Einem Forscherteam der Stanford Universität ist es gelungen einen funktionstüchtigen Computer zu bauen, dessen Transistoren vollständig auf Kohlenstoffnanoröhren basieren. Die mikroskopisch kleinen Röhren, die meist als Carbon Nanotubes (CNT) bezeichnet werden, elektrisieren seit den 1990er Jahren diverse Felder der Wissenschaft und beschäftigten die ein oder andere Machbarkeitsstudie: Von der Automobilindustrie, über den Energiesektor, Flugzeugbau, Messtechnik, Speicherverfahren bis hin zu Displays. Allerdings kam es bisher noch nicht wirklich zu Anwendungen, die über den Status von Prototypen hinausgingen. Auch wenn es schon vor einigen Jahren gelang, an einzelnen Tubes Spannungen zu messen, so markiert die nun entwickelte Maschine einen entscheidenden Schritt in Richtung der Realisierung von für Computer funktionierenden Carbon Nanotubes.

„Carbon nanotubes galten schon lange als potentielle Nachfolger von Silizium Transistoren,“ sagt Professor Jan Rabaey, ein renomierter Experte für Strom- und Schaltkreise von der UC Berkeley. Der nun vorgestellte Prototyp ,Cedric’ ist zwar, was die Rechenleistung angeht, höchstens auf dem Stand des Intel 4004, aber dennoch könnte er einen entscheidenden Anteil daran haben, ein Gesetz auszuhebeln, dass mindestens seit den Tagen der ersten Mikrochips in Stein gemeißelt schien: Moore’s Law.

Die vom Intelmitbegründer Gordon E. Moore 1965 aufgestellte These, dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise in einem Zeitraum von ungefähr zwei Jahren jeweils verdoppeln würde, galt bisher als unumstössliche Referenzgröße für den Fortschritt unserer Computergesellschaft.

Nicht zuletzt viele Entwickler und Hersteller in der Halbleiterindustrie haben sich an dieser Faustregel in den letzten Jahrzehnten orientiert. Das Gesetzt bewies sich immer wieder als erstaunlich realisitisch, und wenn es in den letzten Jahren Debatten gab, so drehten diese sich höchstens um die Frage, ob es sich denn nun um einen Drei-Jahres-Rhythmus handelt, oder ob die Hersteller das Tempo des Gesetz immer noch einhalten. Und der Grundstoff hinter diesem vorhersehbaren informationstechnologischen Dauerrevolutionszustand, der uns alle eingelullt hat, war dabei stets: Silizium (natürlich neben den ,Konfliktmineralien’ aber das ist eine andere Geschichte)

Über Jahrzehnte wurde der digitale Fortschritte dadurch realisiert, dass immer kleinere Transistoren entwickeln wurden und immer mehr von ihnen auf immer kleinerem Raum untergebracht werden. So stieg die Prozessorleistung und so wurden leistungsfähige Computer auch preislich erschwinglich. Aber immer kleinere Transistoren bedeuten gleichzeitig auch einen immer höheren Wärmeausstoss und Energieverbrauch.

Carbon Nanotubes bieten im Vergleich zu Silizium grundsätzlich bessere Eigenschaften der Strombelastbarkeit, also der Bewältigung hoher Spannungen, sie können bei deutlich erhöhten Temperaturen arbeiten und ihre materielle Zugfestigkeit in Relation zur Dichte ist unerreicht. Und sie sind wirklich winzig. Tausende von ihnen passen in ein menschliches Haar.

Eine Anwendung der Technologie als Halbleitermaterial war schon sehr früh angedacht, erzählte mir Holger Hoffschulz, von der Innovationsallianz CNT. Als Clustermanager dieser deutschen Wissenschaftsinitiative, die viele Unternehmen in der Erforschung und Erprobung von Carbon Nanotubes zusammenbringt, ist er bestens vertraut mit möglichen Praxiszenarien.

Hoffschulz erklärt, dass beispielsweise die Bayer AG an einer Erprobung von Carbon Nanotubes als Kompositmaterial für den Karroseriebau von Automobilen geforscht hat und auch einen Einsatz in Rotorblättern von Windrädern erprobte. In der Theorie soll dabei die ungemeine Festigkeit des Materials Windkraftanlagen mit einem erheblich höheren Durchmesser bringen und die Effizienz in der Energiegewinnung erheblich erhöhen. Allerdings stellt eine gleichmäßige CNT Verteilung in einem größeren Volumen, immer noch ein großes Hindernis für die Praxistauglichkeit der Technologie dar.
Andere wichtige Praxisfelder Batterien: Im Vergleich zu den Elektroden in herkömmlichen Batterien bei denen über die Zeit Brüche und materielle Verluste auftreten, führt die mechanische Festigkeit des Materials auch zu einer wesentlich längeren Zyklenfestigkeit. Dies würde wesentliche Probleme herkömmlicher Batterien beseitigen und könnten beispielsweise in Elektroautos zum Einsatz kommen.

