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30.09.2013
Folge 388

Hadoop für Big Data

Mit Rudi Kulzer habe wir uns über Hadoop (http://de.wikipedia.org/wiki/Apache_Hadoop) unterhalten. Es geht hierbei um ein Verfahren riesige Datenmengen so auf unterschiedliche Server zu verteilen, dass Analyseprogramme sie schnell und effizient bearbeiten können. Damit wird erst die Grundvoraussetzung für Big Data geschaffen. FDAs Verfahren basiert auf Googles MapReduce-Algorithmus, der es ermöglicht, intensive Rechenprozesse mit großen Datenmengen im Petabyte-Bereich auf Computerclustern durchzuführen. Das Projekt ist mittlerweile bei der Apache-Foundation angesiedelt und steht als Open-Source Projekt jedem zur Verfügung. Neben Google, die auch ihr eigenen Filesystem nutzen sind vielle große Player wie Facebook, a9.com, AOL, Baidu, IBM, Imageshack oder Yahoo Hadoop Anwender.


Elektronik zum anziehen

Zwei wissenschaftliche Projekte beschäftigen sich mit dem Problem, wie Elektronik so in der Kleidung angebracht wird, dass sie stört und nicht zerstört wird. Unsere herkömmliche siliziumbasierte Elektronik ist eigentlich nicht wirklich für tragbare Geräte geeignet, sie ist zerbrechlich, darf nicht gebogen oder gar geknickt werden oder sollte besser nicht auf einen harten Untergrund fallen. Eine "anziehbare" Elektronik ist erst recht undenkbar. Aber in Korea und Darmstadt arbeitet man an Lösungen für anziehbare Elektronik.

Dabei gibt es vielfältige Anwendungen. Jacken mit eingebautem Mobiltelefon, Sportkleidung, die warnt, wenn die Herzfrequenz zu hoch wird, Tapeten mit Leuchtmustern. Der Strampelanzug könnte bei einem Atemstillstand des Babys Alarm geben. "Intelligente" Schutzbekleidung könnte die Position von Einsatzkräften ständig per Funk weitergeben. Textile oder papierne Elektronik eignet sich aber auch für neuartige großflächige Raumgestaltungselemente und Sicherheitsausstattungen in Gebäuden. Solche Ideen stammen nicht aus Science-Fiction-Filmen, sondern sind teilweise bereits realisiert und könnten vielleicht bald Alltag werden. Voraussetzung sind elektrisch leitfähige faserförmige Materialien. Koreanische Wissenschaftler berichten in der Zeitschrift Angewandte Chemie über ein neues Verfahren, mit dem sie Papier- und Textilfasern mit Aluminium leitfähig ausrüsten.

Forscher um Hye Moon Lee vom Korea Institute of Materials Science und Seung Hwan Ko vom Korea Advanced Institute of Science and Technology haben einen einfachen, kostengünstigen Ansatz entwickelt, um Textil- und Papierfasern mit Aluminium leitfähig auszurüsten. Das Papier oder die Textilfäden werden dazu zunächst mit einem titanbasierten Katalysator vorbehandelt und dann in eine Lösung einer Aluminiumhydrid-Verbindung eingetaucht. Der Katalysator ist nötig, damit die anschließende Zersetzung der Aluminiumverbindung zu metallischem Aluminium bereits bei Raumtemperatur abläuft.

Da die Materialien nicht nur benetzt werden, sondern die Fasern die Lösung aufsaugen, werden sie nicht nur oberflächlich mit Aluminium beschichtet, sondern vollständig durchdrungen. So entstehen Papiere und Textilfäden mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit. Sie lassen sich beliebig biegen und falten. Durch Zuschneiden lassen sich Stücke in der benötigten Form und Größe herstellen und einfach auf einen ebenfalls flexiblen Träger aufkleben oder aufnähen.

