
zeichnet werden.
Abbildung 2a
zeigt die
Rissentstehung als mögliche Quelle für
Schallemission,
Abbildung 2b
das Prinzip
der Schallemissionsmessung.
Prinzipiell können analog zu den seis-
mischen Signalen zwei Grundformen der
Schallemissionssignale unterschieden
werden: (i) kontinuierliche Signale und
(ii) transiente Signale. Beide Signalfor-
men sind in
Abbildung 3
dargestellt. In
der Praxis wird jedoch eine Überlagerung
beider Signalformen beobachtet, wie es in
Abbildung 3c
gezeigt ist.
Abb. 1: Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen seismischen Signalen und Schallemissionssignalen
Nach [1]

image
image
image
image
31
ACAMONTA 27 (2020) – Der große „Lauschangriff“
Die kontinuierlichen Signale stellen
zum einen das Untergrundrauschen
(Rauschniveau, Störpegelniveau) dar, kön-
nen aber andererseits auch durch langsam
ablaufende Prozesse wie z. B. Versetzungs-
bewegung verursacht werden. Die Signal-
stärke (Amplitude) dieser Signale kann
sowohl durch die maximale Amplitude als
auch durch den Effektivwert angegeben
werden. Transiente Signale hingegen wer-
den durch sehr schnelle Prozesse wie z. B.
Rissbildung verursacht und können durch
eine Reihe von Parametern beschrieben
werden, wie z. B. die maximale Signalstär-
ke (Amplitude), die Anklingzeit, oder die
Länge (Dauer) des Signals.
Abbildung 4
zeigt eine Darstellung beider Signalformen
mit den entsprechenden Parametern.
Für die Aufzeichnung der Schallemis-
sionssignale können zwei verschiedene
Strategien zum Einsatz kommen. Dies
ist zum einen die schwellenwertbasierte
und zum anderen die schwellenwertfreie
Aufzeichnung. Das Prinzip beider Stra-
tegien ist in
Abbildung 5
dargestellt. Bei
der schwellenwertbasierten Aufzeichnung
wird knapp oberhalb des Störpegelniveaus
ein Schwellenwert festgelegt. Bei der Auf-
zeichnung werden nur diejenigen Signale
registriert, deren Signalstärke oberhalb
dieses Schwellenwerts liegt. Mit diesem
Verfahren lässt sich sehr gut die Anzahl
von transienten Ereignissen sowie deren
Ankunftszeit ermitteln. Das schwellen-
wertfreie Verfahren hingegen registriert
den kompletten Datensatz und zeichnet
sowohl kontinuierliche als auch transiente
Signale auf. Dies hat den Vorteil, dass auch
langsame Ereignisse bzw. Ereignisse mit
geringer Signalstärke, die innerhalb des
Effektivwerts des Störpegelniveaus liegen,
aufgezeichnet und ausgewertet werden
können. Hier steht daher der gesamte
Frequenzraum für die Datenanalyse zur
Verfügung.
In der Vergangenheit wurde die Schall-
emission häufig zur Detektion der Rissbil-
dung z. B. zur Überwachung von Druckbe-
hältern eingesetzt. Dabei kam häufig die
schwellenwertbasierte Aufzeichnung der
Schallemissionssignale zum Einsatz. Dies
ist eine besonders effiziente Methode bei
Langzeitmessungen wie z. B. bei der Über-
wachung von Druckbehältern und anderen
Anlagen/Bauwerken. Die rasante Entwick-
lung auf dem Gebiet der Computertech-
nologie ermöglicht es heute allerdings,
Schallemissionsdatensätze kontinuierlich
aufzuzeichnen, so dass alle Informatio-
nen für die Datenauswertung zur Verfü-
gung stehen. Dies ist insbesondere dann
wichtig, wenn neben den
Schädigungsmechanis-
men wie z. B. Rissbildung
und Risswachstum auch
Verformungsmechanis-
men in metallischen
Werkstoffen wie z. B. die
Versetzungsbewegung
für das Verständnis des
Werkstoffverhaltens von
Interesse sind.
Im Folgenden soll ein
Beispiel gegeben wer-
den, wie das Verfahren
der Schallemissions-
messung im Bereich der
Werkstofftechnik zur
Charakterisierung des
Werkstoffverhaltens bzw.
der Werkstoffschädigung
verwendet werden kann.
Abb. 2: (a) Entstehung von elastischen Wellen durch Bildung eines Risses während einer Zugbeanspruchung,
(b) Prinzip der Schallemissionsmessung
Abb. 3: Typische Grundformen der Schallemissionssignale in Werkstoffen: (a) Kontinuierliches Signal,
(b) Transientes Signal, (c) Überlagerung von transienten und kontinuierlichen Signalen
Nach [1]
Nach [1]
Nach [1]
Nach [1]
Abb. 4: Signaltypen der Schallemission inklusive charakteristischer Parameter: (a) Transientes Signal.
(b) Kontinuierliches Signal. Nach [1]
Abb. 5: Schwellenwertbasiertes
(a) und schwellenwertfreies
(b) Messprinzip der Schall-
emissionsmessungen

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Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
32
ACAMONTA 27 (2020) – Der große „Lauschangriff“
Bei dem Werkstoff, der hier mittels der
Schallemission näher betrachtet wird, han-
delt es sich um einen besonderen Stahl aus
der Klasse der hochfesten austenitischen
Stähle mit herausragenden Eigenschaften
wie einer sehr guten Verformbarkeit bei
gleichzeitig guter Festigkeit. Dies wird
durch einen Mechanismus möglich, der
bei der mechanischen Beanspruchung
des Werkstoffs z. B. unter Zug oder Druck
abläuft — die Zwillingsbildung. Bei der
Zwillingsbildung kommt es zu einer
homogenen Abscherung zweier Kristal-
litbereiche gegeneinander, wobei beide
Kristallitbereiche nach der Abscherung
spiegelbildlich zueinander angeordnet
sind. Diesem Mechanismus verdanken
diese besonderen Stähle auch ihren Na-
men. Im englischen Sprachraum werden
sie als TWIP-Stähle bezeichnet, wobei
TWIP für Twinning-Induced Plasticity [2]
steht, was zwillingsinduzierte Plastizität
bedeutet. Das Legierungskonzept dieser
austenitischen Stähle, welches an der TU
Bergakademie Freiberg im Rahmen des
SFB 799 entwickelt und patentiert wurde
[3], beruht auf einem niedrigen Kohlen-
stoff- und Stickstoffgehalt (< 0.05 Ma. %),
einem hohen Anteil der Legierungsele-
mente Cr (16 Ma. %), Mn (7 Ma. %) und
Ni (9 Ma. %). Dieser Werkstoff wurde in
den vergangenen zwölf Jahren intensiv
erforscht. Details zum Werkstoff und den
durchgeführten Untersuchungen können
in [4–7] nachgelesen werden. An diesem
Werkstoff wurde die Schallemissionsmes-
sung während einer Zugbeanspruchung
bei Raumtemperatur durchgeführt.
