WillkommenimWeltraum

In der faszinierenden Welt der Atome und Moleküle treiben chemische Prozesse den rasanten technologischen Wandel voran. Merck bietet in der Spezialchemie ein breites Portfolio, dem man fast überall begegnen kann: ob in der Unterhaltungselektronik, in der Architektur, im Auto oder sogar im Weltraum.

Schon heute finden unsere chemischen Materialien den Weg ins All: in den Chips von unterschiedlichsten elektronischen Geräten und in den Solar-Panels von Satelliten. Doch in Zukunft ist eine stärkere Präsenz von Merck im Weltraum durchaus vorstellbar. Eine solide Grundlage dafür bildet die erfolgreiche Zusammenarbeit mit der europäischen Weltraumorganisation ESA.

Beide Partner verbindet die Neugier, Unbekanntes zu erforschen. In gemeinsamen Projekten und Workshops tauschen sich die Wissenschaftler und Ingenieure zum Bei­­spiel über die Nutzung von virtueller Realität oder Big Data aus. „Die ESA kann mit ihrer Raumfahrt-Expertise für die Bereiche Digitalisierung, Materialwissenschaft und Gesundheit von Nutzen sein. Im Gegenzug kann die ESA auch viel vom innovativen Geschäft eines Wissenschafts- und Technologieunternehmens lernen“, sagt ESA-Generaldirektor Prof. Jan Wörner. Im Herbst 2017 veranstaltete Merck gemeinsam mit der ESA einen Hackathon, also ein Treffen zur kreativen Entwicklung neuer Lösungen. „Die jungen Wissenschaftler und Start-ups beschäftigten sich unter anderem mit der Frage, wie man die Verbreitung von vernachlässigten Tropenkrankheiten mit Daten und Instrumenten aus der Raumfahrt analysieren kann“, sagt Matthias Simnacher, Koordinator der ESA-Merck-Partnerschaft im Merck Innovation Center. Im Rahmen von weiteren gemeinsamen Projekten und Wettbewerben fördert Merck die Entwicklung von Materialien für den Einsatz im Weltall – etwa Spezialbeschichtungen und Additive.

350 Jahre Merck

1888 Die Entdeckung der Flüssigkristalle

1888 entdeckte der österreichische Chemiker und Botaniker Friedrich Reinitzer, dass aus Karotten gewonnenes Cholesterylbenzoat zwei unterschiedliche Schmelzpunkte besitzt. Er bat den Physiker Otto Lehmann, ihn bei seiner Forschung zu unterstützen. Lehmann erkannte, dass Cholesterylbenzoat und andere Stoffe zwischen der flüssigen und festen Phase eine weitere besitzen. Diese Stoffe nannte er „fließende Kristalle“ – die Grundlage heutiger LC-Displays.

Hautähnliche Solarzellen

Unsere Materialien werden bereits genutzt, um Hochleistungs­solarzellen für Satelliten und Planetenmissionen herzustellen. Aber auch auf der Erde arbeitet Merck daran, die Sonnenenergie zu nutzen. Vor allem Ge­bäudefassaden und Dächer bieten enorme Flächen für die klimaschonende Stromerzeugung aus organischer Photovoltaik (OPV). Nur ein Kilogramm OPV kann die Größe eines ganzen Fußballfeldes abdecken. Merck entwickelt und produziert Tin­ten für OPV-Module, die auf halbleitenden Polymeren basieren. Diese sind 100-mal dünner als ein Haar und werden mit ein­fachen Methoden ähnlich wie eine Zeitung gedruckt. Daher sind die kostengünstigen Solarzellen auf starren wie flexiblen Substraten einsetzbar. Die extrem leichten und flexiblen organischen Solarfolien eröffnen zukunftsweisende Anwendungsmöglich­keiten. So ist die Integration von OPV-Elementen auf etlichen Flächen möglich – zum Beispiel auf Elektrogeräten, Autos oder Kleidung. Wie eine zweite Haut lassen sie sich auch auf gewölbten Ober­flächen anbringen. Oder sogar auf „Bäumen“: Die Komponenten von Merck waren Teil der Solarbäume auf der Weltausstellung 2015 in Mailand. Diese zwölf Meter hohen, wie Pflan­zen wirkenden Objekte erzeugen durch zahlreiche OPV-Module Strom. Seit Kurzem stehen sie am Hauptstandort von Merck in Darmstadt. „Wir arbeiten intensiv daran, die Anwendungsmöglichkeiten und Wirkungsgrade der druckbaren organischen Solarzellen zu erhöhen“, sagt OPV-Leiter Thomas Kietzke.

