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50 Jahre Empa Dübendorf – ZeitreiseDr. Pierangelo Gröning

Leiter Departement “Moderne Materialien und Oberflächen”Überlandstrasse 129CH-8600 Dübendorf

pierangelo.groening@empa.ch

134 Jahre Empa

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1880 “Anstalt für die Prüfung von Baumaterialien” beginnt ihre Tätigkeit. Prof. Dr. Ludwig von Tetmajer ist ihr erster Direktor

1891 Auftrag die Ursache für den Einsturz der von Gustav Eiffel erbauten Eisenbahnbrücke in Münchenstein abzuklären.

1895 Bezeichnung “Eidg. Materialprüfungsanstalt” wird zum ersten Mal verwendet.

1937 Die Schweizerische Textilkontrollstelle St. Gallen wird einge-gliedert. Die Empa erhält den Namen “Eidg. Materialprüfungs-und Versuchsanstalt”.

1963 Die Empa zieht von Zürich nach Dübendorf1988 Die Empa heisst neu “Eidg. Materialprüfungs- und Forschungs-

anstalt”. 2001 Empa richtet sich prioritär auf Forschung aus.

Empa bis 1963 an der ETH Zürich (1)

Die Empa an der Leonhardstrasse in Zürich

Empa bis 1963 an der ETH Zürich (2)

Gedränge an der Leonhardstrasse in Zürich kurzvor dem Umzug nach Dübendorf

Eduard Amstutz: Vater der Empa in Dübendorf

Direktionspräsident Empa ETH-Professor Delegierter des BR für Luftfahrt Vizepräsident SWISSAIR Flugzeugbeschaffer der Armee

Botschaftdes

Bundesrates an die Bundesversammlungüber die Errichtung von Neubauten

der Eidgenössischen Materialprüfungs- undVersuchsanstalt (EMPA) in Dübendorf

(Vom 11 Juni 1956)

Zur Errichtung von Neubauten der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Versuchsanstalt (EMPA) in Dübendorf und für deren maschinelle und apparative Ausrüstung wird ein Objektkredit von 62‘500‘000 Franken bewilligt.

Empa-Rohbau Dübendorf 1958

Empa-Gelände Dübendorf 1962

Fotograf: E. Bohtz / Pilot: J. Kuster

Empa-Gelände Dübendorf 1963

Empa-Gelände Dübendorf heute

Empa: Die Prüfanstalt (1)Einsturz der Eisenbahnbrücke in Münchenstein (1891)

Empa: Die Prüfanstalt (2)

Lineare Korrelationgemäss Prof. L. v. Tetmajer

Lineare Korrelationgemäss Prof. L. v. Tetmajer

Euler’sche Hyperbel Euler’sche Hyperbel

Einsturz der Eisenbahnbrücke in Münchenstein (1891)

Empa: Die Prüfanstalt (3)Anlage:Ermüdungsverhalten von Spannkabeln (1969)(650 Tonnen, 4.5 Hz)

Kurt Schumacher BrückeMannheim 1972

Olympiastadion München 1972

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (1)ELS: Die Stärkste Seilzug-Prüfmaschineder Welt (1984)

Sutong Brücke, China

MagnetorheologischerDämpfer

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (2)

BBC Baden:CFK-Dampfturbinenschaufeln / Niederdruckbereich (Dr. J. H. Greenwood)

Kohlefaser verstärkte Kunststoffe (CFK)Erste CFK-Experimente an der EMPA (1973)

Kohlefaser verstärkte Kunststoffe (CFK)Nutzlastverkleidung der Ariane V (1994)

CFK/Alu-Sandwich-Leichtbau

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (3)

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (4)CFK-Verstärkung zur Sanierung grosser Tragwerke

Empa FellowProf. Urs Meier

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (5)Weltpremiere: Mit CFK sanierte Ibachbrücke in Luzern(1991)

Empa: Vom Prüfen zum Forschen (6)CFK an der Empa: Eine Erfolgsstory

Mit CFK vorgespannte hochfeste Betonelemente (1998)

Weltpremiere:Storchenbrücke in Winterthur mit CFK-Schrägseilen (1996)

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK)CFK an der Empa: Eine Erfolgsstory / Spin-Off Carbo-Link

CFK SpannseileLiebherr Krane mit CKF Spann-seilen von Carbo-Link

Alinghi, America's Cup Sieger in Valencia mit CFK Strangschlaufen der Carbo-Link (2007)

Schadensanalytik eine Domäne der EmpaDürrenäsch AbsturzSwissair Caravelle (1963)

Hallenbaddecke Uster (1985)

Schilthorn (2004)ICE / Eschede (D) (1998)

Schadensanalytik an der Empa heute

Turnhalle, St. Gallen 2009 Glion Tunnel (2012)

Fokussierung auf grosse und komplexe Schadensfälle Auslagerung der Druckbehälterprüfung an den SVTI (1992) Auslagerung der Schweisstechnik an den SVS (2007) Auslagerung der Metallographie an den IWT/SVTI und MatExpert (2009)

Trotzdem kein Reduktion des Auftragsvolumens!!

Empa ab 2002 CEO Prof. Dr. Louis Schlapbach (2002 – 2009)

Auftrag des ETH-Rates:Entwicklung der Empa zu einer welt-weit führenden Forschungsinstitution im Bereich Materialwissenschaften und Technologien.

