Ein gut gelaunter älterer Mann, mit Ledergürtel, steht in einem Labor.© H. Ohm
Bevor Ro­nald Ei­se­le 2006 an die FH kam, war er mehr als 20 Jahre für ver­schie­de­ne In­dus­trie­un­ter­neh­men tätig.

Leis­tung unter Strom

von viel.-Re­dak­ti­on

Es braucht mehr als 500 Watt, um die Auf­merk­sam­keit von Prof. Ro­nald Ei­se­le zu we­cken. 500 Watt, das ist die un­te­re Gren­ze, ab der man von „Leis­tungs­elek­tro­nik“ spricht. In­ner­halb die­ses Teil­ge­biets der Elek­tro­tech­nik sor­gen Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler wie Ei­se­le dafür, dass Gro­ß­ver­brau­cher, etwa Elek­tro­au­tos, Wind­kraft­an­la­gen und Schiffs­schrau­ben, sich mit Leich­tig­keit steu­ern las­sen und der Strom „sich be­nimmt“.

Seit acht Jah­ren lehrt und forscht Prof. Ro­nald Ei­se­le am In­sti­tut für Me­cha­tro­nik des Fach­be­reichs In­for­ma­tik und Elek­tro­tech­nik der FH Kiel. Auf einem lan­gen Umweg fand der Phy­si­ker zu­rück an die Hoch­schu­le: Über 20 Jahre lang ar­bei­te­te er für In­dus­trie­un­ter­neh­men wie Fi­bro­nix und Dan­fo­ss Si­li­con Power, wo er sich vor­ran­gig um die Ent­wick­lung von Mess­tech­nik küm­mer­te. Am obe­ren Ende der Kar­rie­re­lei­ter an­ge­kom­men, wurde Ei­se­le als Di­rec­tor Re­se­arch and De­ve­lop­ment schlie­ß­lich je­doch un­zu­frie­den mit dem Ver­hält­nis von Ver­wal­tung und prak­ti­scher Ar­beit. Rück­bli­ckend sagt er, er woll­te kein „Pa­pier­ti­ger“ wer­den – denn das stün­de dem ent­ge­gen, was ihn an­treibt: „Am wohls­ten fühle ich mich, wenn ich etwas auf­bau­en kann.“ Als die FH Kiel 2006 eine Pro­fes­sur für Mess­tech­nik und In­te­gra­ti­on aus­schrieb, pack­te Ei­se­le die Ge­le­gen­heit beim Schopf; seit­her forscht und lehrt er auf dem Cam­pus zu „ech­ter Tech­nik“. Al­ler­dings will der 56-Jäh­ri­ge die Zeit in der In­dus­trie nicht mis­sen – hat er da­mals doch viele Kon­tak­te zu Un­ter­neh­men ge­knüpft, die heute als Part­ner For­schungs­pro­jek­te der FH fi­nan­zi­ell er­mög­li­chen und das In­sti­tut mit Auf­trä­gen be­trau­en. Ak­tu­ell lau­fen an sei­nem Fach­be­reich fünf För­der­pro­jek­te und meh­re­re bi­la­te­ra­le In­dus­trie­ar­bei­ten. Die grö­ß­te Her­aus­for­de­rung beim Sei­ten­wech­sel aus der In­dus­trie an die Hoch­schu­le war für Ei­se­le der Um­gang mit den Stu­die­ren­den. Zwar hatte er be­reits zuvor Di­plom­ar­bei­ten be­treut, doch erst an der FH lern­te er, was eine gute Rund­um-Be­treu­ung aus­macht.

Von der Decke des La­bors in Raum 12-3.28, in dem ein ein­drucks­vol­ler Ma­schi­nen­park steht, hängt ein Schild. „Mes­sen an der Gren­ze des tech­nisch Mög­li­chen“, steht dar­auf. „Das ist noch von mei­nem Vor­gän­ger“, sagt Ei­se­le la­chend, „aber an der Gren­ze zum tech­nisch Mög­li­chen for­schen wir auch!“ 