Die organische Photovoltaik-Technologie (OPV) wurde in den energieerzeugenden Solarbäumen bereits auf der Weltausstellung 2015 verbaut.
Die Solarbäume auf dem Werksgelände in Darmstadt (2018).

Die Karriere der Flüssigkristalle

Erstaunliches Potenzial steckt nicht nur in der Sonne, sondern auch in Karotten: Der Chemiker Friedrich Reinitzer untersucht im Jahr 1888 Cholesterin, das er aus dem Wurzelgemüse extrahiert. Dabei bemerkt er, dass die Substanz zwei Schmelzpunkte hat – und entdeckt ganz nebenbei die Flüssigkristalle. Die Wissenschaftsgemeinde ist beeindruckt. Und Merck stellt im Jahr 1904 auf Wunsch des Physikers Otto Lehmann Flüssigkristalle her. Die Sache hat nur einen Haken: Für die wissenschaftliche Kuriosität findet sich damals keinerlei praktische Anwendung. Darum schläft die Forschung wieder ein. Erst ab 1968 – genau 300 Jahre nach der Unternehmensgründung – widmen sich einige junge Merck-Forscher erneut den Liquid Crystals (LC). Sie finden heraus, dass sich die Moleküle hervorragend zur Herstellung von Displays eignen. Und so werden bald die ersten Flüssigkristallbildschirme in Armbanduhren und Taschenrechner eingebaut. Später folgen Anzeigetafeln, Fernseher, Computer, Tablets und Smartphones. Die technologische Entwicklung nimmt immer stärker Fahrt auf, die Nachfrage steigt immens – und Merck ist bis heute Weltmarktführer.

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Neue LC-Anwendungen für das Auto

Doch die spannende Karriere der Flüssigkristalle geht weiter. Denn es finden sich immer mehr neue Anwendungsgebiete, zum Beispiel im Auto. Einen Schwerpunkt bilden dabei Materialien für Beleuchtungssysteme. So können etwa intelligente LCD-Matrix-Scheinwerfer die Lichtverteilung mit hoher Auflösung bedarfsgerecht in Echtzeit anpassen. „Kernkomponente ist dabei das Display mit eigens von Merck entwickelten, besonders temperaturstabilen Flüssigkristallen“, sagt Dieter Schroth, verantwortlich für neue Anwendungen der LC-Technologie. Flüssigkristallmischungen von Merck kommen zudem in innovativen Satellitenantennen zum Einsatz. Im Zeitalter der Digitalisierung will man auch im Auto „always on“ sein. Smarte Antennen steuern ihren Strahl elektronisch durch eine Flüssigkristall­schicht und halten so konstant die Verbindung zum Satelliten. Dadurch lassen sich große Datenmengen an fast jedem Ort der Welt empfangen. Im Vergleich zu anderen Antennenlösungen sind LC-Antennen extrem flach und kostengünstig verstellbar. Sie sind somit gut ins Autodach integrierbar. Eine weitere potenzielle Anwendung im Automobilbereich ist die von Merck entwickelte Flüssigkristallfenster-Technologie: Individuell schaltbare Autoscheiben und Sonnendächer lassen sich künftig auf Knopfdruck abdunkeln.

Herstellung von Flüssigkristallfenster-Modulen im niederländischen Veldhoven.