Abbil-
dung 6
zeigt die verwendete Probengeo-
metrie für einen Zugversuch
(Abbildung
6a)
sowie die Anordnung der Probe in
der Prüfmaschine mit dem angebrachten
Schallemissionssensor
(Abbildung 6b).
Die Aufnahme der Schallemissions-
signale erfolgte während der gesamten
Zugbeanspruchung mit einem Breit-
band-Piezo-Sensor (100–1000 kHz), der
im Schulterbereich der Flachzugproben
mit Hilfe eines Gummibandes fixiert
wurde. Die Aufnahme der Schallemis-
sionssignale erfolgte dabei kontinuier-
lich, schwellenwertfrei mit einer hohen
Datenerfassungsrate von zwei Millionen
Datenpunkten pro Sekunde (2 MSPS).
Damit stehen für die Datenauswertung
sowohl die kontinuierlichen als auch die
transienten Signale zur Verfügung. Die
kontinuierlichen Schallemissionsdaten-
sätze werden mit den Spannungs-Deh-
nungs- bzw. Kraft-Zeit-Kurven synchro-
nisiert. Die Auswertung der Schallemissi-
onsdaten erfolgt sowohl im Zeit- als auch
im Frequenzspektrum. Im Zeitspektrum
lassen sich zunächst Parameter wie die Art
der Signale (kontinuierlich, transient), die
Anzahl und die Amplitude analysieren.
Für die Betrachtungen im Frequenzspekt-
rum erfolgt eine Fast-Fourier-Transforma-
tion (FFT) der Daten, wobei gleichzeitig
eine Entfaltung der gemessenen Schalle-
missionsdaten in die Übertragungsfunk-
tion (Wellenausbreitung, Eigenschaften
des Schallemissionssensors) und die
sogenannte Quellenfunktion erfolgt. Bei
der FFT wird gleichzeitig das natürliche
Untergrundrauschen abgetrennt. Für
die FFT wird der gesamte Datensatz in
einzelne Fenster mit einer Größe von 2
n
Datenpunkten unterteilt, für die die Ent-
faltung durchgeführt wird. Dabei hängt
die Wahl der Größe der Fenster von der
Dichte der Schallemissionsereignisse ab.
Üblicherweise wird mit Fenstergrößen
von 2
10
(1.024) bis 2
13
(8.192) gearbeitet.
Das Ergebnis der FFT ist eine spektrale
Leistungsdichtefunktion
G(f),
die sich
je nach der Natur der Signale, d.h. ihres
Ursprungs, signifikant voneinander unter-
scheiden können. Zwei charakteristische
Parameter der spektralen Leistungsdichte-
funktion sind die Leistung/Energie der
Schallemissionssignale
E
und die Medi-
anfrequenz
f
m
. Die Energie
E
entspricht
dabei der Fläche unter der Kurve der Leis-
tungsdichtefunktion. Die Medianfrequenz
entspricht der Frequenz, die die Fläche
unterhalb der Leistungsdichtefunktion in
zwei gleichgroße Anteile trennt.
Durch Pomponi und Vinogradov [8]
wurde ein Ansatz für eine Clusteranaly-
se in Anlehnung an einen sequentiellen
k-means-Algorithmus
entwickelt. Dieser
Algorithmus erlaubt die Trennung von
verschiedenen Schallemissionsquellen
auf der Basis verschiedener spektraler
Leistungsdichtefunktionen und deren
Zusammenfassung in einzelnen Clustern.
Dies geschieht nach dem Prinzip der Mi-
nimierung der Unterschiede zwischen
Elementen innerhalb eines Clusters und
Maximierung der Unterschiede zwischen
Elementen unterschiedlicher Cluster.
Abb. 8: Schematische zwei-
dimensionale Darstellung
der Clusterung von Elemen-
ten mit unterschiedlichen
Eigenschaften
Die verschiedenen Cluster wiederum kön-
nen dann mit verschiedenen Mechanis-
men, die im Werkstoff ablaufen, korreliert
werden. Zur Interpretation der Schallemis-
sionsdaten werden weitere Charakterisie-
rungsmethoden herangezogen wie z. B.
die Röntgenbeugung und die Raster- bzw.
Transmissionselektronenmikroskopie.
Abbildung 9a
zeigt eine Spannungs-
Dehnungs-Kurve (grau) eines Zugversuchs
mit einem aufgenommenen Datensatz der
Schallemissionsmessung (grün). In
Abbil-
dung 9b
ist ein Ausschnitt für ein Zeitin-
tervall von 1 s zu sehen. Hier wird deutlich,
dass neben den kontinuierlichen Signalen
eine Vielzahl dicht beieinander liegender
transienter Signale überlagert sind.