Ins­ge­samt ar­bei­ten eine In­ge­nieu­rin, fünf In­ge­nieu­re und zehn halb­tags an­ge­stell­te Stu­die­ren­de unter sei­ner Obhut. „Au­ßen­ste­hen­de er­ken­nen hier keine ty­pi­schen Stu­die­ren­den“, sagt Ei­se­le stolz. Wenn er von sei­nem Team spricht, lobt er be­son­ders das hohe Maß an Ei­gen­ver­ant­wor­tung und wie ar­beits­tei­lig seine Stu­die­ren­den vor­ge­hen: „Wir er­stel­len zu­nächst ge­mein­sam einen Ar­beits­plan. Dann su­chen sie sich Ab­läu­fe und Pro­zes­se aus, für die sie an­schlie­ßend zu­stän­dig sind. Die Stu­die­ren­den sind rich­tig hung­rig auf Ver­ant­wor­tung.“ Um aus­fall­si­cher ar­bei­ten zu kön­nen, ken­nen sich je­weils drei bis vier von ihnen mit jeder der ton­nen­schwe­ren und kom­ple­xen Ma­schi­nen aus, die unter an­de­rem mit Druck und Hitze Pro­to­ty­pen her­stel­len. „Ei­gent­lich un­ter­schei­det uns nur die feh­len­de Se­ri­en­fer­ti­gung von den Mög­lich­kei­ten der In­dus­trie“, er­klärt Ei­se­le. „Wir sind in der Lage, alle Pro­duk­ti­ons­schrit­te ab­zu­bil­den. Al­ler­dings steht da­zwi­schen bei uns kein Fließ­band. Wir tra­gen die Werk­stü­cke noch selbst hin und her. Fast wie in einer Ma­nu­fak­tur.“

Jeder Mensch kommt täg­lich mit Leis­tungs­elek­tro­nik in Be­rüh­rung, an deren Wei­ter­ent­wick­lung Ei­se­le und sein Team ar­bei­ten. Dass ein Fahr­stuhl in der Ziel­eta­ge nicht ra­pi­de stoppt und die Fah­ren­den durch­schüt­telt, dass der ICE fast un­merk­lich an­fährt, dass der Ka­pi­tän der Queen Mary 2 das 4×22-Me­ga­watt-Kreuz­fahrt­schiff mit einem Joy­stick steu­ern kann – all das ist nur mög­lich durch Kom­po­nen­ten aus der Leis­tungs­elek­tro­nik. Ei­se­le hat ein pas­sen­des Bild parat, um zu ver­deut­li­chen, was die Leis­tungs­elek­tro­nik leis­tet: „Stel­len Sie sich vor, Sie möch­ten aus einem Feu­er­wehr­schlauch tröpf­chen­wei­se Was­ser ent­neh­men, um damit eine zarte Blume zu gie­ßen.“ Wann immer es darum geht, große elek­tri­sche Strö­me zu bän­di­gen, so­dass le­dig­lich die be­nö­tig­te Menge im Spiel ist, kommt Leis­tungs­elek­tro­nik zum Tra­gen. Mit Hilfe eines Steue­rungs­mo­duls für einen Fahr­stuhl ver­deut­licht Ei­se­le die Liga, in der Leis­tungs­elek­tro­ni­ke­rin­nen und -elek­tro­ni­ker spie­len.

Die An­schluss­stü­cke auf der etwa 15 mal 20 Zen­ti­me­ter gro­ßen Pla­ti­ne sind groß und gut zu er­ken­nen, die Kabel und Lei­tun­gen ent­spre­chend dick, damit sie unter der durch den star­ken Strom er­zeug­ten Wärme nicht auf­ge­ben. Wech­sel­haf­te Tem­pe­ra­tu­ren sind eine der grö­ß­ten Her­aus­for­de­run­gen, mit denen es die Fach­leu­te zu tun haben. Wenn Kom­po­nen­ten unter Voll­last fast glü­hen und an­schlie­ßend er­kal­ten, macht das dem Ma­te­ri­al zu schaf­fen. Dem ent­ge­gen ste­hen die An­for­de­run­gen an Schalt­mo­du­le: Zu­ver­läs­sig und lang­le­big sol­len die Bau­tei­le sein, mög­lichst über Jahr­zehn­te höchs­ten Span­nun­gen wi­der­ste­hen. „Die Be­trei­ber von Wind­kraft­an­la­gen in der Nord­see haben vor allem aus wirt­schaft­li­chen Grün­den kein In­ter­es­se daran, immer wie­der Tech­ni­ke­rin­nen und Tech­ni­ker auf das Meer zu flie­gen, damit sie de­fek­te Teile aus­tau­schen. Daher in­ves­tiert die In­dus­trie lie­ber in hoch­wer­ti­ge Kom­po­nen­ten“, er­klärt Ei­se­le und stellt stolz her­aus: „Die Leis­tungs­elek­tro­nik ist einer der we­ni­gen Be­rei­che, in denen Deutsch­land welt­weit führt. Wir hier in Kiel ge­hö­ren zu den Top-Five-La­bo­ren in Deutsch­land, die der­ar­ti­ge Pro­to­ty­pen für die In­dus­trie ent­wi­ckeln und bauen kön­nen.“ Auch ja­pa­ni­sche Fir­men in­ter­es­sie­ren sich für das, was in Kiel ge­leis­tet wird. Eine De­le­ga­ti­on von Mi­tsu­bi­shi war vor kur­zem im Fach­be­reich zu Gast und hat einen wei­te­ren Be­such ins Auge ge­fasst, eben­so hat sich Hi­ta­chi an­ge­kün­digt, um sich auch au­ßer­halb von Mes­sen aus­zu­tau­schen.