Kristallklare Aussicht

Die „Smart Windows“, die auf der Technologie von Merck beruhen, kommen bereits in der Architektur zum Einsatz. „Bei einer intelligenten Verglasung regulieren unsere Flüssigkristalle mithilfe von transparenten leitfähigen Beschichtungen die Lichtdurchlässigkeit von Fensterscheiben oder Fassaden. Ein Schaltprozess bestimmt dabei die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle auf der Glasfläche und damit die gewünschte Änderung der Lichtdurchlässigkeit“, erklärt Johannes Canisius, Leiter des Geschäftsbereichs Liquid Crystal Windows. LC-Fenster können in Gebäuden in vielen Varianten eingesetzt werden: beispielsweise als Sonnenschutz und als Sichtschutz. Als Sonnenschutz könnten sie Außenjalousien verzichtbar machen, da sie sich auf wenige Prozent Lichtdurchlässigkeit stufenlos und in Sekundenschnelle verdunkeln lassen. Durch die Optimierung des Licht- und Wärmeeintrags kann die Technologie die Energieeffizienz von verglasten Gebäuden deutlich erhöhen. Einsparungen von bis zu 40 % des Gebäudeenergieverbrauchs sind möglich. Auch abge­dunkelt bleiben die Fenster transparent und gewähren farbneutral den Blick nach außen. Die „Privacy“-Variante schaltet sofort von kristallklar auf milchig-undurchsichtig. So lassen sich verglaste Räume problemlos vor Blicken von außen schützen – von Konferenzräumen über Bäder bis hin zu Behandlungszimmern in Krankenhäusern. Im November 2017 eröffnete Merck im niederländischen Veldhoven das weltweit erste Werk des Unternehmens zur Produktion von Flüssigkristallfenster-Modulen.

Innovative Verfahren zur Chipherstellung

Auf Hochtouren läuft bei Merck auch die Produktion von Halbleitermaterialien für die Herstellung von Chips. Sie kommen in den unterschiedlichsten elektronischen Anwendungen zum Einsatz. Immer kleiner, schneller, leistungsstärker, energieeffizienter und günstiger – das ist die Devise in dem dynamischen Markt. Da die Nachfrage nach Elektronikgeräten weiter steigt, wächst auch die Nachfrage nach Halbleitern. Und weitere Miniaturisierungen erfordern weitere Verbesserungen der Prozesschemikalien. Halbleiter entstehen in strukturierbaren Schichten, die letztendlich einen kompletten integrierten Schaltkreis bilden. Merck bietet Produkte wie Antire­flexbeschichtungen zur Verbesserung der Fer­tigungspräzision, spezielle Hilfsmittel zur Stabilisierung der Strukturen sowie Mate­rialien, die durch einen chemischen Schrumpf­ungsprozess eine Reduzierung der Strukturdimensionen ermöglichen. Wegen des Bedarfs an immer kleineren Mustern forscht Merck an neuen Mustererzeugungstechniken, etwa der sogenannten gezielten Selbstanordnung (Directed Self-­Assembly, DSA) und der gezielten Materialabscheidung (Selective Deposition). „Statt der bisherigen aufwendigen und teuren Lithographie-Verfahren wollen wir intelligente und günstige Verfahren etablieren, bei denen die Strukturinformationen bereits teilweise in den Prozesschemikalien enthalten sind“, sagt Ralph Dammel, Research Fellow und Halbleiter-Forscher bei Merck. Auch mit seinem 300 Mio. € starken Wagniskapitalarm „Merck Ventures“, der in innovative Start-ups in seinen drei strategischen Kernbereichen investiert, engagiert sich Merck unter anderem in Bereich Halbleitermaterialien. So zum Beispiel beim französischen Start-up Aveni, das an Lösungen arbeitet, die es der Halbleiterindustrie ermöglichen sollen, Chips immer noch kleiner und platzsparender zu machen.

Ob Karotten oder Chips – Merck gestaltet mit Forschergeist und Neugier den Fortschritt bei innovativen Hightech-Materialien, die auf der ganzen Erde zum Einsatz kommen – und manchmal auch darüber hinaus.

350 Jahre Merck

1968 Startschuss für die Flüssigkristallentwicklung

Bereits 1904 tauchten in unseren Preislisten Stoffe auf, die ein flüssigkristallines Verhalten aufwiesen. 1905 begann unsere Zusammenarbeit mit Otto Lehmann, dem Vater der Flüssigkristallforschung – und seit 1968 forschen wir selbst auf diesem Gebiet.

Zahlreiche Chips werden auf Basis von Merck-Halbleitermaterialien hergestellt.
Qualitätskontrolle von Flüssigkristallfenster-Modulen.
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