Forschungsschwerpunkte der Empa

NanostructuredMaterials

Energy

Natural Resources& Pollutants

Sustainable Build Environment

Health and Performance

Research Focus Areas (RFA)

RFA “Nanostructured Materials”

Module 4Mikro- and Nano-Charakerisierung

Einzigartig

Module 2Nano-strukturierte Dünnschichten

Funktionell

Module 1Nanopartikel & Nanokomposite

Strukturell

Module 3Mikro- and Nano-Fabrikation

Effizient

Empa: Von den Grundlagen zur Anwendung

Industrie&

Gesellschaft

Industrie&

Gesellschaft

Angewandte Forschung

&Dienstleistun-

gen

Vorwettbe-werblicheForschung

Grundlagen-forschung

16 %12 % 72 %

Drittmittel (2012:  62.0 Mio. CHF    39%)

Grundfinanzierung (2012:  97.9 Mio. CHF    61%)

Grundlagenforschung Thermische Leitfähigkeit: Graphen ~ 5’000 Wm-1K-1

Silizium ~ 150 Wm-1K-1

Elektronenmobilität: Graphen < 200’000 cm2V-1s-1

Silizium 1’400 cm2V-1s-1

Thermische Leitfähigkeit: Graphen ~ 5’000 Wm-1K-1

Silizium ~ 150 Wm-1K-1

Elektronenmobilität: Graphen < 200’000 cm2V-1s-1

Silizium 1’400 cm2V-1s-1

Problem: Graphen ist ein Halbmetall und kein Halbleiter !!

Lösung: Graphen Nanobänder < 2 nm Breite !!

Atomare Kraftmikroskop Aufnahme

Grundlagenforschung mit der Industrie!

T1 T2 > T1

“Bottom-Up” Synthese von Graphen-Nanobändern

Nano in der Fügetechnik

300

350

400

450

500

550

600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1/(Schichtdicke AlSi) [1/nm]

Sch

mel

ztem

pera

tur

[°C

]

Bulk AlSi

Nano-Multilagen AlSi

Entdeckt 1954 durch M. TakagiSource: Wilden, DVS Forschungsseminar, 2006

Metall/Keramik Fügen für die Raumfahrt

Fokussier- undBeschleunigungseinheit(Titan / Aluminiumoxid / Kupfer)

Flange der Ionenquelle(Titan / Aluminiumoxid / Kupfer)

BepiColombo: ESA Mission zum Planeten MerkurStart: August 2015Projekt der Uni Bern

Vorsprung durch Technik: GeräteentwicklungHochtemperatur Nanoindenter(Partner: CSM instruments, CH)

3D NanoChemiscope(Partner: ionTOF (D))

ToF-SIMS

AFM

7.5 x 7.5 m2

PCBM (gelb)CyI (blau)

Empa Stärke: Inter- & Transdisziplinarität (1)Beispiel: Nano und Baumaterialien / Aerogel Isolationsverputz

Los Alamos National LaboratoryLos Alamos National LaboratoryLos Alamos National Laboratory Apollo 16 (1972)

Thermische Isolation < 27 mW/m·K Geringe Schrumpfung (≤ 1‰) Wasserdampf-Diffusionswiderstand µ < 10 Hydrophob (wasserabweisend) Rein mineralisch Markteinführung: 2013

Empa Stärke: Inter- & Transdisziplinarität (2)Beispiel:IR-Spektroskopie / Kontinuierliche Messung des Treibhausgases CO2

Entwickeltes IR-Spektrometermit Quantenkaskadenlaser

Weltpremiere 2009:Erste Messung auf dem Jungfraujoch

Empa Stärke: Inter- & Transdisziplinarität (3)Beispiel:IR-Spektroskopie / Krebsdiagnostik / Leckdetektion

UltraschnelleCO2-LeckDetektion

CO2 Analyse der Atemluftfür Krebsdiagnostik(Empa, EPFL, ETHZ)

Miniaturisierung

Empa Stärke: Inter- & Transdisziplinarität (4)Beispiel: Betonforschung im Nanometerbereich / FIB Tomographie

Ele

ktro

nens

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y

z

x

Minimale Schichtdicke: ~ 15 nm

~ 20 μm

Empa Stärke: Inter- & Transdisziplinarität (5)Beispiel: Betonforschung im Nanometerbereich / FIB Tomographie

1 µm

FIB Tomographie:Voxel size: 14.84 x 18.84 x 30 nm3

Simulation:Wasserkondensation @ 99 – 95% RH

Empa in Zahlen (2012) 3 Standorte (Dübendorf, St. Gallen, Thun) 27 Technische Labors >950 Angestellte (~860 FTE, 30% Frauen) 24 Professoren 160 Doktorierende 40 Auszubildende +200 Gastwissenschaftler & Praktikanten

Wiss. Output >500 (SCI/E) Publikationen >100 Seminare & Konferenzen

Laufende DrittmittelprojekteEU-Projekte > 50; SNF > 100; KTI > 100

Empa eine Forschungsinstitution mit WeltrufScimago Institutions Rankings: “Normalized Impact”Scimago Institutions Rankings: “Excellence Rate”

Forschungsschwerpunkte der EmpaVielen Dank

für IhreAufmerksamkeit