Nicht nur in vie­len Wind­kraft­an­la­gen steckt das Kie­ler Know-how; auch in zahl­rei­chen Elek­tro­au­tos fin­den sich die Leis­tungs­mo­du­le. Wie bei einer elek­tri­schen Bohr­ma­schi­ne der Abzug steu­ert in E-Autos das Gas­pe­dal, wie viel Leis­tung der Elek­tro­mo­tor frei­ge­ben soll. Schalt­mo­du­le aus der Leis­tungs­elek­tro­nik sor­gen dafür, dass auch nach Jah­ren ein Tritt auf das Pedal den ge­wünsch­ten Ef­fekt hat. Eine be­son­de­re Her­aus­for­de­rung ist es für die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler, die An­for­de­run­gen von Auf­trag­ge­bern wie VW oder Audi in For­schungs­zie­le zu über­set­zen. Möch­te ein Her­stel­ler, dass Schalt­ele­men­te zu­min­dest den Le­bens­zy­klus eines Autos von 300.000 Ki­lo­me­tern über­dau­ern, muss Ei­se­les Team krea­tiv wer­den. Schlie­ß­lich ist keine Zeit dafür, den Pro­to­ty­pen eines Schalt­mo­duls in ein Elek­tro­au­to zu ver­bau­en und damit dann über Mo­na­te zwi­schen Ham­mer­fest und Pa­ler­mo zu pen­deln. Statt­des­sen er­rech­nen die Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler, wie vie­len Be­las­tungs­zy­klen die Mo­du­le über die an­ge­streb­te Le­bens­dau­er aus­ge­setzt sind und schal­ten diese in schnel­ler Folge, um zu sehen, ob das Bau­teil durch­hält.

Ganz oben auf dem Wunsch­zet­tel von Ei­se­le steht ein ei­ge­ner Prüf­stand, doch dafür sind die FH-Räum­lich­kei­ten nicht aus­ge­legt. Daher müs­sen er und sein Team in den letz­ten For­schungs­pha­sen ver­stärkt mit der In­dus­trie und an­de­ren In­sti­tu­ten ko­ope­rie­ren und die Auf­trag­ge­ber die Pro­to­ty­pen im Dau­er­be­trieb tes­ten las­sen. Al­ler­dings hat die For­schungs- und Ent­wick­lungs­zen­trum Fach­hoch­schu­le Kiel GmbH einen An­trag für den Neu­bau eines For­schungs­kom­ple­xes, des Power Re­se­arch Ap­pli­ca­ti­on Cen­ter (PRAC), auf dem Cam­pus ge­stellt. Wenn alles glatt läuft, wird auf dem Park­platz ge­gen­über der Schwen­tin­e­stra­ße eine Halle ent­ste­hen, die auf die Be­dürf­nis­se des For­schungs­teams ma­ß­ge­schnei­dert ist. Na­tür­lich habe man auch an die Be­dürf­nis­se der an­de­ren ge­dacht, räumt Ei­se­le lä­chelnd ein, denn er weiß um das Kon­flikt­po­ten­zi­al des Neu­baus: „Die Park­plät­ze blei­ben er­hal­ten, das Ge­bäu­de wird auf Stel­zen ste­hen.“ Ein po­si­ti­ver Be­scheid wäre das schöns­te Weih­nachts­ge­schenk für das Team.