Die Anwendung des durch Pomponi
und Vinogradov [8] entwickelten Algo-
rithmus der Spektral- und Clusterana-
lyse von kontinuierlich während des
Abb. 6: Versuchsanordnung Zugversuch mit Proben-
geometrie (a) und Schallemissionssensor (b); grau
markierter Bereich – Platz für Schallemissionssensor
Abb. 7: Schematische Darstellung verschiedener, normalisierter Spektralfunktionen:
(a) Spektralfunktionen mit unterschiedlichen Energien der Schallemissionssignale aber identischer Medianfrequenz,
(b) Spektralfunktionen mit unterschiedlicher Energie und verschiedenen Medianfrequenzen
Nach [1]
Nach [1]
Nach [1]

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33
ACAMONTA 27 (2020) – Der große „Lauschangriff“
Beanspruchungsvorgangs registrierten
Schallemissionssignalen führt zur Iden-
tifizierung verschiedener Cluster mit un-
terschiedlichen Eigenschaften wie z.B. der
spektralen Energie der Signale
E
und der
Medianfrequenz
f
m
, wie es in
Abbildung 10
für den Stahl mit der ausgeprägten Zwil-
lingsbildung gezeigt ist. Diese Cluster
wiederum können nun mit verschiedenen
Prozessen, die im Werkstoff während der
Beanspruchung ablaufen — den sogenann-
ten Verformungsmechanismen — korreliert
werden. Für den hier betrachteten Stahl
wird neben der normalen Versetzungsbe-
wegung auch die Bildung von Zwillingen
beobachtet und mittels abbildender Ver-
fahren wie der Raster- und Transmissi-
onselektronenmikroskopie bestätigt. An-
ders als in Werkstoffen wie Titan oder
Magnesium erfolgt die Zwillingsbildung
in diesen Stählen über die koordinierte
Bewegung von sogenannten Partialverset-
zungen. Wie
Abbildung 10
zeigt, können
neben dem normalen Untergrundrauschen
(grün) drei unterschiedliche Quellen für
die Entstehung von Schallemissionssig-
nalen voneinander getrennt werden: (i)
die Versetzungsbewegung (blau) — nied-
rige Frequenzen und geringe Energien,
(ii) die Aufspaltung von Versetzungen in
Partialversetzungen (schwarz) — niedrige
Frequenzen in einem engen Frequenzband
und höhere Energien, und (iii) die Zwil-
lingsbildung (rot) — höhere Frequenzen
und Energien mit jeweils breiter Streuung.
Konnten aus den Schallemissionsmes-
sungen verschiedene Quellen für die Ent-
stehung der Schallemissionssignale ex-
trahiert und in Clustern zusammengefasst
werden, so kann in einem nächsten Schritt
die zeitliche Entwicklung der einzelnen
Cluster über den gesamten Beanspru-
chungszeitraum hinweg betrachtet wer-
den. Dies kann sowohl über die Entwick-
lung der Anzahl der Elemente pro Cluster
als auch über deren kumulierte Energie
E
Σ
erfolgen.
Abbildung 11
verdeutlicht das
wiederum am Beispiel des TWIP-Stahls
mit ausgeprägter Zwillingsbildung. Aus
Gründen der Übersichtlichkeit werden hier
nur zwei Quellen (Cluster) für Schallemis-
sionssignale betrachtet: (i) Versetzungs-
bewegung und (ii) Zwillingsbildung. Es
ist deutlich zu erkennen, dass die beiden
Quellen der akustischen Emission getrenn-
te Zeitverläufe haben.
Wie eingangs erwähnt, liegt das große
Potenzial der
In-situ-Messung
von Schall-
emissionen während der mechanischen
Beanspruchung von Werkstoffen in der
hohen Zeitauflösung (im Bereich von
Mikrosekunden) sowie dem integralen
Charakter der Messmethode, die Infor-
mationen aus dem gesamten getesteten
Probenvolumen liefert. Der Vorzug der
Schallemissionsmessungen ist die kon-
tinuierliche Abbildung der Kinetik der
ablaufenden Verformungsmechanismen.
Literatur:
1 A. Weidner, Deformation mechanisms of TRIP/
TWIP steels: In situ characterization techniques,
Springer Series in materials Science, Springer
Nature (2020), ISBN 978-3-030-37149-4.
2
B.C. De Cooman, Y. Estrin, S.K. Kim: Twinning-
induced plasticity (TWIP) steels. Acta Materi-
alia 147 (2018), S. 283–362.
3
A. Weiß, H. Gutte, A. Jahn, P. R. Scheller: Nichtros-
tende Stähle mit TRIP/TWIP/SBIP-Effekt. Mat.-
wiss. u. Werkstofftech. 40/8 (2009) S. 606–611.
4 H. Biermann, C.G. Aneziris: Austenitic TRIP/
TWIP Steels and Steel-Zirconia Composites,
Springer Series in Materials Science, Sprin-
ger Nature (2020), ISBN 978-3-030-42603-3.
5 A. Weidner, H. Biermann: Combination of dif-
ferent in situ characterization techniques and
scanning electron microscopy investigations
for a comprehensive description of the tensi-
le deformation behavior of a CrMnNi TRIP/
TWIP steel. JOM 67/8 (2015), S. 1729–1747.
6 A. Vinogradov, A. Lazarev, M. Linderov, A.
Weidner, H. Biermann: Kinetics of deformation
pro-cesses in high-alloyed cast transformati-
on-induced plasticity/twinning-induced plas-
ticity steels determined by acoustic emission
and scanning electron microscopy: Influence
of austenite stability on deformation mecha-
nisms Acta Materialia 61 (2013), S. 2434–2449.
7
M. Linderov, C. Segel, A. Weidner, H. Biermann,
A. Vinogradov: Deformation mechanisms in
austenitic TRIP/TWIP steels at room and eleva-
ted temperature investigated by acoustic emis-
sion and scanning electron microscopy. Mater.
Sci. Eng. A597 (2014), S. 183–193.
8 E. Pomponi, A. Vinogradov: A real-time ap-
proach to acoustic emission clustering. Me-
chanical Systems and Signal Processing 40
(2013), S. 791–804.
9 A. Weidner, H. Biermann: Akustische Emissi-
on zur Untersuchung von Verformungs- und
Schädigungsmechanismen, In: Fortschritte
in der Werkstoffprüfung für Forschung und
Praxis: Tagung Werkstoffprüfung (2019)
Verlag Stahleisen GmbH, ISBN: 978-3-88355-
418-1, S. 299–304.
Abb. 9: (a) Spannungs-Dehnungs-Kurve (grau) in Kombination mit Schallemissionsdatensatz (grün),
(b) Ausschnitt mit der Länge von 1 s entsprechend der roten Markierung in (a)
Nach [1]
Nach [1, 7]
Nach [9]
Abb. 10: Ergebnis der Clusteranalyse eines Schallemis-
sionsdatensatzes aufgenommen an einem TWIP-Stahl
während einer Zugbeanspruchung bei Raumtemperatur
Abb. 11: Kinetik der Versetzungsbewegung und der Zwillingsbildung während des Zugversuchs eines TWIP-Stahls bei
Raumtemperatur. Gezeigt ist die zeitliche Entwicklung der jeweiligen Cluster hinsichtlich der Anzahl der Clusterele-
mente (a) und ihrer kumulierten Energie
E
(b). Nach [1,7]

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Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
34
ACAMONTA 27 (2020) – Zwölf Jahre erfolgreiche Öffentlichkeitsarbeit im SFB 799 – das Teilprojekt Ö
Es ist der 1. Juli 2008, ein freudiger Sommer-
tag, als ein ganz besonderes Kapitel an der TU
Bergakademie Freiberg aufgeschlagen wird: Der
Sonderforschungsbereich 799 „TRIP-Matrix-
Composite“ nimmt seine Forschungstätigkeit auf.