Anders der Ansatz an der TU-Darmstadt. Hier arbeiten Wissenschaftler daran, elektronisch aktive Fäden werden reproduzierbar zu machen. Auch hier betonen die Wissenschaftler, dass intelligente Textilien erst am Anfang ihrer Entwicklung stehen. Das Problem bisher: Die elektronischen Bauteile, sogenannte organische Halbleiterbauelemente, konnten nicht reproduzierbar auf dreidimensionale Strukturen wie Fasern aufgebracht werden. Doch nun haben Darmstädter Materialwissenschaftler eine Maschine entwickelt, mit der elektronisch aktive Materialien auf Fäden aufgedampft werden können. Damit ist das Einweben von elektronischen Bauteilen in die Kleidung aus ingenieurstechnischer Sicht einen wichtigen Schritt vorangekommen.

Der Materialwissenschaftler Tobias Könyves-Toth, der die Idee für die Maschine konzipiert hat, konnte organische Halbleiterbauelemente auf Glasfasern aufdampfen Die Wissenschaftler haben sich dabei organischen Leuchtdioden (OLEDs) gewidmet, weil sie die höchsten Anforderungen an die Substrate haben. Es ist ihnen erstmals gelungen, funktionstüchtige OLEDs auf einen Faden aufzubringen und ihn zum Leuchten zu bringen. Das Aufbringen anderer Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren oder Solarzellen, hat andere Probleme, ist bei der Beschichtung aber im Vergleich weniger aufwändig.“

Ein Problem bei der Faserbeschichtung ist, dass sie unter Vakuumbedingungen stattfinden muss, denn OLEDs sind gegen Sauerstoff und Wasser hochempfindlich. Die Rotationsbeschichtung bietet die Möglichkeit, die Faser im Vakuum so zu drehen, dass sie völlig gleichmäßig beschichtet wird und sie anschließend ohne Luftkontakt aus dem Vakuum herauskommen. Die Bauteile werden auf den Faden aufgebracht, indem die Materialien im Vakuum erhitzt werden, bis sie verdampfen. Wie bei auf dem Herd erhitztem Wasser, aus dem Wasserdampf aufsteigt und auf der Fensterscheibe kondensiert, kondensieren die Materialien auf der Faser. Insgesamt sieben Schichten müssen auf die Faser aufgetragen werden, von denen einzelne die Dicke von gerade mal ein paar Atomen besitzen. Insgesamt sind die auf die Faser aufgetragenen Schichten etwa 200 Nanometer dick – das heißt, Feinstaubpartikel sind 50 Mal größer als die Schichtdicke der OLEDs. Und hier tut sich ein weiteres Hindernis auf: Textilfäden haben eine raue Oberfläche. Die elektronischen Bauteile funktionieren jedoch nur auf glatten Oberflächen – schon winzige Kratzer von mehr als ein paar Nanometern Tiefe können zu Defekten wie Kurzschlüssen führen.

Für die ersten Versuche wurde deswegen Glasfasern verwendet, denn sie haben eine sehr glatte Oberfläche. Aber Glasfasern sind spröde und eignen sich nicht zum Weben von Textilien. Daher unternehmen die Darmstädter nun auch Versuche mit von Polymeren ummantelten Glasfasern. Ziel ist es, für Textilien verwendete Polymerfasern mit organischen Halbleiterbauteilen zu bestücken. Bis jetzt wurde eine Faser von 500 Mikrometern auf 5 Millimetern zum Leuchten gebracht, die sogar noch leuchtete wenn die Faser gebogen wurde.

Der Weg hin zu intelligenten Textilien ist noch weit. Denn die elektrische Funktionstüchtigkeit ist nicht von langer Dauer. Noch gibt es nämlich keine Lösung für eine Schutzschicht, die die organischen Halbleitermoleküle vor Sauerstoff und Feuchtigkeit schützen könnten. Erste Ansätze hierfür existieren bereits, aber bis das Verfahren zur Marktreife gelangt, wird noch einige Zeit ins Land gehen. Und auch die bislang verwendeten Fasern sind noch zu spröde und zu dick, um sie in Textilien verweben zu können. Auch halten die die leuchtenden Fasern die mechanische Beanspruchung beim Verweben der Fäden und beim Tragen der Kleidung noch nicht aus.

Es gibt in beiden Projekten noch viel zu tun, aber ein erster Schritt hin zur reproduzierbaren und kontrollierbaren Produktion intelligenter Textilien ist getan.


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