Doch auch auf engs­tem Raum ma­chen die Kie­ler For­sche­rin­nen und For­scher große Fort­schrit­te. Lange Zeit wurde in der Leis­tungs­elek­tro­nik ge­schwei­ßt und ge­lö­tet. Immer klei­ne­re und emp­find­li­che­re Bau­tei­le zwan­gen al­ler­dings zum Um­den­ken. Die klas­si­schen Ver­bin­dungs­ver­fah­ren, bei denen Kom­po­nen­ten bei einer Tem­pe­ra­tur um 300 Grad ver­bun­den wur­den, wür­den die mitt­ler­wei­le win­zi­gen, fi­li­gra­nen Bau­stei­ne zer­stö­ren. Ei­se­le und sein Team haben eine Al­ter­na­ti­ve per­fek­tio­niert, bei dem Mi­cro­chips auch bei ge­rin­ge­rer Hitze zu­ver­läs­sig dau­er­haft mit Pla­ti­nen ver­bun­den wer­den: das Sil­ber-Sin­tern.

Zu­nächst tra­gen sie eine hauch­dün­ne Sil­ber­pas­te auf die Stel­le auf, an der Chip und Pla­ti­ne mit­ein­an­der ver­bun­den wer­den sol­len. An­schlie­ßend fügen sie die Bau­tei­le unter gro­ßem Druck und mit einer Tem­pe­ra­tur von etwa 250 Grad zu­sam­men. Das Zu­sam­men­spiel aus mo­de­ra­ter Hitze und Pneu­ma­tik sorgt für eine sta­bi­le Ver­bin­dung, ohne dass die Bau­tei­le lei­den. Ein zu­sätz­li­cher Vor­teil des Sin­terns: Im Ge­gen­satz zu an­de­ren Ver­fah­ren ist es deut­lich um­welt­freund­li­cher. So müs­sen die Kom­po­nen­ten bei­spiels­wei­se beim in­dus­tri­el­len Löten ge­wa­schen wer­den, wo­durch Ab­was­ser an­fällt, das ent­sorgt wer­den muss. Als wei­te­re In­no­va­ti­on hat das Team einen Ar­beits­schritt ent­wi­ckelt, bei dem die ge­sin­ter­te Kom­po­nen­te mit einem hauch­dün­nen Kupfer­de­ckel ver­sie­gelt wird. Die­ser schützt die sen­si­blen Bau­tei­le, wenn diese mit an­de­ren Kom­po­nen­ten per Kup­fer­draht ver­bun­den wer­den. Wer al­ler­dings ver­mu­tet, dass an den Ar­beits­plät­zen Töpfe vol­ler Sil­ber her­um­stün­den, den muss Ei­se­le ent­täu­schen: „Wir be­nö­ti­gen nur sehr ge­rin­ge Men­gen, sonst wäre die Ar­beit damit wirt­schaft­li­cher Irr­sinn. Zwar ist die Leit­fä­hig­keit von Sil­ber etwa 20 Pro­zent höher als die des ge­wöhn­lich ver­wen­de­ten Kup­fers, dafür kos­tet es aber auch das Hun­dert­fa­che.“

Blickt Ei­se­le in die Zu­kunft, macht er sich keine Sor­gen um die Be­deu­tung der Leis­tungs­elek­tro­nik. „En­er­gie ist eines der The­men, die den öf­fent­li­chen Dis­kurs seit Jahr­zehn­ten be­stim­men und das nicht an Be­deu­tung ver­lie­ren wird. Es ist ein Mega-Thema, das eng mit an­de­ren wie Fi­nan­zen und Um­welt ver­zahnt ist, und Leis­tungs­elek­tro­nik ist eine Schlü­sse­ltec­hn­ol­ogie“, er­klärt er. 

Vor allem die Rück­ge­win­nung von sonst ver­schwen­de­ter En­er­gie – bei­spiels­wei­se flie­ßt die En­er­gie, die beim Brem­sen eines mo­der­nen Autos frei wird, zu­rück in die Bat­te­rie – ist ein in­ter­es­san­tes Feld für die For­sche­rin­nen und For­scher. Zudem steigt der En­er­gie­ver­brauch in Deutsch­land durch die wach­sen­de Zahl an Sin­gle-Haus­hal­ten immer wei­ter und das In­ter­es­se an En­er­gie­ein­spa­run­gen wächst. Doch das grö­ß­te En­er­gie-Pro­blem kann auch das Kie­ler Team nicht lösen: „Strom ist viel zu bil­lig“, stellt Ei­se­le nüch­tern fest. „So­lan­ge elek­tri­sche En­er­gie so wenig kos­tet, gehen viele zu ver­schwen­de­risch damit um.“

von Joa­chim Kläschen

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