Von diesem Tag an sollen zwölf Jahre exzellente
Forschung und kollegiale Gemeinschaft folgen.
Etwas ganz Besonderes ist der SFB 799 auch
durch seine innovativen Teilprojekte. Bis dato galt
es als absolute Neuheit, die Öffentlichkeitsarbeit
als Teilprojekt in ein solches Gesamtvorhaben
zu integrieren. Unter Leitung von Frau Prof.
Dr. Margit Enke begleitete unser Pionierpro-
jekt den SFB 799 auf seinem langjährigen
Forschungsweg.
1
Die Hochzeit von Stahl und Keramik
In Fachkreisen sprach man von dem
Verbund aus transformation-induced-
plasticity-Stählen und Zirkondioxid-Ke-
ramiken. Die Aufgabe des Teilprojekts
Öffentlichkeitsarbeit bestand nun darin,
das Wissen und die Forschung um die
Verbundwerkstoffe auf Fe-ZrO
2
-Basis
verschiedenen Zielgruppen zu vermitteln.
Aber seien wir ehrlich: Nur ein Bruchteil
unserer Gesellschaft interessiert sich für
chemische Formeln und weiß, was mit „Fe-
ZrO
2
-Verbindungen“ gemeint ist. Deshalb
bestand die eigentliche Herausforderung
für unser Teilprojekt darin, auf einfache
und verständliche Weise den Mehrwert
dieses neuartigen Verbundwerkstoffs zu
erklären. Und das haben wir geschafft.
‚Die Hochzeit von Stahl und Keramik zu
einem noch leistungsfähigeren, ressour-
censchonenden Verbundwerkstoff‘ ist nun
für jeden von uns verständlich.
Die Industrie muss mit ins Boot
Konkret verstärken sich die beiden
Werkstoffe Stahl und Keramik gegenseitig
und können auf hohe äußere Beanspru-
chung reagieren. So zeichnet sich der neu-
artige Verbundwerkstoff durch spezielle
Eigenschaften, wie hohem Energieauf-
nahmevermögen sowie Leichtigkeit und
1 Prof. Dr. habil. Margit Enke, Inhaberin des
Lehrstuhls für Marketing und Internationalen
Handel, TU Bergakademie Freiberg
Schloßplatz 1, 09599 Freiberg
Isabel Luther, Wissenschaftliche Mitarbeiterin
am Lehrstuhl für Marketing und Internationa-
len Handel
Zwölf Jahre erfolgreiche Öffentlichkeitsarbeit
im SFB 799 – das Teilprojekt Ö
Margit Enke
1
, Isabel Luther
1
Verformbarkeit bei gleichzeitig extremer
Festigkeit aus. Das führt beispielsweise
dazu, dass der Verbundwerkstoff bei einem
Autocrash mehr Energie absorbieren und
so gegebenenfalls Menschenleben retten
kann. Anwendern aus der Industrie ka-
men die innovativen Materialsysteme und
ihre Herstellungstechnologien besonders
gelegen. Sie profitierten von umweltge-
rechten Lösungen und den besagten, he-
rausragenden Werkstoffeigenschaften.
Dem Sonderforschungsbereich 799 und
seinen Mitarbeitenden zeigten die Indus-
trieprojekte einmal mehr, dass die hier
betriebene Forschung anwendungsfähig
und zukunftsträchtig ist.
Den wissenschaftlichen Nachwuchs
für Werkstoffe begeistern
Doch exzellente Forschung war noch
nie ohne exzellente Mitstreiter möglich.
Aus diesem Grund war uns die Förderung
des wissenschaftlichen Nachwuchses
besonders wichtig. Manch einer würde
sagen ‚Früher war alles besser‘. Die Hör-
säle waren gut gefüllt, der wissenschaft-
liche Nachwuchs begeistert. Vielleicht ist
aber in dieser Hinsicht heute gar nichts
schlechter, sondern einfach nur anders.
Um Schüler*innen und Studierende heute
zu begeistern, bedarf es spannender und
kreativer Methoden — Methoden, die emo-
tional ansprechen und dabei helfen, sich
in dem riesigen Geflecht von Kanälen und
Informationen zurechtzufinden und einen
Mehrwert schaffen. Unter diesem Leitsatz
sind viele kreative Ideen und echte Eye-
Catcher entstanden. Themen des Schüler-
wettbewerbs wie „STOP — Müll ist nicht
tragbar, Deine Tasche schon“ oder „Zieg-
lein, Zieglein in der Wand — Wer hat den
Stärksten im ganzen Land?“ motivierten
Schüler*innen dazu, sich dem Thema Ver-
bundwerkstoffe anzunähern. Im Rahmen
des Girls’ Days experimentierten die Teil-
nehmerinnen in verschiedenen Workshops,
beispielsweise zur Herstellung von Dia-
manten, denn wir wissen alle: Diamonds
are a girl’s best friends! In Kooperation
mit dem Schülerlabor der TU Bergaka-
demie Freiberg erfuhren Schüler*innen
und Studierende, warum Metalle „denken“
können. Zwölf Jahre lang hat unser Teilpro-
jekt den wissenschaftlichen Nachwuchs
auf spielerische Art und Weise für den Be-
reich der Materialwissenschaft begeistert
und damit so manche Schüler*innen für
die Universität und Studierende für den
Sonderforschungsbereich 799 gewinnen
können.
Eine Ära geht zu Ende
Im Jahr 2020 schließt das Kapitel Son-
derforschungsbereich 799 „TRIP-Matrix-
Composite“. 28 Promotionen und sechs
Habilitationen, über 500 internationale
Publikationen, drei Mercator-Gastpro-
fessuren, hochrangige Auszeichnungen
und Forschungsfilme für die Ewigkeit —
es ist ein Abschied unter Freudentränen.
Die Wissenschaftler*innen der langjäh-
rigen, starken Forschungsgemeinschaft
setzen ihre Wege fort — ohne Begleitung
durch das Teilprojekt Ö, aber mit einzig-
artigem Know-how und unvergesslichen
Erinnerungen. Ohne die Förderung der
Deutschen Forschungsgemeinschaft wäre
der Erfolg von zwölf Jahren Forschung
und Öffentlichkeitsarbeit nicht möglich
gewesen.