Carbon Nanotubes sind außerdem nicht nur extrem effizient in der Leitung, sondern auch in der Kontrolle des Flusses von Energie. Und genau diese Realisierung von An-Aus Funktionen ist für Transistorentechnologie von entscheidender Bedeutung. Der Projektleiter des Projekts an der Stanford Universität H. S. Philip Wong erklärt, man solle es sich vorstellen wie einen Gartenschlauch: „Je dünner der Schlauch umso einfacher kann der Fluss gestoppt und freigegeben werden.“

Auch wenn die Eigenschaften von Carbon Nanotubes in der Theorie also stets vielversprechend klangen, so galt es für den Bau eines praktikablen Rechners einige Hindernisse zu überwinden. Ein erstes Problem war dabei die Tatsache, dass sich ein Teil der Röhren als vollständig leitend verhält und nicht als Halbleiter, wie es für die Verarbeitung von Informationen eigentlich notwendig ist.

Die Forscher von der Stanford Universität lösten dies mit einem erst jüngst etabliertes Verfahren. Sie leiteten soviel Spannung in den Stromkreis, dass die unerwünschten Röhren überhitzten und als Kohlenstoffdioxid verdampften, sich also buchstäblich in Luft auflösten. Währenddessen blieben die ,guten’ halbleitenden Transistoren unbeschädigt, denn sie schalteten – vereinfacht gesagt – bei dem Überschreiten einer bestimmten Spannung ab.

Noch problematischer ist die Eigenschaften von Carbon Nanotubes sich nicht immer in perfekt geraden Linien zu formieren, wie es Chipdesigner natürlich gerne hätten. Bei Millionen von Transistoren, ist dabei selbst eine Fehlerquote von 0.5% viel zu hoch.
Hierfür entwickelten die Forscher in Stanford einen mächtigen Algorithmus, der eine Schaltungsanordnung ermittelte, die unabhängig von Fehlformungen funktionierte und die Stellen, wo perfekte Carbon Nanotubes wachsen sollten gewissermaßen lithographisch vorzeichnete und bestimmte.

Diese ,Troubleshooting’ Verfahren nennen die Forscher „Inperfektions-immunes Design“, und so konnten sie tatsächlich einen Carbon Nanotube Computer bauen, der einfache Aufgaben wie zählen und das Anordnen von Zahlen erledigen kann. Auch das MIPS Betriebssystem, welches in den frühen 1980er vom jetztigen Stanford Universitätspräsidenten John Henessy entwickelt wurde, konnten die Forscher auf dem Rechner laufen lassen, der mit 178 Transistoren ausgestattet ist. In jedem Fall erreicht der Rechner auf Kohlenstoff-Basis noch nicht wirklich schnelle Prozessorleistungen. Diese Beschränkung der Halbleitereinheiten ergeben sich aber teilweise auch dadurch, dass die Forscher auf die universitätsinterne Fertigung von Chips zurückgriffen und sich nicht auf industrielle Produktionen zurückgriffen.

Nachdem Sumio Ilijima 1991 Carbon Nanotubes zufällig unter einem Elektronenmikroskop entdeckte, wurde vor inzwischen fünfzehn Jahren erstmals eine Transistoren-Anwendung erfolgreich durchgeführt. In der Zwischenzeit hat sich auch die Fertigung der Nanoverbindungen soweit professionalisiert, dass vorgefertigte Carbon Nanotubes einfach über das Internet bestellt werden können. 200mg kriegt man schon für etwas mehr als 100€ geliefert. Vorausgesetzt man ist ein gewerblicher Kunde, und garantiert, dass man nicht plant die Carbon Nanotubes als Nahrungsmittel zu verwenden oder unverarbeitet für Anwendungen mit Körperkontakt zu verwenden. So diktierte es mir zumindest ein freundlicher Herr an der Bestellhotline.

Die in Bezug auf Carbon Nanotubes immer wieder tatsächlich diskutierten Gesundheitsrisiken, betreffen aber den in Stanford vorgestellten Rechner nicht. Wie Holger Hoffschulz mir berichtete, sind pauschalisierte Risikoaussagen für die CNT Technologie problematisch – nicht nur aufgrund der vielfältigen potentiellen Applikationsfelder, sondern vor allem auch wegen der sehr unterschiedlichen Formen die das Carbon Nanotube Material in Länge, Durchmesser, Steifigkeit etc. annehmen kann. Desweiteren stellten kurze und flexible Tubes solange kein Risiko da, wie sie kleiner als Makrophagen sind, und so vom Immunsystem verarbeitet werden können. Dies trifft im Falle der Verwendung in Transistoren allemal zu. Und schließlich sollte auch die Herstellung der Carbon Nanotubes in dem Fall der Stanford-Entwicklung kein Risiko bedeuten, denn die Tubes wurden im CVD Verfahren gefertigt und innerhalb von Vakuum-Apparaturen aufgebracht, was für die Ingenieure und Entwickler kein Berührungsriskio mit den Nanoteilen bedeutet.

Auch wenn Hoffschulz reine Kohlestoff-Computer in frühestens in zwanzig Jahren in der Praxis sieht, so scheinen die Möglichkeiten für ein kommendes Internet der Dinge dennoch auf einen Schlag in eine ganz anderer Dimension vorgestossen zu sein: Wirklich kleine und gleichzeitig extrem leistungsstarke Miniaturgeräte, die viel kälter bleiben und weniger Batteriekapazität brauchen, rücken in ganz anderer Dimension in greifbare Nähe. Und so resümiert auch Professor Georges Gielen, von der belgischen Katholieke Universiteit in Leuven: „Wenn diese Technologie sich wirklich durchsetzt, dann werden wir einen wesentlichen Durchbruch für die informationstechnologischen Anwendungen der Zukunft erreicht haben.”