„Ob und wie eine Maßnahme
wahrgenommen wird, ist in
der heutigen Zeit der Informa-
tionsüberflutung besonders
bedeutend. Es ist das A und
O unserer Arbeit.“
Margit Enke
Schüler*innen
forschen im
Schülerlabor der
TU Freiberg
Foto: Detlevv Müller/TU Bergakademie Freiberg

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35
ACAMONTA 27 (2020) – Zwölf Jahre erfolgreiche Öffentlichkeitsarbeit im SFB 799 – das Teilprojekt Ö
1) Mitarbeitende des SFB 799 während
der Herbstschule in Aachen
2) Herstellung von Ballotines
3) Vorbereitung des Elektronenstrahl-
schmelzens in der EBM-Anlage
4) Beanspruchung einer Probe im
Axial-Torsions-Ermüdungsprüfsystem
5) Stahlguss
6) Modellierung der Bruch- und
Schädigungsmechanik
7) Pulverschmieden
8) Schüler*innen experimentieren
im Rahmen des Girls’Days
1
2
4
6
7
8
5
3
Foto: Isabel Luther
Fotos (2–7): Sons of Motion Pictures
Foto: Isabel Luther

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Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
36
ACAMONTA 27 (2020) – Energieeffiziente Leistungselektronik
Hocheffiziente Leistungselektronik ist die Vo-
raussetzung für neuartige Anwendungen, wie
smarte Energieversorgung, Automatisierung,
Power-Management-Systeme, Elektromobili-
tät, breitbandige Kommunikationssysteme der
nächsten Generation (5G) und Anwendungen
der künstlichen Intelligenz (KI).
1
Die Anzahl miteinander agierender
und vernetzter Systeme wächst stetig. Zu-
gleich ist der schonende Umgang mit
Ressourcen eine zentrale gesellschaftli-
che Herausforderung. Durch die Zunahme
leistungselektronischer Systeme sowie des
Datenverkehrs steigt jedoch der Primär-
energieverbrauch. Da elektrische Energie
stets umgewandelt werden muss, um von
verschiedenen Systemen genutzt werden
zu können, nimmt der Bedarf an elektri-
scher Konversion zu. Derzeit verfügbare
Leistungsbauelemente stoßen bezüglich
ihrer Schaltgeschwindigkeit und der
Kompaktheit ihres Aufbaus durch die
verwendeten Halbleitermaterialien an
ihre Grenzen. Kritisch ist hierbei, auch
bei hohen Schaltgeschwindigkeiten oder
Frequenzen effiziente Konverter oder
Leistungsverstärker zu realisieren. Durch
sogenannte Konversionsverluste in diesen
Bauteilen geht noch immer eine erhebliche
Menge Energie für die Nutzung verloren.
2
Die effiziente Wandlung von Energie wird
damit zum Schlüssel für Anwendungen
bei der Digitalisierung der Industrie sowie
des weiteren Einsatzes der KI im großen
Maßstab.
Im Verbundprojekt
Leistungstransisto-
ren auf Basis von AlN
(LeitBAN) forscht
das Institut für Angewandte Physik (IAP)
zusammen mit Partnern aus in diesem
Gebiet führenden Forschungsinstituten an
Halbeitermaterialien und technologischen
Maßnahmen, mit denen die Effizienz der
elektrischen Energiewandlung weiter
erhöht und damit Ressourcen geschont
werden können. Voraussetzung dafür sind
effizient schaltende Leistungshalbleiter
mit deutlich verringerten Durchlassver-
lusten, die eine hohe Energiedichte er-
möglichen. In großem Maßstab eingesetzt,
ließe sich mit ihnen signifikant Energie
einsparen und ein relevanter Beitrag zur
CO
2
-Reduktion leisten.
1 TU Bergakademie Freiberg, Institut für
Angewandte Physik.
2
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/
Publikationen/Energie/energieeffizienz-in-
zahlen-2019.pdf.
Energieeffiziente Leistungselektronik
Valentin Garbe, Sarah Seidel, Christian Röder, Alexander Schmid, Johannes Heitmann
1
Nitridhalbleiter
Die hohen Anforderungen an Wir-
kungsgrade und Leistungsdichten zu-
künftiger Umrichter und Schalter über-
steigen die Fähigkeiten der etablierten
und auf Silizium (Si) basierten MOSFET
3
-
und IGBT
4
-Technologie. Um kompaktere
Transistoren mit bisher nicht erreichter
Leistungsdichte, Effizienz und Zuverläs-
sigkeit zu ermöglichen, werden am IAP
neuartige Halbleitermaterialien unter-
sucht, die viele Vorteile bieten. Für Leis-
tungstransistoren müssen diese Halbleiter
eine hohe Leistungsdichte aufweisen, d. h.,
vergleichsweise kleine Halbleitervolumina
müssen in der Lage sein, hohe Leistun-
gen zu schalten. Dafür werden sogenannte
nitridische (Stickstoff-basierte) Halbleiter
mit einer Bandlücke größer als die von Si
(1,1 eV) verwendet. Eine größere Band-
lücke des Halbleiters ermöglicht höhere
Durchbruchsfeldstärken im Bauteil.
Anfang der 2000er Jahre wurden die
ersten Transistoren auf Basis von Gallium-
nitrid (GaN) vorgestellt.
5
Die große Band-
lücke von GaN (3,4 eV) eröffnete aufgrund
der dadurch bedingten 10-fach höheren
Durchbruchsfeldstärke im Vergleich zu
Si neue Perspektiven in verschiedenen
Bereichen der Leistungselektronik. Ein
weiterer Vorteil ist, dass sich die (im Ge-
gensatz zu Si) direkte Bandlücke von GaN
im System der nitridischen Halbleiter stu-
fenlos anpassen lässt: durch die anteilige
Substitution von Ga durch Aluminium (Al)
lässt sich die Bandlücke weiter vergrößern
(bis zu AlN: 6 eV), während sich durch die
anteilige Substitution von Ga durch Indi-
um (In) die Bandlücke verkleinern lässt
(bis zu InN: 0,7 eV). Durch entsprechen-
de Mischverhältnisse wird beispielsweise
der gesamte Bereich des sichtbaren Lichts
abgedeckt
(Abbildung 1).
Dies macht das
System auch für optische Anwendungen
interessant und hat zur Entwicklung der
energieeffizienten blauen und weißen LED
geführt. Während In, Ga und Al in der
III. Hauptgruppe des Periodensystems der
Elemente (PSE) stehen, ist Stickstoff (N)
3 Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(engl.;
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor).
4 Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode
(engl.;
Insulated-Gate Bipolar Transistor).
5 P. D. Ye, B. Yang, K. K. Ng, J. Bude, G. Wilk,
S. Halder, and J. C. M. Hwang, Int. J. High
Speed Electron. Syst.
14,
791 (2004).
https://doi.org/10.1142/S0129156404002843.
in der V. Hauptgruppe des PSE zu finden.
Deshalb spricht man bei diesem Material-
system von III/V-Verbindungshalbleitern.
Abb. 1: Bandlücke und korrespondierende Wellenlänge
(bzw. Farbe) sowie Kristallgitterkonstante des AlN-GaN-
InN-Systems.
6
Transistor mit hoher
Elektronenbeweglichkeit
Eine weitere Eigenschaft der III/V-
Verbindungshalbleiter ist die in be-
stimmten Transistorkonzepten erreich-
bare hohe Elektronenbeweglichkeit und
damit erzielbare Schaltgeschwindigkeit.
Grundlage dafür ist die Erzeugung einer
Grenzfläche zwischen zwei Nitridhalblei-
tern unterschiedlicher Bandlücke bzw.
Kristallgitterkonstante, z. B. GaN/AlGaN.
Aufgrund von Verspannungen und einer
fehlenden Inversionssymmetrie kommt es
zu einer spontanen und piezoelektrischen
Polarisation
(Abbildung 2a),
welche eine
Verbiegung der Energiebänder hervorruft.
An der Grenzfläche zwischen GaN/AlGaN
sinkt das Leitungsband unter das Fermi-
niveau
(Abbildung 2b).
Da alle elektroni-
schen Zustände unter dem Ferminiveau
besetzt sind, bildet sich lokal ein zweidi-
mensionales Elektronengas (2DEG). In die-
sem 2DEG sind die Elektronen aufgrund
der räumlichen Beschränkung auf zwei
Dimensionen und der fehlenden Streuung
an Störstellen äußerst beweglich. Diese
sogenannte Heterostruktur mit 2DEG
(Abbildung 2c)
wird im Transistor mit
hoher Elektronenbeweglichkeit (engl.
high electron mobility transistor, HEMT)
für leistungselektronische und schnell
schaltende Bauteile genutzt.
Auch am IAP wurden solche auf GaN/
AlGaN-basierten Leistungstransistoren im
zentralen Reinraumlabor der TU Bergaka-
demie Freiberg entwickelt, wobei bisher
der Fokus neben der Entwicklung dünner
dielektrischer Passivierungsschichten für
dieses Materialsystem auf der Herstellung
der drei elektrischen Anschlüsse eines
6
D. S. Arteev, A. V. Sakharov, E. E. Zavarin, W. V.
Lundin, A. N. Smirnov, V. Y. Davydov, M. A.
Yagovkina, S. O. Usov, and A. F. Tsatsulnikov,
J. Phys.: Conf. Ser.
1135,
012050 (2018).

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37
ACAMONTA 27 (2020) – Energieeffiziente Leistungselektronik
solchen Transistors lag: Source, Drain und
Gate
(Abbildung 3).
Die Gate-Elektrode ist
die Steuerelektrode des Bauteils und schal-
tet den Transistor durch Anlegen einer
Spannung an oder aus. Sie liegt entweder
direkt am Nitridhalbleiter an oder ist durch
ein Oxid elektrisch vom 2DEG isoliert.
Bei Source und Drain handelt es sich um
sogenannte ohmsche Kontakte, die für den
Stromzufluss (Source) und Stromabfluss
(Drain) des Bauteils zuständig sind und
eine lineare Strom/Spannungs-Abhän-
gigkeit zeigen.
7
Abb. 3: HEMT als Heterostruktur mit 2DEG, ohmschen
Kontakten (Source und Drain) und Gate-Elektrode.
7
Ohmsche Kontakte
Ohmsche Kontakte dienen der Kon-
taktierung elektronischer Bauelemente
und verbinden sie elektrisch mit anderen
Bauteilen. Dabei bestimmt ihr Kontakt-
widerstand, neben der Leitfähigkeit des
2DEG, maßgeblich den Leistungsverlust
des HEMT im angeschalteten Zustand und
damit den Energieverbrauch des fertigen
Bauteils.
Die Herstellung ohmscher Kontakte
zu Halbleitern mit großer Bandlücke
ist grundsätzlich anspruchsvoll. In den
letzten Jahren hat sich der etwa 200 nm
dünne Ti/Al/Ni/Au-Kontaktstapel als
Standard-Metallisierung durchgesetzt
(Abbildung 4a),
wobei alle vier Metall-
schichten einen bestimmten Zweck er-
füllen. Wie jede Metallisierung bildet
auch dieser Kontaktstapel zunächst an
7 A. Schmid (2019). Untersuchungen zu Vanadi-
um-basierten ohmschen Kontakten in AlGaN/
GaN-MISHFETs [Dissertation, TU Bergakade-
mie Freiberg].
der Grenzfläche zum Halbleiter mit großer
Bandlücke eine Schottky-Barriere
8
aus.
Um diese Barriere zu überwinden, muss
der Halbleiter dotiert werden.
Die Dotierung findet während eines
Kurzzeit-Hochtemperaturschritts (engl.
rapid thermal annealing, RTA)
statt und
erzeugt unter anderem durch metallische
Mischphasenbildung eine Bandverbiegung
an der Halbleiteroberfläche. Ist die Band-
verbiegung ausreichend groß, wird die
Barriere schmal genug, sodass sie von
Elektronen quantenmechanisch durch-
tunnelt werden kann. Dieses sogenannte
Bandlücken-Engineering führt zu einem
quasiohmschen Kontakt mit einem linea-
ren Strom/Spannungs-Verhalten trotz the-
oretisch vorhandener Schottky-Barriere.
8 Potenzialbarriere am Metall/Halbleiter-
Kontakt, welche für ein gleichrichtendes/
sperrendes Verhalten sorgt; benannt nach dem
Physiker Walther Schottky.
Ohmsche Kontakte werden durch Elek-
tronenstrahlverdampfen bzw. thermisches
Verdampfen im zentralen Reinraumla-
bor hergestellt. In Vorarbeiten des IAP
konnte gezeigt werden, dass sich durch
Einbringung von Vanadium (V) in den
Kontaktschichtstapel
(Abbildung 4b)
die
Formierungstemperatur von 850 °C auf
700 °C verringern lässt, was wiederum
die elektrische Leitfähigkeit des 2DEG
weniger beeinträchtigt.
9
Zudem konnte
die Formierung der Kontakte auf mikro-
struktureller Ebene aufgeklärt und gezeigt
werden, dass V durch die AlGaN-Barriere
eindiffundiert und so das 2DEG lokal di-
rekt kontaktiert
(Abbildung 5).
Daher sollte
diese Technologie auch in der Lage sein,
auf den im Projekt
LeitBAN
geplanten
9 A. Schmid, C. Schroeter, R. Otto, M. Schuster,
V. Klemm, D. Rafaja, and J. Heitmann,
Appl. Phys. Lett.
106,
053509 (2015).
http://doi.org/10.1063/1.4907735.
Abb. 2: (a) Spontane (P
SP
) und piezoelektrische (P
PE
) Polarisation im Kristallgitter an der Grenzfläche GaN/AlGaN, (b) dadurch erzeugte Bandverbiegung in einem HFET
mit Leitungsband (E
CB
) unterhalb des Ferminiveaus (E
F,S
), (c) Ausbildung des 2DEG im HFET.
7
(a): Grafik nach: Yu, J. Vac. Sci. Technol. B
17,
1742 (1999)
TU Bergakademie Freiberg | Institut für Angewandte Physik | Alexander Schmid | Dissertationsverteidigung | 24.06.2020
2
nach: Yu, J. Vac. Sci. Technol. B 17, 1742 (1999)
kompressiver
Strain
tensiler
Strain
a)
b)
c)
Abb. 4: Schematische AlGaN-
basierte Heterostruktur (nicht
maßstabsgetreu) mit 2DEG
und ohmschen Kontakten.
(a) Standard-Metallisierung
Ti/Al/Ni/Au mit Au-Deck-
elektrode,
(b) Vanadium-basierter Kontakt,
(c) goldfreier Kontakt mit
TiN-Deckelektrode
after annealing due to the segregation of V-rich clusters (B4).
For both samples, an average roughness R
a
of 70nm was
obtained by confocal laser microscopy which is a significant
improvement compared to the Ti-based reference exhibiting a
R
a
of 130 nm. At the AlGaN/metal interface, several regions
with a local intermixing, frequently accompanied by disloca-
tions in the GaN buffer, are visible. The intermixed regions
reach up to 50nm deep into the AlGaN/GaN and penetrate
the 2DEG. In contrast, without any Al interlayer, the sample
surface after annealing remains smooth with a R
a
below
10 nm (Fig.
3(c)
). EDX measurements proved that the AlGaN
layer is still intact (C1), while Au and Ni diffuse into the V
layer (C2) and possibly form alloys like AuV
3
or NiV
3
. The
upper electrode exhibits a homogeneous Ni content which
points to a solid solution in Au (C3). Some shallow inter-
mixed regions exist at the AlGaN interface indicating a begin-
ning contact formation. Nevertheless, the barrier layer is not
fully penetrated which explains the high q
C
of sample set C.
The chemical composition of the intermixed interface
regions was further investigated by EDX. In Fig.
4
, a
detailed view of the set B sample is given. Two EDX line
still intact.
the V layer
field TEM
5(a)
. The
contains
ohmic contact
sumed by
the layer
product
the Al layer
low solubility
solve partial
V phase
temperature
the annealing
Al
45
V
7
,
alloys wit
atomic ratio
is assumed
containing
transition
observat
assumption.
examined
Fourier
Al
23
V
4
AlGaN
well as
The lattice
determined
the values
Nevertheless,
(Fig.
3(a)
fore cannot
temperature
in Fig.
presence
hibit a much
itself. For
for Al and
Comparing
tion of Al
exhibits
ratio of
nary phase
low Al
found throughout
mainly
Instead
set B sample
ute to the
in agreement
Ti-based
Ti/Al phase
A1
22
8
59
11
Al
23
V
4
, diffused Ga/Au
A2
6
35
59
AlAu
2
B1
38
7
48
6
Al
23
V
4
, diffused Ga/Au
B2
31
22
11
36
low Al content,
B3
34
4
7
4
24
Ga-rich
B4
4
72
8
15
V/Au-rich clusters
C1
72
28
AlGaN barrier
C2
2
64
2
13
19
(V), AuV
3
, NiV
3
C3
9
1
19
71
(Au)
FIG. 4. (a) Bright field TEM image of the V-based sample B annealed at
700
C for 30s. (b) The EDX line scan across a local contact region shows
the diffusion of V into the GaN layer. (c) Beside the contact area, the
AlGaN remains intact and an Al-rich phase forms at the interface.
.org/termsconditions.
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139.20.13.162 On: Fri, 26 Jun 2015
Abb. 5: (a) Transmissionselek-
tronenmikroskopische (TEM)
Aufnahme einer AlGaN/GaN-
Heterostruktur mit V/Al/Ni/Au-
Elektrode nach 30 s Tempern bei
700 °C. Mittels energiedispersiver
Röntgenanalyse im TEM wurde
entlang der Pfeilrichtung die Ele-
mentzusammensetzung bestimmt.
(b) Lokal zeigt sich eine Eindiffusi-
on von V durch die AlGaN-Barriere,
welche zur Kontaktierung des
2DEG und damit zur Ausbildung
eines ohmschen Kontakts führt.
(c) Neben dem Kontaktbereich ist
die Barriere noch intakt. Es bildet
sich eine Al-reiche Phase an der
Grenzfläche AlGaN/Elektrode aus
(veröffentlicht in
9
).

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Forschung an der TU Bergakademie Freiberg
38
ACAMONTA 27 (2020) – Energieeffiziente Leistungselektronik
Transistoren mit AlN- statt AlGaN-Bar-
rieren niederohmsche, stabile und zuver-
lässige Kontakte zu realisieren.
Das Interesse an integrierten GaN-
Bauelementen auf kostengünstigen Si-
Substraten für Ein-Chip-Systeme (System-
On-A-Chip, SoC) hat darüber hinaus in den
letzten Jahren das Bedürfnis nach einer
goldfreien Kontaktierung von GaN/AlGaN-
HEMTs geweckt, da die dort verwendete
CMOS-Technologie
10
eine goldfreie Prozes-
sierung voraussetzt. Auch dazu hat das
IAP in Zusammenarbeit mit dem Insti-
tut für Experimentelle Physik (IEP) und
dem Institut für Werkstoffwissenschaft
(IWW) geforscht und eine goldfreie Ti/
Al/TiN-Kontaktierung zu GaN entwickelt
(Abbildung 4c).
11
Da TiN erst bei 2.950 °C
schmilzt, wurde die Abscheidemethode
des physikalischen Sputterns genutzt.
Dabei konnte gezeigt werden, dass der
Metallstapel epitaktisch (an die Kristall-
struktur des Substrats angepasst) auf der
GaN-Oberfläche aufwächst
(Abbildung 6).
Außerdem konnte erstmals gezeigt wer-
den, dass die sich an der Grenzfläche GaN/
Ti bildende TiN-Schicht bereits vor der
RTA-Behandlung formiert
(Abbildung 7),
auch wenn das ohmsche Kontaktverhalten
10
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
(engl.; komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter).
11 V. Garbe, J. Weise, M. Motylenko, W.
Münchgesang, A. Schmid, D. Rafaja,
B. Abendroth, and D. C. Meyer,
J. Appl. Phys.
121,
065703 (2017).
http://doi.org/10.1063/1.4975485.
sich erst nach dem RTA zeigt. Die Bildung
der TiN-Schicht wurde üblicherweise in
der Literatur für die Formierung des ohm-
schen Verhaltens verantwortlich gemacht,
da sie die Bildung von Stickstoffvakanzen
im GaN-Kristallgitter und damit die lokale
Dotierung des Halbleiters anzeigt.
Die metallischen Phasenbildungen
während des RTA-Prozesses wurden durch
eine große Anzahl an kristallographischen
und elektrischen Analysemethoden un-
tersucht und beschrieben
(Abbildung 8).
Aluminiumnitrid
Im aktuellen Projekt
LeitBAN
geht das
IAP noch einen Schritt weiter und wird
mit den im Projekt arbeitenden Partnern
das Halbleitermaterial AlGaN im HEMT
durch Aluminiumnitrid (AlN) ersetzen.
Darüber hinaus soll auch das Substrat und
die GaN-Pufferschicht durch AlN ersetzt
werden, was das Wachstum von nahezu
defektfreien Kristallen ermöglicht, wie es
bei der Prozessierung auf Fremdsubstra-
ten nicht möglich ist
(Abbildung 9).
12
Das für elektronische Anwendungen
bislang wenig erforschte Halbleitermate-
rial AlN zeichnet sich durch vielverspre-
chende Eigenschaften aus. Im Vergleich
zu Si-Bauelementen hat AlN einen bis
zu 10.000-fach geringeren Durchlass-
verlust. AlN zeichnet sich zudem durch
eine sehr hohe Durchbruchsspannung
(Ab-
bildung 10)
und Wärmeleitfähigkeit aus,
was AlN als Leistungshalbleiter mit hoher
Energiedichte und Effizienz interessant
macht. Durch die kompakte Bauweise der
12 Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für
Höchstfrequenztechnik (FBH).
Abb 6: Hochauflösende TEM-Bilder der GaN/Ti/Al-Grenzflächen:
(a) im direkt abgeschiedenen Zustand und (b) RTA-getempert;
Al/TiN-Grenzfläche: (c) im direkt abgeschiedenen Zustand und (d) RTA-getempert.
Kristallographische Richtungen sind angegeben (veröffentlicht in
11
).
Abb 7: Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigt Ti-2p-Kernlevel-Spektren an
der GaN/Ti-Grenzfläche vor und nach dem RTA-Prozess. Im direkten Vergleich ist keine
signifikant erhöhte TiN-Bildung durch das RTA zu erkennen (veröffentlicht in
11
).
Abb 8: Schematischer Aufbau des goldfreien Ti/Al/TiN-Kontakts vor und nach dem
RTA-Prozess. Diffusion und Phasenbildungen sind angegeben (veröffentlicht in
11
).
at ambient conditions, the electron diffraction pattern (Fig.
7(b)
) proves that Ti grows in the a-phase to adapt to the hex-
agonal wurtzite-type structure of GaN. The incidence (obser-
vation) direction corresponds to [21
10] of GaN and Ti (Figs.
7(a)
and
7(b)
). At the Ti/Al interface, the Ti reflexes are
caused by the lattice mismatch of fcc TiN to tetragonal
Al
3
Ti.
The XPS depth profiles measured on the as-deposited
and annealed stack showing element concentrations in
atomic-% are plotted in Figure
8
.
FIG. 6. High resolution TEM images
of the GaN/Ti/Al interfaces (a) as-
deposited, (b) annealed, and the Al/
TiN interface (c) as-deposited, and (d)
annealed. Crystallographic directions
are given.
on the one hand the presence of AlN formed at the Al/TiN
interface during RTA (which corresponds to the increased N
concentration in the XPS depth scan and to the GIXRD
data), and on the other hand the accumulation of O at the Al/
TiN interface. Furthermore, the formation of the metallic
Al
3
Ti alloy below the TiN layer is underlined by the shift to
the metallic peak at 72.4 eV.
The contact surface roughness (RMS) was determined
after RTA by confocal laser scanning microscopy and is
21.3nm, in a 25 25 lm
2
scan area.
IV. SUMMARY
Compared to the as-deposited Ti/Al/TiN stack, the
annealed metallization scheme exhibits ohmic behavior
and a contact resistance, which is four times lower. The
specific contact resistance to UID GaN was as low as
q
C
¼1.6
10
3
X cm
2
. This is one order of magnitude
higher compared to literature values for the standard Ti/Al/
Ni/Au ohmic metallization to doped GaN. However, it
should be noted that the process steps were only intended to
The as-deposited contact proved to be a stack of sepa-
rated hexagonal Ti and cubic Al and TiN layers, growing as
[0001]
GaN
jj [0001]
Ti
jj [111]
Al
jj [111]
TiN
and (0
110)
GaN
jj
(0
110)
Ti
jj (
211)
Al
jj (
211)
TiN
. It was found that the sharp
interfaces of the Ti/Al interlayer disappear during annealing.
The Ti layer dissolved almost completely into the Al layer,
forming an intermetallic compound with an average compo-
sition of Al
3
Ti. The annealed contact stack is characterized
by crystallographic orientation relationships between all
phases governed by the possible heteroepitaxy between
(0001)-oriented GaN and the adjacent phases aligned as fol-
lows: [0001]
GaN
jj [001]
Al3Ti
jj [111]
TiN
and (0
110)
GaN
jj
(1
10)
Al3Ti